一种基于激光器阵列实现接收光强自稳定的装置及方法与流程

本发明涉及激光遥测技术领域，尤其涉及一种基于激光器阵列实现接收光强自稳定的装置及方法。

背景技术：

tdlas是tunablediodelaserabsorptionspectroscopy的简称，该技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。在tdlas的实际应用过程中，由于探测器接收到的激光光强受到反射面的反射率、激光传播距离、激光和反射面的夹角等众多因素影响，会导致探测器所接收到的激光光强变化非常大。现有技术中，主要采用两种技术方案来解决探测器接收到的激光光强不稳定的技术问题：

(1)使用光阑来调节探测器光学接收器的孔径，从而避免激光光强过高导致的信号失真。但是当孔径变大时，也会提高外界杂散光的光强，影响探测器性能。并且由于光阑是通过电机驱动来调节其通光孔径的，无法实现快速调节并且机械磨损导致光阑的寿命较短。

(2)调节探测器的曝光时间，从而避免探测器接收到的光强过小导致的信号的信噪比较低。但是调节探测器的曝光时间将会影响到测量设备的响应速度，如延长曝光时间会导致响应速度变慢。并且若由于接收到的激光光强过大产生探测器饱和失真，即使调节探测器的曝光时间也不能解决信号失真的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于激光器阵列实现接收光强自稳定的装置及方法。

本发明是以如下技术方案实现的：

第一方面，一种基于激光器阵列实现接收光强自稳定的装置，包括：

激光器阵列，所述激光器阵列由多个激光器阵元构成，每个激光器阵元发出的激光均具备相同波长和相同传播方向；

阵列光束探测器，所述阵列光束探测器用于接收所述激光器阵列发出的阵列光束，并将接收到的光信号幅值传输至总控制器；

总控制器，所述总控制器用于获取所述接收到的光信号幅值与光信号幅值标准值的差值，并根据所述差值控制所述激光器阵列中各个激光器阵元的开闭。

第二方面，一种基于激光器阵列实现接收光强自稳定的方法，所述方法由上述的一种基于激光器阵列实现接收光强自稳定的装置实施，包括：

总控制器控制激光器阵列发出阵列光束，所述阵列光束由相同波长并且传播方向一致的激光光束构成；

阵列光束探测器接收所述激光器阵列发出的阵列光束，并将接收到的光信号幅值传输至总控制器；

所述总控制器获取所述接收到的光信号幅值与光信号幅值标准值的差值，并根据所述差值控制所述激光器阵列中各个激光器阵元的开闭。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基于激光器阵列实现接收光强自稳定的装置及方法，其具有如下有益效果：

本发明实施例中总控制器通过分析阵列光束探测器接收到的光信号幅值与光信号幅值标准值的差距，来控制激光器阵列中的激光器阵元的开启数量，进而最终实现总输出光功率的调节，基于光信号幅值与光信号幅值标准值的差距调节激光器阵列，从而生成了控制闭环。相较于需要依赖机械运动部件的现有技术具有响应快、寿命长的优势，并且在接收光强自稳定过程中，不会改变光学接收系统的性能，也不会增加外界杂散光，从而保证了阵列光束探测器接收到的光信号具备较高的信噪比。

附图说明

图1是本发明提供的基于激光器阵列实现接收光强自稳定的装置示意图；

图2是本发明提供的基于激光器阵列实现接收光强自稳定的方法流程图；

图3(1)是本发明实施例提供的第一种激光器阵元示意图；

图3(2)是本发明实施例提供的第二种激光器阵元示意图；

图4是本发明实施例提供的控制器框图；

图5(1)是本发明实施例提供的经过气体吸收池后的光信号示意图；

图5(2)是本发明实施例提供的无气体吸收情况下的光信号示意图；

图6是本发明实施例提供的电流驱动器框图；

图7是本发明实施例提供的温度控制器框图；

图8是本发明实施例提供的激光器阵元控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明实施例提供一种基于激光器阵列实现接收光强自稳定的装置，如图1所示，所述装置包括：

激光器阵列，所述激光器阵列由多个激光器阵元构成，每个激光器阵元发出的激光均具备相同波长和相同传播方向。

阵列光束探测器，所述阵列光束探测器用于接收所述激光器阵列发出的阵列光束，并将接收到的光信号幅值传输至总控制器。

总控制器，所述总控制器用于获取所述接收到的光信号幅值与光信号幅值标准值的差值，并根据所述差值控制所述激光器阵列中各个激光器阵元的开闭。

具体地，所述阵列光束探测器可以将接收到的阵列光束的光强信号转化为电信号，即得到光信号幅值并将其得到的光信号幅值以电信号的形式传输至总控制器。

具体地，若所述所述差值为正数并且大于第一阈值，则关闭若干激光器阵元；若所述所述差值为负数数并且绝对值大于第二阈值，则开启若干激光器阵元。

事实上，所述第一阈值、第二阈值和光信号幅值均可以根据实际的实际情况进行设定，光信号幅值加第一阈值构成了光信号可行接收区间的上限值，光信号幅值减第二阈值构成了光信号可行接收区间的下限值，所述光信号可行接收区间为与阵列光束探测器相关的参数。在所述光信号可行接收区间内，接收到的光信号噪声较小，信噪比较高，并且不会出现过曝光或曝光不足的现象。所述光信号可行接收区间与阵列光束探测器的实际电路结构直接相关。

为了简化控制，各个激光器阵元输出的激光的幅值可以是相等的。

本发明实施例公开了一种基于激光器阵列实现接收光强自稳定的装置，通过控制激光器阵列总的输出光功率，来实现阵列光束探测器接收到的光强的稳定。具体方法为总控制器通过分析阵列光束探测器接收到的光信号幅值与光信号幅值标准值的差距，来控制激光器阵列中的激光器阵元的开启数量，进而最终实现总输出光功率的调节。本发明实施例基于光信号幅值与光信号幅值标准值的差距调节激光器阵列，从而生成了控制闭环。

本发明实施例仅仅通过控制激光阵元的开闭即可实现接收光强自稳定，相较于需要依赖机械运动部件的现有技术具有响应快、寿命长的优势，并且在接收光强自稳定过程中，不会改变光学接收系统的性能，也不会增加外界杂散光，从而保证了阵列光束探测器接收到的光信号具备较高的信噪比。

本发明另一实施例提供一种基于激光器阵列实现接收光强自稳定的方法，如图2所示，包括：

s101.总控制器控制激光器阵列发出阵列光束，所述阵列光束由相同波长并且传播方向一致的激光光束构成。

s102.阵列光束探测器接收所述激光器阵列发出的阵列光束，并将接收到的光信号幅值传输至总控制器。

s103.所述总控制器获取所述接收到的光信号幅值与光信号幅值标准值的差值，并根据所述差值控制所述激光器阵列中各个激光器阵元的开闭。

具体地，若所述所述差值为正数并且大于第一阈值，则关闭若干激光器阵元；若所述所述差值为负数数并且绝对值大于第二阈值，则开启若干激光器阵元。

本发明实施例的实施基础是具备能够形成阵列光束的激光器阵列，并且阵列光束由相同波长并且传播方向一致的激光光束构成。传播方向的一致性是容易控制的，而激光波长的一致性较难控制，为此，本发明实施例公开了一种能够对波长进行严格控制的激光器阵元，所述激光器阵元如图3(1)和图3(2)所示，包括激光器，所述激光器阵元还包括：

分光部件，设置于所述激光器的出射光路，将所述激光器出射的激光分束为探测光和参考光；

气体吸收池，设置于所述参考光所在的光路上；

探测器，用于接收经过所述气体吸收池的参考光；

控制器，所述控制器与所述探测器连接；

驱动模块，用于根据所述控制器输出的驱动信号驱动所述激光器。

具体地，请参考图3(1)，所述分光部件可以为分光镜，请参考图3(2)，所述分光部件也可以为光纤。当使用光纤作为分光部件时，由y型光纤将激光分束为探测光和参考光，探测光通过出射光纤射出，参考光通过参考光纤和光纤准直器射入气体吸收池。

所述控制器如图4所示，包括：

数字采样模块1，用于将接收到的电信号进行采样得到数字信号。

吸收峰分析模块2，用于根据所述数字信号获取参考光对应的吸收峰。

偏移量计算模块3，用于将所述参考光对应的吸收峰与预设吸收峰对比，得到吸收峰偏移量。

驱动信号输出模块4，用于根据所述吸收峰偏移量产生驱动信号，并将所述驱动信号传输至所述驱动模块。

本发明实施例中激光器发射的激光经分光部件分成两束激光：出射光、参考光，分光部件往往需要镀增透膜，使得出射光光强是参考光的几百倍到几千倍。参考光用来监视出射光的波长。参考光通过气体吸收池后，特定波长的光会被气体选择性吸收，携带气体吸收信息的参考光被探测器接收。

探测器将光强信号转换为电信号传送至控制器，控制器可以在接收到外部触发信号后将电信号采集成数据信号，而后对数字信号进行分析，从而确定吸收峰的位置和吸收峰偏移量，进而得到驱动信号，从而实现对于激光器中发出的激光的反馈控制。

具体地，所述气体吸收池的光学窗口法线和激光光轴夹角为5°-45°；所述探测器的光敏面的法线和激光光轴夹角为5°-45°。

图5(1)示出了经过气体吸收池后的光信号，图5(2)示出了无气体吸收情况下的光信号。气体吸收后的光信号由探测器直接探测获得，无气体吸收的光信号可以通过直接探测或者数据拟合获得，通过对比无气体吸收的光信号和有气体吸收后的光信号，可以获得气体吸收峰信号，从而获得吸收峰的位置。

在一种可行的实施方式中，也可以对气体吸收后的光信号进行求导，从而排除光强信号中的激光光强信息，获得气体吸收峰信号的谐波信号，通过寻峰或零点算法，可以直接获得气体吸收峰位置。若采用谐波法来测量气体浓度，对气体吸收后的光信号进行锁相放大即可获得气体吸收信号的谐波信号，通过寻峰或零点算法直接获获取气体吸收峰位置。

本发明实施例中的控制器基于反馈控制原理使得吸收峰的位置向预设位置靠拢，直至吸收峰偏移量小到满足对于激光器阵元波长精确控制的要求。相应的，在激光器阵元构成的激光器阵列中，每个激光器阵元利用上述过程将参考光预设吸收峰位置调整一致，从而保证出射光波长保持一致，也就达到了利用激光器阵列得到由相同波长并且传播方向一致的激光光束构成的阵列光束的目的。

在一种可行的实施方式中，控制器可以通过将吸收峰偏移量转换为激光器驱动电流直流偏置量的方式进行反馈控制。

具体地，所述驱动模块包括电流驱动器，所述电流驱动器用于向所述激光器输入激光器驱动电流。

所述驱动信号输出模块包括：

第一驱动信号输出单元，用于根据所述吸收峰偏移量计算直流偏置量，并将所述直流偏置量输出至所述电流驱动器；

所述电流驱动器如图6所示，包括：

外部输入单元10，用于获取外部驱动信号。

偏置信号输入单元20，用于获取直流偏置量。

驱动电流输出单元30，用于根据所述外部驱动信号和所述直流偏置量得到激光器驱动电流，并将所述激光器驱动电流输出至所述激光器。

所述实施方式中，电流驱动器将外部驱动信号加上直流偏置量，而后将相加之后的信号转换为激光器的驱动电流。这样外部驱动电流可以实现激光器波长的在一定波长范围内扫描，而直流偏置量可以调整波长扫描的位置，从而通过直流偏置量来实现吸收峰的位置调整，确保激光器发出的激光的波长的稳定。

在另一种可行的实施方式中，控制器可以通过将吸收峰偏移量转换为激光器温度设定值的方式进行反馈控制。

所述驱动模块包括温度控制器，所述温度控制器用于向所述激光器输入控温电流。

所述驱动信号输出模块包括：

第二驱动信号输出单元，用于根据所述吸收峰偏移量计算温度设定值，并将所述温度设定值输出至所述温度控制器。

所述温度控制器如图7所示，包括：

温度设定单元100，用于获取第二驱动信号输出单元输出的温度设定值；

控温电流输出单元200，用于根据所述温度设定值和激光器的温度向所述激光器输出控温电流。

为了提升对于激光器温度控制的精确度，在一种实施例中，所述激光器还包括温度传感器，用于获取激光器温度；

所述温度控制器还包括反馈温度获取单元300，所述反馈温度获取单元与所述温度传感器连接.

所述温度控制器还包括：

比较器400，用于获取所述温度设定值和所述激光器温度的差值；

所述控温电流输出单元200还用于根据所述差值输出控温电流。具体地，基于差值进行控制的方式可以是pid或其他控制方式。

具体地，所述控温电流输出单元可以为tec温度控制驱动器，所述tec温度控制驱动器向所述激光器输出tec驱动电流。

所述实施方式中，温度控制器可以通过温度传感器来反馈激光器的当前温度，通过变更tec驱动电流来控制激光器的温度。这样就可以通过改变激光器的温度来实现激光器的波长变化，同理也就可以实现吸收峰的位置调整，确保激光器发出的激光的波长的稳定。

在另一种可行的实施方式中，控制器可以根据实际情况自适应选择使用不同的反馈控制方式。

具体地，所述驱动模块包括：

电流驱动器，所述电流驱动器用于向所述激光器输入激光器驱动电流；

温度控制器，所述温度控制器用于向所述激光器输入控温电流；

所述驱动信号输出模块包括：

第一驱动信号输出单元，用于根据所述吸收峰偏移量计算直流偏置量，并将所述直流偏置量输出至所述电流驱动器；

第二驱动信号输出单元，用于根据所述吸收峰偏移量计算温度设定值，并将所述温度设定值输出至所述温度控制器；

比较单元，用于根据所述吸收峰偏移量判断启动第一驱动信号输出单元和/或第二驱动信号输出单元。

在所述实施方式中，所述控制器可以根据吸收峰偏移量的不同自适应的选择使用不同的反馈控制通路。在一种可行的实施方式中，当偏移量较小时，通过增/减驱动电流的直流偏置分量来调整吸收峰的位置；当偏移量较大时，通过调节激光器的温度，来调整吸收峰的位置。

进一步地，对于本发明实施例中的激光器阵列而言，每个激光器阵元均构成了激光器阵列的一个独立作用的模块，模块化的设计能够最大化降低阵列的耦合度。进一步地，每个激光器阵元均能通过改变温度和/或改变驱动电流的方式对激光的波长进行独立精确调制，且都可以满足窄线宽要求，从而保证激光器阵列中的每个激光器发出的激光性能良好，并且波长严格一致，从而确保了激光器阵列的性能。当然，激光器阵列通过增加激光器的数量可以获得任何高功率的激光。

本发明另一个实施例提供了一种激光器阵元控制方法，如图8所示，包括：

s1.获取经过气体吸收池的参考光的数字信号。

s2.根据所述数字信号获取参考光对应的吸收峰。

s3.将所述参考光对应的吸收峰与预设吸收峰对比，得到吸收峰偏移量。

s4.根据所述吸收峰偏移量产生驱动信号。

s5.根据所述驱动信号驱动所述激光器。

在一种可行的实施方式中，所述根据所述吸收峰偏移量产生驱动信号包括：根据所述吸收峰偏移量计算直流偏置量；

相应的，所述根据所述控制器输出的驱动信号驱动所述激光器包括：

获取外部驱动信号；

获取所述直流偏置量；

根据所述外部驱动信号和所述直流偏置量得到激光器驱动电流，并将所述激光器驱动电流输出至所述激光器。

在另一种可行的实施方式中，所述根据所述吸收峰偏移量产生驱动信号包括：根据所述吸收峰偏移量计算温度设定值；

相应的，所述根据所述控制器输出的驱动信号驱动所述激光器包括：

获取所述温度设定值；

根据所述温度设定值和激光器的温度向所述激光器输出控温电流。

当然，这两种实施方式可以单独使用或叠加使用。

本发明方法实施例与装置实施例基于相同发明构思，具体详见装置实施例。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如本发明的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在本发明的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(如计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，也可以在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或者步骤等。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。