本发明专利技术公开了一种多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置。本发明专利技术通过相位调制的方式产生等频率间距的多谐波成分，这些谐波分量被FWMI透过率函数调制后发生外差过程，从而能生成反映FWMI谐振频率漂移大小和方向信息的反馈信号。在反馈控制的不断作用下，FWMI的谐振频率会趋于激光器中心频率并稳定下来，这时反馈控制信号将回到0，从而完成频率锁定。本发明专利技术能自动补偿因为环境温度等原因带来的FWMI谐振频率漂移，且锁定精度高，锁定过程智能迅速，为FWMI光谱滤光器在HSRL中的高稳定运行创造了根本保障，对提高HSRL大气探测的精度具有极大的促进作用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光雷达
，特别是涉及一种多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置。
技术介绍
高光谱分辨率激光雷达(HSRL)技术是目前对大气气溶胶光学参数遥感的有效手段。HSRL技术需要由具有高光谱分辨能力的滤光器分离大气回波信号中的米散射和瑞利散射成分来实现。最近，一种新型的光谱滤光器——视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)被专利技术并用于HSRL系统中完成该光谱分离功能。FWMI实质上是一种改进的迈克尔逊干涉仪(MI)，它具有光谱分离功能的本质原因是因为光干涉的频率依赖性。为了更好地完成光谱分离功能，FWMI在HSRL中工作时其谐振频率必须准确保持在HSRL激光器的中心波长。尽管可以通过手动方式用压电陶瓷微位移器(PZT)将FWMI的谐振频率谐调到激光器频率，但是，由于实际操作时环境温度、空气压力等的变化，均会造成FWMI光程差的变化，最终其谐振频率也随之而漂移。容易想到的方法是，将FWMI放置在一个温度稳定度高的密闭箱中来保持其谐振频率不受环境变动的影响。但理论分析表明，该温控箱的温度稳定度应该在0.001摄氏度或更高才能满足要求。这对于国内目前的温控技术而言是一个巨大的挑战。因此，如何将FWMI谐振频率稳定地锁定在激光器中心频率是目前亟待解决的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述难点，提出了采用多谐波外差技术实时锁定FWMI光谱滤光器谐振频率至激光器中心频率的装置。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，包括激光器、电光相位调制器、信号发生器、激光扩束器、分光棱镜、第一透镜、第一<br>
光电探测器、第二透镜、第二光电探测器、FWMI主体a、电子系统模块b以及控制电脑；电子系统模块b包括第一乘法器、第二乘法器、90度移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器以及数据采集卡；激光器发射的连续激光作为频率锁定的参考，首先连续激光通过电光相位调制器的调制后产生多谐波边带激光信号，其中，电光相位调制器的驱动信号由信号发生器提供；被调制的多谐波边带激光信号经过激光扩束器扩束后又通过分光棱镜进入FWMI主体a；经过FWMI主体a后的激光信号会产生两路输出，其中反射回来的信号经过分光棱镜再次反射后，被第一透镜汇聚到第一光电探测器上，并发生光外差过程从而生成许多频率混合的电压信号；而透过FWMI主体a的信号则被第二透镜汇聚到第二光电探测器上，由于第二光电探测器响应速率远远跟不上外差信号的变化，故只起到普通的直流能量探测功能。第一光电探测器的输出电信号以及信号发生器的驱动信号(与驱动电光相位调制器的信号相同)在电子系统模块b中被处理：信号发生器信号一部分被90度移相器移相后和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第一乘法器完成。乘积信号的结果被第一低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为正交信号分量；信号发生器信号另一部分直接和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第二乘法器完成。乘积信号的结果被第二低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为同相信号分量。正交信号分量和同相信号分量被送入控制电脑，控制电脑利用这两个信号生成一个反馈控制量输送给FWMI主体a的调频设备(如压电陶瓷、气压控制器等，视FWMI结构不同而异)。反馈控制量的生成公式为F=P2+I2---(1)]]>其中，F代表反馈控制量，P代表正交信号分量，I代表同相信号分量。该反馈控制量与FWMI谐振频率的漂移程度和方向均相关，当FWMI谐振频率相对于激光器频率往正方向漂移时，该反馈控制量为正值，且大小
正比于频率漂移量；反之，则该反馈控制量为负值，大小也正比于频率漂移量。在反馈控制的不断作用下，FWMI的谐振频率会趋于激光器中心频率并稳定下来，这时反馈控制信号将回到0，从而完成频率锁定。在电光相位调制器工作时需要选定两个工作参数，即调制深度和调制频率。在本方案中，最优的调制深度为3rad，调制频率为0.1×FSR，其中FSR为待锁定FWMI的自由光谱范围。所述的第一光电探测器的带宽应大于等于2倍的调制频率；所述的第二光电探测器为普通的能量探测器，带宽一般为几百到几千Hz即可。所述的第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率一般小于5MHz。本专利技术有益效果如下：本专利技术采用多谐波外差有源反馈控制的方式将FWMI谐振频率稳定锁定到激光器中心波长，能自动补偿因为环境温度等原因带来的频率漂移，系统锁定精度高，锁定过程智能迅速，为FWMI光谱滤光器在HSRL中的高稳定运行创造了根本保障，对提高HSRL大气探测的精度具有极大的促进作用。附图说明图1本专利技术装置示意图；图2是激光被电光相位调制器调制后产生的多谐波成分；图3是FWMI谐振频率从漂移状态到锁定状态时反馈控制信号的一个实例；图4是FWMI处于锁定时第二光电探测器的输出信号。图中，激光器1、电光相位调制器2、信号发生器3、激光扩束器4、分光棱镜5、第一透镜6、第一光电探测器7、第二透镜8、第二光电探测器9、FWMI主体a、电子系统模块b以及控制电脑10；电子系统模块b包括第一乘法器11、第二乘法器12、90度移相器13、第一低通滤波器14、第二低通滤波器15以及数据采集卡16。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，包
括激光器1、电光相位调制器2、信号发生器3、激光扩束器4、分光棱镜5、第一透镜6、第一光电探测器7、第二透镜8、第二光电探测器9、FWMI主体a、电子系统模块b以及控制电脑10；电子系统模块b包括第一乘法器11、第二乘法器12、90度移相器13、第一低通滤波器14、第二低通滤波器15以及数据采集卡16；激光器1发射的连续激光作为频率锁定的参考，首先连续激光通过电光相位调制器2的调制后产生多谐波边带激光信号，其中，电光相位调制器2的驱动信号由信号发生器3提供；被调制的多谐波边带激光信号经过激光扩束器4扩束后又通过分光棱镜5进入FWMI主体a；经过FWMI主体a后的激光信号会产生两路输出，其中反射回来的信号经过分光棱镜5再次反射后，被第一透镜6汇聚到第一光电探测器7上，并发生光外差过程从而生成相应频率的电压信号；而透过FWMI主体a的信号则被第二透镜8汇聚到第二光电探测器9上，由于第二光电探测器9响应速率远远跟不上外差信号的变化，故只起到普通的直流能量探测功能。第一光电探测器7的输出电信号以及信号发生器3的驱动信号(与驱动电光相位调制器2的信号相同)在电子系统模块b中被处理：信号发生器3的驱动信号一部分被90度移相器13移相后和第一光电探测器7的输出电信号相乘，该相乘过程由乘法器11完成。乘积信号的结果被第一低通滤波器14滤波后由数据采集卡16记录下来，称为正交信号分量。信号发生器3的驱动信号另一部分直接和第一光电探测器7的输出电信号相乘，该相乘过程由乘法器12完成。乘积信号的结果被第二低通滤波器15滤波后由数据采集卡16记录下来，称为同相信号分量。正交信号分量和同相信号分量被送入控制电脑10，控制电脑10利用这两个信号生成一个反馈控制量输送给FWMI主体a的调频设备(如压电陶瓷、气压控制器等，视FWMI结构不同而异)。反馈控制量的生成公式为本文档来自技高网...
【技术保护点】
多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，包括激光器、电光相位调制器、信号发生器、激光扩束器、分光棱镜、第一透镜、第一光电探测器、第二透镜、第二光电探测器、FWMI主体a、电子系统模块b以及控制电脑；电子系统模块b包括第一乘法器、第二乘法器、90度移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器以及数据采集卡；激光器发射的连续激光作为频率锁定的参考，首先连续激光通过电光相位调制器的调制后产生多谐波边带激光信号，其中，电光相位调制器的驱动信号由信号发生器提供；被调制的多谐波边带激光信号经过激光扩束器扩束后又通过分光棱镜进入FWMI主体a；经过FWMI主体a后的激光信号会产生两路输出，其中反射回来的信号经过分光棱镜再次反射后，被第一透镜汇聚到第一光电探测器上，并发生光外差过程从而生成许多频率混合的电压信号；而透过FWMI主体a的信号则被第二透镜汇聚到第二光电探测器上，由于第二光电探测器响应速率远远跟不上外差信号的变化，故只起到普通的直流能量探测功能；第一光电探测器的输出电信号以及信号发生器的驱动信号在电子系统模块b中被处理：信号发生器信号一部分被90度移相器移相后和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第一乘法器完成；乘积信号的结果被第一低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为正交信号分量；信号发生器信号另一部分直接和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第二乘法器完成；乘积信号的结果被第二低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为同相信号分量；正交信号分量和同相信号分量被送入控制电脑，控制电脑利用这两个信号生成一个反馈控制量输送给FWMI主体a的调频设备；反馈控制量的生成公式为：F=P2+I2---(1)]]>其中，F代表反馈控制量，P代表正交信号分量，I代表同相信号分量；该反馈控制量与FWMI谐振频率的漂移程度和方向均相关，当FWMI谐振频率相对于激光器频率往正方向漂移时，该反馈控制量为正值，且大小正比于频率漂移量；反之，则该反馈控制量为负值，大小也正比于频率漂移量；在反馈控制的不断作用下，FWMI的谐振频率会趋于激光器中心频率并稳定下来，这时反馈控制信号将回到0，从而完成频率锁定。...
【技术特征摘要】
1.多谐波外差锁定视场展宽迈克尔逊干涉仪的装置，包括激光器、电光相位调制器、信号发生器、激光扩束器、分光棱镜、第一透镜、第一光电探测器、第二透镜、第二光电探测器、FWMI主体a、电子系统模块b以及控制电脑；电子系统模块b包括第一乘法器、第二乘法器、90度移相器、第一低通滤波器、第二低通滤波器以及数据采集卡；激光器发射的连续激光作为频率锁定的参考，首先连续激光通过电光相位调制器的调制后产生多谐波边带激光信号，其中，电光相位调制器的驱动信号由信号发生器提供；被调制的多谐波边带激光信号经过激光扩束器扩束后又通过分光棱镜进入FWMI主体a；经过FWMI主体a后的激光信号会产生两路输出，其中反射回来的信号经过分光棱镜再次反射后，被第一透镜汇聚到第一光电探测器上，并发生光外差过程从而生成许多频率混合的电压信号；而透过FWMI主体a的信号则被第二透镜汇聚到第二光电探测器上，由于第二光电探测器响应速率远远跟不上外差信号的变化，故只起到普通的直流能量探测功能；第一光电探测器的输出电信号以及信号发生器的驱动信号在电子系统模块b中被处理：信号发生器信号一部分被90度移相器移相后和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第一乘法器完成；乘积信号的结果被第一低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为正交信号分量；信号发生器信号另一部分直接和第一光电探测器的输出电信号相乘，该相乘过程由第二乘法器完成；乘积信号的结果被第二低通滤波器滤波后由数据采集卡记录下来，称为同相信号分量；正交信号分量和同相信号分量被送入控制电脑...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，杨甬英，成中涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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