一种多相滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光稳频系统技术领域，特别涉及一种多相滤波结构的 Pound-Drever-Hal 1数字激光稳频系统。
【背景技术】
[0002] Pound-Drever-Hall稳频方法由于其不易失锁，系统抗干扰能力强，稳定度高，不 受波长限制等优点而广泛应用于窄线宽超稳定激光器稳频系统中。该方法的原理是：电 光调制器由一射频信号驱动，激光器输出光束经过电光调制器进行相位调制后垂直入射到 F-P参考腔，三束反射光在光电探测器上进行拍频。若激光频率等于参考腔谐振频率，拍频 后的调制频率信号输出为零；反之，则有该频率的拍频电流输出。将射频信号经过一定的相 移补偿其通过不同路径的误差后，与拍频信号在双平衡混频器内混频解调，得到色散型鉴 频特性信号。它通过伺服系统，控制激光器固定在一端反射镜上的压电陶瓷调节激光器腔 长，使激光频率的偏移量回复到零，从而将激光频率锁定在参考腔谐振频率上，实现稳频。
[0003] 目前的Pound-Drever-Hall稳频系统中都米用相敏检波方法来提取频率漂移{目 号。这就需要将射频信号与光电探测器输出的拍频信号混频再通过低通滤波器。射频信号 的长期幅度不稳定性和模拟混频器带来的失真和镜频干扰大大降低了稳频精度。数字混频 器需要产生数字正交参考信号，这个过程会带来一定的量化误差，也会降低稳频精度。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多相滤波结构的 Pound-Drever-Hal 1数字激光稳频系统，本系统不采用相敏检波算法来提取频率漂移信号， 而是直接对光电探测器输出信号进行采样，采用多项滤波结构对频率漂移信号进行提取， 具有结构简单，稳频精度高的特点。
[0005] -种多相滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光稳频系统，包括激光源1，激光 源1出射的激光进入光隔离器2进行反射光隔离，再入射进偏振片3进行偏振方向调整，最 后入射进电光调制器4的光孔进行相位调制；射频信号源15的电压输出端与电光调制器4 的驱动电压输入端相连；电光调制器4出射的激光入射进偏振分束器5和其后的四分之一 波片6,垂直入射进入参考腔7,从参考腔7反射的激光再次经过四分之一波片6和偏振分 束器5入射进入光电探测器8的光孔；光电探测器8的电压输出端与选频放大网络9的电 压输入端相连，选频放大网络9的电压输出端与模数转换器10的模拟信号输入端相连，模 数转换器10的数字信号输出端DO~D7与FPGA控制器11的通用IO 口 A7~A15相连，模 数转换器10的时钟输入端与FPGA控制器11的通用IO 口 A6相连；FPGA控制器11的通用 IO 口 B7~B15与数模转换器12的数字信号输入端相连，FPGA控制器11的通用IO 口 B6 与数模转换器12的时钟输入端相连，数模转换器12的模拟信号输出端与伺服电路13的信 号输入端相连，伺服电路13的信号输出端与压电陶瓷14上的电极相连，压电陶瓷14粘在 激光源1上。
[0006] 所述的FPGA控制器11内包括多相滤波单元、特征值提取单元和PID控制单元， 其中，时序控制单元为模数转换器10、数模转换器12和多项滤波单元提供时钟信号，频率 漂移信号的提取由多项滤波单元和特征值提取单元完成，PID控制单元在系统出现失锁时 调节频率漂移信号的大小以保证系统在短时间内重新锁定；信号提取原理为：经过模数转 换器10采样的数据经过一个2倍奇偶抽取滤波器把数据分为两部分，2倍奇抽取滤波器的 输出为同相分量，2倍偶抽取滤波器的输出为正交分量，对两部分数据分别经过符号变换器 (-1) n，实质是将两部分数据同乘以（-1)n;同相分量经过3/4延时内插滤波器，正交分量经 过1/4延时内插滤波器来补偿抽取时的延时；时序控制为数模转换器10提供采样时钟，同 时为2组抽取滤波器、2组符号变换器和2组延时内插滤波器提供时序控制，2组延时内插 滤波器的两路输出I和Q进行幅度运算，可得到频率漂移信号；该信号通过与FPGA控制器 11相连的数模转换器12输出；数模转换器12的采样时钟也由FPGA控制器11提供。
[0007] 所述的多项滤波单元包括一个2倍奇偶抽取滤波器、两个符号变换器、两个延时 内插滤波器和两个4倍抽取低通滤波器，经过模数转换器10采样的数据D经过一个2倍 奇偶抽取滤波器把数据分为两部分，偶数抽取值x(2n)作为同相分量的输入，奇数抽取值 x(2n+l)作为正交分量的输入，对两部分数据分别经过符号变换器（-l)n，将两部分数据同 乘以（-D 1M禹数抽取值x(2n)经过3/4延时内插滤波器补偿抽取时的延时，经过4倍抽取 低通滤波器滤除高频分量得到同相分量I ;奇数抽取值x(2n+l)经过1/4延时内插滤波器 补偿抽取时的延时，经过4倍抽取低通滤波器滤除高频分量得到正交分量Q，η为采样点序 数；
[0008] 为了保证I、Q两路信号的时间一致性，采用延时内插滤波器来进行时延校正，多 项滤波单元中的两组延时内插滤波器设计步骤为：①采用FPGA控制器的IP核设计FIR 线性相位低通原型滤波器，阶数N = 32,截止频率ω。= π/4。②计算其冲击响应h(n) (0彡η彡N-1)。③选择两路正交分量的冲击响应分别为hjn) = h(4n+3)和hQ(n)= h(4n+l) ,Ii1Oi)为同相分量的冲击响应；hQ(n)为正交分量的冲击响应，η = 0, 1，…，7 ;④根 据Ii1 (η)设计3/4延时内插滤波器，hQ(η)设计1/4延时内插滤波器。
[0009] 本发明的特点在于：
[0010] 1、所述的射频信号源（15)只为电光调制器（4)提供驱动电压，不作为解调参考信 号。
[0011] 2、采用多相滤波结构和特征值提取算法提取频率漂移信号。
[0012] 3、FPGA内包括多项滤波单元、特征值提取单元和PID控制单元。
[0013] 4、多相滤波单元结构采用双路滤波，两路滤波器的系数从同一 FIR低通原型滤波 器中抽取得到，具有很高的镜频抑制效果，提高了稳频精度。
[0014] 5、本发明激光稳频系统减少了硬件个数，简化了结构，克服了混频器和低通滤波 器带来的系统检测误差，提高了稳频精度。
[0015] 6、本发明解调检测采用全数字系统，减小了测量和计算误差，实现了全自动跟踪 锁定。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明多项滤波结构的Pound-Drever-Hall数字激光