基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光调频技术领域，具体地，涉及一种基于闭环控制的光调频连续波扫 频非线性校准系统及方法。
【背景技术】
[0002] 光调频连续波（FMCW)是一种通过测量发射光信号与回波信号相干得到的拍频信 号的频域响应来获取被测目标位置，速度等参量的技术，其核心模块是一个需要频率线性 调制的激光源。
[0003] 在各种类型的激光源中，窄线宽半导体激光器可能是最为合适的，因为它的输出 频率可以通过改变激光器的注入电流来灵活控制，然而，通常情况下由于半导体激光器本 身固有的频率调制效应，激光器的输出频率对于调制电流呈现明显的非线性。
[0004] 现有的能减小扫频激光源非线性的方法，是基于调制电流预畸变的机制，然而，使 用该方法只能使扫频激光源的输出频率中的非线性减小到一个比较小的范围内，却不能从 原理上完全消除，采用这种方法难以实现高精度大范围的线性扫频。
【发明内容】
[0005] 本发明的内容在于克服光调频连续波中的扫频非线性，提出一种基于闭环控制的 光调频连续波扫频非线性校准系统及方法，该系统及方法是一种基于马赫曾得干涉仪延迟 外差锁相的闭环反馈方案，通过该系统及方法可以实现对输出光频的扫频斜率和形状进行 精确控制，使激光器在扫频过程中对非线性频率误差进行主动校准，可以对不同类型的激 光源进行校准。
[0006] 为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校 准系统，包括扫频激光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、延迟光纤、声光频移器、平 衡光电探测器、频谱分析仪、数字鉴频鉴相器以及加法器；其中：
[0008] 所述扫频激光源、第一耦合器和第二耦合器依次设置，所述第二耦合器分别与延 迟光纤和声光频移器的第一端相连，所述延迟光纤和声光频移器的第二端分别与第三耦合 器相连，所述第三耦合器、平衡光电探测器、数字鉴频鉴相器、加法器依次设置，所述频谱分 析仪与平衡光电探测器相连，所述加法器输出至扫频激光源。
[0009] 优选地，所述扫频激光源采用窄线宽半导体激光器，并通过预畸变电流信号直接 调制，发出相位连续的光信号。
[0010] 优选地，第一耦合器采用1X2保偏耦合器。
[0011] 优选地，所述第二耦合器和第三耦合器均采用2X2保偏耦合器
[0012] 优选地，所述平衡光电探测器采用两个参数相同的平衡放大光电探测器作为一个 平衡接收器。
[0013] 根据本发明的另一个方面，提供了一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性 校准方法，包括如下步骤：
[0014] 步骤1，扫频激光源经预畸变电流信号直接调制，发出相位连续的光信号；
[0015] 步骤2,相位连续的光信号经过第一耦合器后输出两部分，其中一部分用作系统输 出，另外一部分用于系统闭环反馈控制；
[0016] 步骤3,用于系统闭环反馈控制的光信号，经过第二耦合器后输出两部分，其中一 部分进入延迟光纤，另外一部分进入声光频移器将光频搬移，经过延迟光纤和声光频移器 后输出的两路光信号经过第三耦合器合路；
[0017] 步骤4,经过第三耦合器合路的光信号通过平衡光电探测器探测拍频光信号，并通 过频谱分析仪分析拍频信号的频谱；
[0018] 步骤5,将平衡光电探测器探测的拍频光信号与一个频率稳定的射频参考信号通 过数字鉴频鉴相器进行相位比较后，输出的误差信号经信号调理后与预畸变电流信号经过 加法器相加反馈回扫频激光源，从而完成整个环路的闭环控制。
[0019] 优选地，所述第一耦合器采用10 : 90的耦合器，其中，90%的部分用作系统输出， 10 %的部分用于系统闭环反馈控制。
[0020] 优选地，扫频激光源发出1550nm或者1310nm波长的连续光信号。
[0021] 优选地，所述数字鉴频鉴相器对拍频光信号和射频参考信号的频率和/或相位信 息进行比较，其中，输出的相位误差信息以输出电流脉冲的占空比表征。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0023] 1、本发明可以对扫频激光源输出光频中的非线性进行精确校准，输出光频线性 度明显提高，大大提高了光调频连续波测距系统的空间分辨率。
[0024] 2、本发明对扫频激光源的非线性的校准为主动实时校准，减少了后期算法补偿的 开销，提高了测量系统的系统效率。
[0025] 3、本发明可以灵活控制扫频激光源的扫频斜率和形状，可以实现不同扫频斜率和 不同扫频形状的光频扫描控制。
【附图说明】
[0026] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0027] 图1为光调频连续波扫频非线性闭环校准系统的结构示意图。
[0028] 图2为系统开环时的拍频信号的频谱图。
[0029] 图3为系统闭环后拍频信号的频谱图。
[0030] 图中：
[0031] 1为扫频激光源
[0032] 2为第一親合器
[0033] 3为第二親合器
[0034] 4为延迟光纤
[0035] 5为声光频移器
[0036] 6为第三親合器
[0037] 7为平衡光电探测器
[0038] 8为频谱分析仪
[0039] 9为数字鉴频鉴相器
[0040] 10为加法器
【具体实施方式】
[0041] 下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。
[0042] 实施例
[0043] 本实施例提供了一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，包括扫 频激光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、延迟光纤、声光频移器、平衡光电探测器、 频谱分析仪、数字鉴频鉴相器以及加法器；其中：
[0044] 所述扫频激光源、第一耦合器和第二耦合器依次设置，所述第二耦合器分别与延 迟光纤和声光频移器的第一端相连，所述延迟光纤和声光频移器的第二端分别与第三耦合 器相连，所述第三耦合器、平衡光电探测器、数字鉴频鉴相器、加法器依次设置，所述频谱分 析仪与平衡光电探测器相连，所述加法器输出至扫频激光源。
[0045] 进一步地，所述扫频激光源采用窄线宽半导体激光器，并通过预畸变电流信号直 接调制，发出相位连续的光信号。
[0046] 进一步地，所述第一耦合器采用10 : 90保偏耦合器。
[0047] 进一步地，所述第二耦合器采用50 : 50保偏耦合器。
[0048] 进一步地，所述第三耦合器采用50 : 50保偏耦合器。
[0049] 进一步地，所述平衡光电探测器采用两个参数相同的平衡放大光电探测器作为一 个平衡接收器，对两路输入光信号做差分接收，消除了共模噪声。
[0050] 本实施例提供的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其校准方 法，包括如下步骤：
[0051] 步骤1，扫频激光源经预畸变电流信号直接调制，发出相位连续的光信号；
[0052] 步骤2,相位连续的光信号经过第一耦合器后输出两部分，其中一部分用作系统输 出，另外一部分用于系统闭环反馈控制；
[0053] 步骤3,用于系统闭环反馈控制的光信号，经过第二耦合器后输出两部分，其中一 部分进入延迟光纤，另外一部分进入声光频移器将光频搬移，经过延迟光纤和声光频移器 后输出的两路光信号经过第三耦合器合路；
[0054] 步骤4,经过第三耦合器合路的光信号通过平衡光电探测器探测拍频光信号，并通 过频谱分析仪分析拍频信号的频谱；
[0055] 步骤5,将平衡光电探测器探测的拍频光信号与一个频率稳定的射频参考信号通 过数字鉴频鉴相器进行相位比较后，输出的误差信号经信号调理后与预畸变电流信号经过 加法器相加反馈回扫频激光源，从而完成整个环路的闭环控制。
[0056] 进一步地，所述第一耦合器采用10 : 90的耦合器，其中，90%的部分用作系统输 出，10 %的部分用于系统闭环反馈控制。
[0057] 进一步地，扫频激光源发出1550nm或者1310nm波长的连续光信号。
[0058] 进一步地，所述数字鉴频鉴相器对拍频光信号和射频参考信号的频率和/或相位 信息进行比较，其中，输出