的相位误差信息以输出电流脉冲的占空比表征。
[0059] 下面结合附图对本实施例进一步描述。
[0060] 如图1所示，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、三个光耦合器、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。
[0061] 扫频激光源采用1310nm或1550nm波长的半导体激光器，并由预畸变方法得到的 电流信号驱动，发出光频为一定线性度相位连续的光信号。输出光信号由一个10 : 90第 一耦合器分成两路，90%部分用作系统输出，10%部分耦合进入反馈环路；用于反馈校准的 光信号进一步用一个50 : 50第二耦合器分成两路，一路经过一定长度延迟为％的光纤， 另一路用声光频移器搬移一定频率，这两路光信号经第三耦合器进行合路，由于扫频激光 源的输出光频随时间变化，两路的光信号存在一定的光纤延迟，在接收端光电探测器可以 探测到一定频率的拍频信号。将探测到的拍频信号与一个稳定的射频参考信号用数字鉴频 鉴相器进行相位比较，输出的误差信号经信号调理后反馈回激光器完成整个环路的闭环控 制。设扫频激光源的输出如下：
[0062] v(t) =v〇+rt (1)
[0063] 这里，v。为初始光频，t为时间，r为激光器的调频斜率，对应的输出光相位为：
[0064] <}) (t) =J" 2Jrv(t)dt=Jrrt2+2Jrv0t+0 (2)
[0065] 巾。为初始相位，光电探测器探测两路光信号的相位差，其输出为：
[0066] ./拽扔.=.&.COS侦/)-州-r。）+ 0娜） ：=Kp cos{2/r(fbcal + f4QFS )t+ 2^v0r" - yrrr02 +
[0067] 这里，KP是光电探测器的增益，它与探测到的光功率和光电探测器的灵敏度相关； t。是干涉仪的两臂间的光纤延迟，fteat=rt。是由激光源扫频导致的拍频频率，fA(]FS为驱 动声光频移器的射频信号频率，％<wSA0FS驱动信号的初相，巾（t)为参考臂的光相位， 小（t_T。）为延迟臂的光相位。由式（3)可以看出当扫频激光源的扫频斜率为一个常数时， 输出的电信号为一个频率为fPD=fteat+fA(]FS的单频信号，因此，扫频光源的瞬时输出频率可 以用拍频电信号的瞬时相位表征。选择参考信号的频率为：
[0068] fref=fbeat+fA0FS= ^T〇+fAOFS (4)
[0069] 鉴频鉴相器的输出信号为：
[0070] lDC (〇 =K0KPcos(2,tvu r" -itrr{; +(piOFS-(p,^) ( 5)
[0071] 其中K。为鉴频鉴相器的增益，夂/是参考信号的初始相位。输出信号经信号调理后 用加法器跟预畸变电流信号相加后反馈回激光器，激光器根据误差信号调整输出光频率， 使输出的光频随时间线性变化。
[0072] 在本实施例中：
[0073] 窄线宽半导体激光器由预畸变电流信号直接调制，发出相位连续的光信号，经过 1x2保偏耦合器分为两部分，一部分用作系统输出，另一部分用于系统闭环反馈控制用。
[0074] 用于闭环反馈的光输出进一步分为两路，进入一个通过延迟光纤和声光频移器形 成的马赫曾得干涉仪，一路经过一定长度的延迟光纤延迟，另一路用声光频移器（A0FS)将 光频搬移，两路光信号用一个2X2保偏耦合器进行合路，用平衡光电探测器探测拍频光信 号，用频谱分析仪分析拍频信号的频谱。
[0075] 探测到的拍频信号与一个频率稳定的射频参考信号用数字鉴频鉴相器进行相位 比较，输出的误差信号经信号调理后与预畸变电流信号相加反馈给激光器，从而完成整个 环路的闭环控制。
[0076] 下面以550nm波长的窄线宽DFB半导体激光器发出连续的扫频光信号为例：
[0077] 1550nm波长的窄线宽DFB半导体激光器发出连续的扫频光信号，进入反馈环路的 信号一路经过50m的光纤延迟，另一路经声光频移器移频40MHz，两路光信号经耦合器合路 后由光电探测器探测拍频信号。环路开环时，频谱分析仪输出拍频信号的频谱为图2所示， 可以看出环路未闭合时，由于扫频光源非线性的存在，拍频信号的频谱显得杂乱，峰值功率 下降，且分散在多个频点。环路闭环时，频谱分析仪输出的拍频信号的频谱如图3所示，可 以看出环路闭合时，拍频信号的频谱得到明显改善，功率集中在单频，表征扫频激光源的输 出随时间线性变化。
[0078] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1. 一种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其特征在于，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： 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。2. 根据权利要求1所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其特征 在于，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。3. 根据权利要求1所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其特征 在于，所述第一耦合器采用1X2保偏耦合器。4. 根据权利要求1所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其特征 在于，所述第二耦合器和第三耦合器均采用2X2保偏耦合器。5. 根据权利要求1所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，其特 征在于，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。6. -种基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准方法，其特征在于，采用权利要 求1至5中任一项所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准系统，包括如下步 骤： 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； 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； 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； 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； 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。7. 根据权利要求6所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准方法，其特征 在于，所述第一耦合器采用I X 2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。8. 根据权利要求6所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准方法，其特征 在于，扫频激光源发出1550nm或者1310nm波长的连续光信号。9. 根据权利要求6所述的基于闭环控制的光调频连续波扫频非线性校准方法，其特 征在于，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。
【专利摘要】本发明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，包括：扫频激光源、耦合器、延迟光纤、声光频移器、光电探测器、频谱分析仪、数字鉴频鉴相器、加法器。同时提供了上述系统的校准方法：扫频激光源发出相位连续的光信号，光信号一路经过光纤延迟，另一路用声光频移器将光频搬移，两路光信号合路后，用平衡光电探测器探测拍频光信号；拍频光信号与射频参考信号用数字鉴频鉴相器进行相位比较，输出的误差信号经信号调理后反馈回激光器，从而完成整个环路的闭环控制。本发明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。
【IPC分类】H01S3/108
【公开号】CN105006736
【申请号】CN201510233566
【发明人】秦杰, 谢玮霖, 许妍, 周潜, 郁胜过, 董毅
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年5月8日