一种基于多次谐波的光学频移检测动态范围扩展方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多次谐波的光学频移检测动态范围扩展方法，激光信号依次经隔离、衰减、调制后进入光学谐振腔；对光学谐振腔进行边带锁频；光学谐振腔施加动态正弦信号输入；采集光学谐振腔的输出信号，对输出信号进行傅里叶变换，得到输出信号的一次、二次、三次谐波幅值；通过示波器观察光学谐振腔的输出信号，若输出信号未失真，则采用一次谐波法测量动态正弦信号的频移幅值；若输出信号失真，则采用三次谐波法进行测量。本发明专利技术能够在不降低测量精度的条件下，提高光学移频检测的动态范围，且方法简单，成本低，不会增加任何器件。不会增加任何器件。不会增加任何器件。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多次谐波的光学频移检测动态范围扩展方法


[0001]本专利技术涉及光学谐振腔传感
，具体涉及一种基于多次谐波的光学频移检测动态范围扩展方法。

技术介绍

[0002]基于光学谐振腔的光学传感器已经被广泛的应用，从惯性传感、电学和磁学到化学和生物传感等。基于光学谐振腔的传感器可以以静态方式检测平均信号强度和以动态方式检测动态信号输入，其中动态方式输入携带与时间相关的信号。在以动态方式检测光学谐振腔动态输入时，检测过程中可以避免低频噪声的影响，有利于基于光学谐振腔的传感信号的检测。该种方法已被广泛应用于许多领域，比如力、惯性传感、电
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和磁强计、声学传感、原子力显微镜、折射率传感、以及用于跟踪化学反应和分子动力学的化学和生物传感等。通常为了扩展光学谐振腔的动态范围，大多数情况下都使用反馈控制，比如Pound
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Drever
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Hall(PDH)技术，通过锁定光学谐振腔的谐振频率，将激光器的频率与光学谐振腔的谐振频率保持一致。当光学谐振腔以静态方式测量输入信号时，PDH技术可以将测量的动态范围限制从其线宽扩大到激光器的调谐范围。然而，当光学谐振腔以动态方式测量输入信号时，光学谐振腔的腔线宽仍然限制了测量线宽之外的输入信号。
[0003]传统的测量光学谐振腔的动态输入信号频移幅度的方法一般为一次谐波法，即采用输出信号的一次谐波的幅值测量输入的动态信号幅度。但是一次谐波法的测量范围与光学谐振腔的线宽和光学谐振腔的锁定位置有关，通常被限制在四分之一线宽与线宽之间，此时测量方法是线性的，如图1(a)所示。随着输入动态信号对光学谐振腔产生的频移接近或者超过光学谐振腔的线宽，光的功率会逐渐的往更高次谐波中转移，此时输出信号就会失真，一次谐波法的测量方法变为非线性，如图1(b)所示。在此种情况下，一次谐波法无法对输入动态信号的幅值进行测量，一次谐波法虽然实施方法简单，但是测量范围小。
[0004]光学谐振腔的动态范围不仅决定了可以检测到输入的动态信号幅度范围，而且影响了基于谐振腔的传感器在实际环境中抵抗外部扰动和冲击的能力。基于光学谐振腔的传感器的动态范围通常会在其灵敏度和测量范围之间存在着动态平衡，即提高灵敏度后，会造成测量范围减小，而提高测量范围的同时，灵敏度也会相应的降低。因此需要提出一种方法在不降低光学传感器灵敏度的同时，提高光学传感器的测量范围，进而提高光学传感器的动态范围。
[0005]现有技术还有一种扩大光学谐振腔的测量范围的方法，通过光学频梳读出光学谐振腔的输出信号，该方法不需要对激光器进行锁定就可以扩大光学谐振腔的测量范围。该方法通过直接数字合成器(DDS)集成电路产生的重复线性频率啁啾驱动电光相位调制器来产生频率梳，其中产生的光学频率梳精度受电光调制器的影响，光学频率梳通过光纤环形器发后进入光学谐振腔，并在光学谐振腔反射后对光学频梳进行采集。该方法利用自外差架构将传感器反射的光学频率梳下变频到射频域。第二光路用作本地振荡器，其在光电二极管上与从光学谐振腔反射的光学频率梳相结合。本地振荡器路径中的声光调制器将载波
进行频移，以确保正阶和负阶梳齿出现在射频域中的唯一频率。使用光学开关通过记录的光谱对结果测量值进行归一化，通过数字分析仪以高采样率对光学频梳读出的谐振光谱的进行采样，对采集的光学频梳进行高斯拟合，可以得到空腔谐振的光学谐振腔的谐振中心频率，其中心频率是时间的函数，从而得到空腔光学谐振腔的长度的随时间的变化。虽然该方法不受光学谐振腔的线宽的限制，但结构复杂，成本高以及测量精度会降低。
[0006]由上可知，采用传统一次谐波法测量输入动态信号的幅度虽然方法简单，成本低，但是光学频移测量范围受光学谐振腔线宽的限制，无法同时兼顾高精度和大范围的频移检测，动态范围受限。用光学频梳的腔读出的方法虽然在扩大测量范围方面效果非常好，但是该方法系统复杂、成本高、数据处理复杂、并且在提升测量范围的同时，牺牲了测量的精度。该结构采用直接数字合成器(DDS)集成电路产生的重复线性频率啁啾驱动电光相位调制器来产生频率梳，该过程对电路和电光调制器的性能要求都非常高，其产生的频率梳直接影响该读出方法的动态测量范围以及精度。对光学频率梳的采集需要高采样率的数字分析仪，在数据处理方面需要根据电频梳的性质将读出后归一化后的结果分为多个样本，并且对每个样本进行高斯拟合来判断谐振曲线中心频率的变化，因此在数据采集以及处理方面过程复杂。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：为了解决现有技术中难以兼顾光学谐振腔的动态测量范围和测量精度的问题，本专利技术提供一种基于多次谐波的光学频移检测动态范围扩展方法。
[0008]技术方案：一种基于多次谐波的光学频移检测动态范围扩展方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、激光信号依次经隔离、衰减、调制后进入光学谐振腔；
[0010]步骤二、对光学谐振腔进行边带锁频；
[0011]步骤三、对光学谐振腔施加动态正弦信号输入；
[0012]步骤四、采集光学谐振腔的输出信号，对输出信号进行傅里叶变换，得到输出信号的一次、二次、三次谐波幅值；
[0013]步骤五、通过示波器观察光学谐振腔的输出信号，若输出信号未失真，则采用一次谐波法测量动态正弦信号的频移幅值；若输出信号失真，则采用三次谐波法进行测量，三次谐波法的测量公式为：
[0014][0015]其中，Ω为输入动态正弦信号对光学谐振腔产生频移幅值，Γt为光学谐振腔的线宽，F为其精细度，P1、P2、P3分别为光学谐振腔光学频移输入后的输出信号的前三次谐波幅值。
[0016]进一步地，步骤二中，采用PDH锁频回路对光学谐振腔中的谐振曲线进行一阶边带处的PDH边带锁频，得到锁频带宽，一阶边带的位置与PDH锁频回路中调制信号的频率有关，谐振曲线的一阶边带频率f为：
[0017]f＝f0+f1
[0018]其中f0是谐振曲线的中心频率，f1是调制信号的频率。
[0019]进一步地，步骤二中，根据单位时间内PDH锁频回路反馈的次数确定锁频带宽。
[0020]进一步地，步骤二中，边带锁频的带宽范围为100
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250Hz。
[0021]进一步地，步骤三中，所述动态正弦信号的频率大于锁频带宽。
[0022]本专利技术提供一种基于多次谐波的光学频移检测动态范围扩展方法，相比较现有技术，存在以下有益效果：该方法操作简单、成本低，不增加任何硬件器件，就能够将光学谐振腔的测量范围扩展到一次谐波法的线性范围以外，其测量范围不受谐振腔的线宽限制。且该方法利用的是光学谐振腔中光功率的传递周期性，并不会降低检测动态信号输入频移的精度。因此多次谐波的光学频移检测动态范围扩展方法在保证精度的条件下可以提高光学移频检测的动态范围，提高基于谐振腔的传感器在实际环境中抵抗外部扰动和冲击的能力。
附图说明
[0023]图1(a)为动态信号幅度在线宽之内时光学谐振腔的响应图；
[0024]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多次谐波的光学频移检测动态范围扩展方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、激光信号依次经隔离、衰减、调制后进入光学谐振腔；步骤二、对光学谐振腔进行边带锁频；步骤三、对光学谐振腔施加动态正弦信号输入；步骤四、采集光学谐振腔的输出信号，对输出信号进行傅里叶变换，得到输出信号的一次、二次、三次谐波幅值；步骤五、通过示波器观察光学谐振腔的输出信号，若输出信号未失真，则采用一次谐波法测量动态正弦信号的频移幅值；若输出信号失真，则采用三次谐波法进行测量，三次谐波法的测量公式为：其中，Ω为输入动态正弦信号对光学谐振腔产生频移幅值，Γ
t
为光学谐振腔的线宽，F为其精细度，P1、P2、P3分别为光学谐振腔光学频移输入后的输出信号的前三次谐波幅值。2.根据权利要求1所述的基于多次谐波的光学频移检测动态范围扩展...

【专利技术属性】
技术研发人员：周彦汝，樊李凡，刘文耀，邢恩博，唐军，刘俊，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：