一种基于实时自动寻峰技术的激光器自动稳频系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于实时自动寻峰技术的激光器自动稳频系统及方法，系统包括基于频率

【技术实现步骤摘要】
一种基于实时自动寻峰技术的激光器自动稳频系统及方法


[0001]本专利技术涉及半导体激光器频率自动闭环锁定技术，尤其涉及使用饱和吸收峰或使用FP腔透射峰反射峰作为频率基准的激光器闭环控制系统，具体一种基于实时自动寻峰技术的激光器自动稳频系统及方法。

技术介绍

[0002]激光器稳频技术广泛应用于激光相干测量、星载激光通信、冷原子物理等多个领域。特别是本专利技术涉及的原子自旋惯性/磁场测量领域，激光器难锁频、易失锁问题导致激光器输出频率长期稳定性较差，无法保障原子传感器的自旋光抽运系统和检测系统的长期稳定性输出。激光器锁频的主要难点在于传统的模拟闭环锁频系统依赖操作经验，无法准确的将激光器频率锁定在吸收峰或谐振峰，且失锁后无法自动寻峰重锁，导致激光器频率漂出闭环点后无法重新闭环锁定。激光器锁频系统难以保持长期稳定性的另一个难点在于传统的激光器模拟锁频系统的稳定性依赖波长计采集判断，需要工作一段时间后通过人工数据处理判断锁定状态是否满足需求，导致判断周期长且不能实时调整锁定状态。
[0003]在现有技术一种基于饱和吸收谱智能识别技术的激光自动稳频系统(提到了使用模式识别技术自动调谐激光器输出模式和饱和吸收谱中的锁定点。技术[2](A self
‑
analyzing double
‑
loop digital controller in laser frequency stabilization for inter
‑
satellite laser ranging)提到了应用PDH稳频方法来自动调谐激光器PZT和温度来实现激光器频率自动闭环锁定。这两种方法均有一定的不足，前者依赖离线训练光谱样本来构建光谱特征向量，当光路发生微调，光谱变弱或者采集电路性能较差存在较多噪声时，离线光谱特征与实时光谱特征存在差异，容易错判；另外该专利中未解释搜索目标峰值的方法，更偏重于光谱与模板的部分特征匹配；而第二种的激光器双闭环锁频方法，文章描述了激光器采用PDH稳频方法的自动闭环控制方法，未描述自动寻找频率基准方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术技术解决问题：克服现有稳频系统需要人眼观测示波器和人工操作商用锁放、控制器等多种仪器实现激光器频率基准识别闭环的不足，提供一种基于实时自动寻峰技术的激光器自动稳频系统及方法，具有峰值识别精度高，抗噪能力强，锁定精度高，长期稳定性好的优点。
[0005]第一方面，本专利技术提供一种基于实时自动寻峰技术的激光器自动稳频系统，包括：基于频率
‑
电流
‑
温度模型的频率自动调谐模块A、基于自适应阈值法的频率基准自动识别模块B、频率自动闭环控制模块C和频率失锁及稳定性周期性监测的锁定状态监测及判断模块D；
[0006]基于频率
‑
电流
‑
温度模型的频率自动调谐模块A，根据已经建立的激光器频率
‑
电流
‑
温度模型，自动调谐激光器电流和温度的工作点至频率基准范围内，并开启三角波扫频信号，出现饱和吸收峰或谐振峰的光谱信号；
[0007]基于自适应阈值法的频率基准自动识别模块B，对扫频周期起始边沿触发并保存单个扫频周期内的光谱数据；依次对光谱数据中的每一个数据与其前后相邻数据对比，判断识别光谱数据中的所有局部峰值，对每一个局部峰值判断其基线，并计算峰值到基线的高度和宽度,依据光谱中饱和吸收峰或FP腔谐振峰的高度和宽度特征，设定高度阈值和宽度阈值条件，将噪声和多普勒背景产生的假峰干扰筛除，满足阈值条件的峰则为作为频率基准的饱和吸收峰或FP腔谐振峰，将峰值对应的扫描电压储存，并输出至激光器电流源，完成激光器稳频系统的频率基准识别；
[0008]自动闭环控制模块C，基于Cordic算法的调制解调算法解算，得到激光器频率的误差信号，根据不同频率基准获得的误差信号不同，设定P、I、D参数初值，对误差信号使用离散PID控制算法计算纠偏量，将激光器频率稳定在设定的频率基准点；
[0009]频率失锁及稳定性周期性监测的锁定状态判断模块D，周期性储存激光器频率锁定后的光谱信号，并计算该周期内误差信号的功率谱密度；首先根据锁定和失锁后光谱信号一个周期内的特征，设定激光器失锁阈值条件；根据锁定后频率稳定性需求设定误差信号功率谱密度对应角频率下的阈值条件，判断激光器是否失锁，若失锁，则重新进入基于自适应阈值法的频率基准自动识别模块B，开启三角波重新寻找频率基准点，并重新锁定；若未失锁，则判断误差信号功率谱密度否满足稳定性阈值条件；若满足该稳定性阈值条件，则进入下一个判断周期；若不满足该稳定性阈值条件，则重新进入自动闭环控制模块C，调整PID控制参数后重新闭环，并间隔一个周期后重新进入锁定状态判断模块D判断激光器锁定状态和稳定性，保证激光器开机后的频率长期稳定性。
[0010]进一步，所述基于频率
‑
电流
‑
温度模型的频率自动调谐模块A实现如下：
[0011](1)标定半导体激光器的电流
‑
频率系数k
I
‑
υ
，温度
‑
频率系数k
T
‑
υ
，常数偏置k
bias
，对使用的半导体激光器建立频率
‑
电流
‑
温度模型υ
laser
＝k
I
‑
υ
I
set
+k
T
‑
υ
T
set
+k
bias
；
[0012](2)标定半导体激光器电流
‑
功率系数k
I
‑
P
，根据原子陀螺仪或原子磁强计要求的激光输出功率P
laser
，计算激光器工作电流
[0013](3)根据步骤1得到的频率
‑
电流
‑
温度模型，以及目标频率范围v
laser
和计算出的激光器工作电流I
set
，计算激光器工作温度
[0014](4)调谐工作点为I
set
,T
set
，启动三角波输出信号对激光器扫频。
[0015]进一步，所述基于自适应阈值法的频率基准自动识别模块B包括五个步骤：
[0016](1)监测三角波扫频周期中的起始边沿和结束边沿，并保存开始边沿和结束边包含频率基准信息的光谱数据至数组X；
[0017](2)数组数据依次进行比较，若数组标号为i的数据X
i
满足X
i
‑1<X
i
<X
i+1
，则作为局部极大值记录保存X
i
及其标号i，将保存的一组光谱中所有峰值识别并储存；
[0018](3)基于不同光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于实时自动寻峰技术的激光器自动稳频系统，其特征在于，包括：基于频率
‑
电流
‑
温度模型的频率自动调谐模块A、基于自适应阈值法的频率基准自动识别模块B、频率自动闭环控制模块C和频率失锁及稳定性周期性监测的锁定状态监测及判断模块D；基于频率
‑
电流
‑
温度模型的频率自动调谐模块A，根据已经建立的激光器频率
‑
电流
‑
温度模型，自动调谐激光器电流和温度的工作点至频率基准范围内，并开启三角波扫频信号，出现饱和吸收峰或谐振峰的光谱信号；基于自适应阈值法的频率基准自动识别模块B，对扫频周期起始边沿触发并保存单个扫频周期内的光谱数据，依次对光谱数据中的每一个数据与其前后相邻数据对比，判断识别光谱数据中的所有局部峰值，对每一个局部峰值判断其基线，并计算峰值到基线的高度和宽度,依据光谱中饱和吸收峰或FP腔谐振峰的高度和宽度特征，设定高度阈值和宽度阈值条件，将噪声和多普勒背景产生的假峰干扰筛除，满足阈值条件的峰则为作为频率基准的饱和吸收峰或FP腔谐振峰，将峰值对应的扫描电压储存，并输出至激光器电流源，完成激光器稳频系统的频率基准识别；自动闭环控制模块C，基于Cordic算法的调制解调算法解算，得到激光器频率的误差信号，根据不同频率基准获得的误差信号不同，设定P、I、D参数初值，对误差信号使用离散PID控制算法计算纠偏量，将激光器频率稳定在设定的频率基准点；频率失锁及稳定性周期性监测的锁定状态判断模块D，周期性储存激光器频率锁定后的光谱信号，并计算该周期内误差信号的功率谱密度；首先根据锁定和失锁后光谱信号一个周期内的特征，设定激光器失锁阈值条件；根据锁定后频率稳定性需求设定误差信号功率谱密度对应角频率下的阈值条件，判断激光器是否失锁，若失锁，则重新进入基于自适应阈值法的频率基准自动识别模块B，开启三角波重新寻找频率基准点，并重新锁定；若未失锁，则判断误差信号功率谱密度否满足稳定性阈值条件；若满足该稳定性阈值条件，则进入下一个判断周期；若不满足该稳定性阈值条件，则重新进入自动闭环控制模块C，调整PID控制参数后重新闭环，并间隔一个周期后重新进入锁定状态判断模块D判断激光器锁定状态和稳定性，保证激光器开机后的频率长期稳定性。2.根据权利要求1所述的实时自动寻峰技术的激光器自动稳频系统，其特征在于：所述基于频率
‑
电流
‑
温度模型的频率自动调谐模块A实现如下：(1)标定半导体激光器的电流
‑
频率系数k
I
‑
υ
，温度
‑
频率系数k
T
‑
υ
，常数偏置k
bias
，对使用的半导体激光器建立频率
‑
电流
‑
温度模型υ
laser
＝k
I
‑
υ
I
set
+k
T
‑
υ
T
set
+k
bias
；(2)标定半导体激光器电流
‑
功率系数k
I
‑
P
，根据原子陀螺仪或原子磁强计要求的激光输出功率P
laser
，计算激光器工作电流(3)根据步骤1得到的频率
‑
电流
‑
温度模型，以及目标频率范围v
laser
和计算出的激光器工作电流I
set
，计算激光器工作温度(4)调谐工作点为I
set
,T
set
，启动三角波输出信号对激光器扫频。3.根据权利要求1所述的实时自动寻峰技术的激光器自动稳频系统，其特征在于：所述基于自适应阈值法的频率基准自动识别模块B包括五个步骤：(1)监测三角波扫频周期中的起始边沿和结束边沿，并保存开始边沿和结束边包含频
率基准信息的光谱数据至数组X；(2)数组数据依次进行比较，若数组标号为i的数据X
i
满足X
i
‑1<X
i
<X
i+1
，则作为局部极大值记录保存X
i
及其标号i，将保存的一组光谱中所有峰值识别并储存；(3)基于不同光谱的背景基线不同，峰值高低随基线变化趋势不同，采用一种自适应峰值基线判断方法，从第一个峰开始依次值寻找每个局部峰值的基线，数组标号为i的峰值X
i
向左遍历至数组标号为0的起始数据X0，寻找X0至X
i
之间的最小值X
i
‑
left
，数组标号为i的峰值向右遍历至X
max
，max为一个扫频周期储存的数据长度，寻找X0至X
max
之间的最小值X
i
‑
right
；如果X
i
‑
left
<X
i
‑
right
，则坐标为(i
‑
right,X
i
‑
right
)的点为基点，并过该点作水平线记为峰值X
i
的基线，反之取过(i
‑
left,X
i
‑
left
)作水平线记为峰值基线；确定峰值基线后，重新以X
i
向左和向右遍历数据，直至第一次遇到纵坐标等于基点值的边界点，分别记为峰值X
i
的左边界点和右边界点，坐标为(i_left_boun,X
i
‑
left
‑
boun
)和(i_right_boun,X
i
‑
right
‑
boun
)；因此峰值X
i
的幅度记为|X
i
‑
right
‑
boun
‑
X
i
|，峰值X
i
的宽度记为|i_right_boun
‑
i_left_boun|；依次对每个峰值寻找其基线，得到每个局部峰值相对其基线的幅度及宽度；(4)基于噪声波动产生的峰值幅度远小于频率基准峰的幅度，多普勒背景形成的峰值的宽度远大于频率基准峰的宽度，采用一种自适应计算幅度阈值和宽度计算能够作为筛选频率基准依据的幅度阈值Th_height和宽度阈值Th_width，根据施加扫频电压范围确定单周期光谱中存在的吸收峰或谐振个数N，使用堆排序算法将步骤(3)计算得到的每个局部峰值幅度从小到大排序，选择排名第N+1个峰的幅度作为幅度阈值Th_height；使用堆排序法将步骤三计算得到的所有峰的宽度从大到小排序，选择排名前N个峰的宽度平均值作为宽度阈值Th_width；(5)从步骤(2)储存的第一个局部峰值开始遍历所有局部峰值，依据峰值幅度阈值判定条件(X
i
‑
height
<Th_height)将由噪声波动引入的峰值筛...

【专利技术属性】
技术研发人员：全伟，李光慧，周新秀，段利红，侯雅婕，王兆宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：