专利名称：一种基于四通道激光鉴频鉴相技术的光学锁相跟踪方法及实现该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于四通道激光鉴频鉴相技术的光学锁相跟踪方法及实现该方法的装置，属于光学领域。
背景技术：
在精密光学测量领域，通常需要相干激光来实现高精度的干涉测量。随着被测系统日益复杂对测量通道数量需求的不断增加，仅由单个激光器通过分光提供多路相干激光已经无法满足测量系统对光强的需要。另外，在超远距离激光干涉测量中，由发射端激光器提供的干涉测量激光会随着测量光路的增长不断的发散和衰减，这在很大程度上限制了超远距离激光干涉测量精度的提高。光学锁相跟踪技术为解决上述技术难题提供了一种可行的技术方案，其自上世纪80年代中期就受到广泛的关注并得到了快速的发展。光学锁相环能够实现目标激光器对参考激光的频率和相位跟踪，其与电学领域中的锁相环的组成结构相似，但是本地振荡器由本地激光器代替，同时鉴相器需要能够实现高精度激光干涉鉴相。近年来发展的光学锁相环类型主要有平衡锁相环、科斯塔斯锁相环、 决策驱动锁相环以及同步位锁相环等。平衡锁相环首先由美国麻省理工大学的G. L. Abbas和V. W. S. Chan等人于1983年提出。作为最基本的光学锁相环，其最先得到人们的认识。平衡锁相环使用一个3dB的定向耦合器将本地激光和参考激光进行光学混频，再由两个串联的同型号光电二极管接收相位相差180°的两个拍频光信号。该方案充分利用了耦合器两个输出端的光信号，在相位锁定状态下两个光电二极管产生的直流电流可相互抵消，这可以在一定程度上避免了激光功率波动对锁相性能的影响。光电二极管监测得到的拍频电信号经过环路滤波器处理后反馈控制本地激光器，最终实现本地激光对参考激光的锁相跟踪。但是，为了避免平均相位为零无法判断相位控制方向的情况，平衡锁相环需要传输残余载波，并且本振光信号垂直于残余载波才可实现相位锁定。1983年维也纳技术大学的H. K. Philipp和A. L. Scholtz等人提出了科斯塔斯光学锁相环，该锁相环使用90°相移光桥接器将本地激光和参考激光进行光学混频，它有同相通道和正交相位通道两个信号输出通道。其中，同相通道输出的混频信号由两激光信号直接叠加形成，正交通道输出的混频信号由相位延迟了 90°的参考激光和本地激光叠加形成。这两个混频通道的输出拍频光首先由光电探测器转换为两路电信号，然后将两路电信号相乘解算出两信号的相位差，并经过低通环路滤波器产生本振激光器的调频控制信号， 最终实现相位锁定。该锁相环的特点是将锁相电流乘以信号电流得到相位差信号，由于将光电流在锁相前经过了此项非线性处理，因此调制后锁相电流的平均值不会为零，也就不再需要传输残余载波，这在很大程度上减轻了信号处理环节的负担。1985年贝尔通信研究公司Navesing研究工程中心的L. G. Kazovsky提出了决策驱动光学锁相环，该锁相环同样使用90°相移光桥接器产生两路相互正交的拍频信号，但不同的是，同相通道的输出经判断电路处理后，再与正交相位通道相乘得到相位差信号。为实现两通道信号时间上的同步，通常在正交相位通道中设有延时器。该锁相环的特点是将锁相电流乘以判断电路的输出电流得到相位差信号，其同样对光电流进行了非线性处理，因此不需要传输残余载波。相比较而言，决策驱动锁相环性能优于平衡锁相环和科斯塔斯锁相环，其相位误差的方差值比科斯塔斯锁相环小，但对激光器线宽的要求高于科斯塔斯锁相环。同步位锁相环由科斯塔斯锁相环发展而来，其利用科斯塔斯锁相环的同相通道和正交相位通道不同时工作的特点，在反馈环路中设置了一个开关，通过开关的闭合分时段地实现同相通道和正交相位通道。这样，就只需要一套平衡探测器和交流耦合前置电路，不仅结构大大简化，而且同相通道和正交相位通道的探测电路完全相同，减小了由于器件不同而导致的锁相误差。大部分时间反馈环路开关断开，完成科斯塔斯锁相环的同相支路。在每比特数据的间隙开关闭合以实现环路反馈，完成正交相位支路。同步位锁相环结构简单， 但带宽和信噪比较差。此外，同步位锁相环需要额外的数据预处理和后处理，只能传输数字信号，而且对激光线宽的要求也高于科斯塔斯锁相环。但是上述锁相环都存在一个共同的缺陷其仅由相移光桥接器和平衡功率探测器构成的鉴相器在很大程度上限制了锁相环的捕捉带，上述锁相环能够实现的捕捉带最大仅为MHz量级。但对于频率高达IO14量级的两束自由激光而言，其频率差很少在MHz以内，甚至单束激光的频率稳定度都难以达到MHz量级。因此，要实现上述光学锁相环，通常需要根据参考激光对本地激光器进行预锁频并实现高精度稳频，这无疑提高了系统的实现难度。
发明内容
本发明目的是为了解决现有光学锁相跟踪技术捕获带较小、需要进行预锁频的问题，提供了一种基于四通道激光鉴频鉴相技术的光学锁相跟踪方法及实现该方法的装置。本发明所述一种基于四通道激光鉴频鉴相技术的光学锁相跟踪方法，该方法包括以下步骤步骤一、接收外部提供的作为频率与相位参考的入射激光，将该入射激光记为L1, 同时开启激光模块，经过预热过程后该激光模块进入稳定工作状态，将激光模块的出射激光记为L2 ；步骤二、利用二分之一波片及偏振分光棱镜调整入射激光L1和激光模块出射激光 L2的偏振态，将调整后偏振方向互相垂直的两束激光进行合光形成合光光束，再利用二分之一波片调整合光光束中入射激光L1与出射激光L2的偏振方向，使得两束激光的偏振方向都与水平方向成45°夹角；步骤三、利用消偏振分光棱镜将合光光束分为反射合光光束和透射合光光束两部分，反射合光光束经偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由两个高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块，透射合光光束首先经光学相位延迟器将合光光束中入射激光L1的相位延迟90°，然后通过偏振分光棱镜形成两路相位相差 180°的拍频光信号，分别由另外两个高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块；步骤四、将入射激光L1与出射激光L2的频率分别记为V1和v2，反射合光光束中的入射激光L1到达光电探测器的相位记为仍，反射合光光束中的出射激光L2到达光电探测器的相位记为约，信号调理模块将反射合光光束对应的两路拍频电信号相减得到合光反射拍频信号，则当V1 = V2时，合光反射拍频信号为
权利要求
1. 一种基于四通道激光鉴频鉴相技术的光学锁相跟踪方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一、接收外部提供的作为频率与相位参考的入射激光，将该入射激光记为L1,同时开启激光模块，经过预热过程后该激光模块进入稳定工作状态，将激光模块的出射激光记为L2 ；步骤二、利用二分之一波片及偏振分光棱镜调整入射激光L1和激光模块出射激光L2的偏振态，将调整后偏振方向互相垂直的两束激光进行合光形成合光光束，再利用二分之一波片调整合光光束中入射激光！^与出射激光L2的偏振方向，使得两束激光的偏振方向都与水平方向成45°夹角；步骤三、利用消偏振分光棱镜将合光光束分为反射合光光束和透射合光光束两部分， 反射合光光束经偏振分光棱镜形成两路相位相差180°的拍频光信号，分别由两个高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块，透射合光光束首先经光学相位延迟器将合光光束中入射激光L1的相位延迟90°，然后通过偏振分光棱镜形成两路相位相差180° 的拍频光信号，分别由另外两个高速光电探测器转换为拍频电信号并送入信号调理模块；步骤四、将入射激光L1与出射激光L2的频率分别记为V1和v2，反射合光光束中的入射激光L1到达光电探测器的相位记为仍，反射合光光束中的出射激光L2到达光电探测器的相位记为终，信号调理模块将反射合光光束对应的两路拍频电信号相减得到合光反射拍频信号，则当V1 = V2时，合光反射拍频信号为cos(^1 -φ2),当V1 > V2时，合光反射拍频信号为COS^Vj-V^i + ^-^],当V1 < V2时，合光反射拍频信号为COS^V^Vj)^ + ^-^];步骤五、信号调理模块将透射合光光束对应的两路拍频电信号相减得到合光透射拍频信号，由于光学相位延迟器的作用，透射合光光束中的入射激光L1到达光电探测器的相位记为仍-90°，透射合光光束中的出射激光L2到达光电探测器的相位记为终，则当V1 = V2时，合光透射拍频信号为cos(^ -识2 -90°),当V1 > V2时，合光透射拍频信号为cos [(V1 - V2) / + 仍-- 90。]，当V1 < V2时，合光透射拍频信号为cos [(V2 - V1) Z + - P1 + 90。]；步骤六、激光模块进入光频锁定控制阶段，首先取合光反射拍频信号和合光透射拍频信号进行频率测量，测频结果记为，Vmeas = I ^1^2 I，当合光反射拍频信号相位超前合光透射拍频信号90°时，表明V1 > V2,此时测频结果为Vmeas — V1_V2'得到第一入射激光与第二入射激光的鉴频结果为Δ Vl-2 = VfV2 = Vmeas'当合光反射拍频信号相位滞后合光透射拍频信号90°时表明V1 < V2,此时测频结果为Vmeas — V2_V1 ‘得到第一入射激光与第二入射激光的鉴频结果为Δ Vl-2 = VfV2 = "Vmeas ；步骤七、将测量得到的频率值Δνι_2作为光频锁定信号输入数字控制器，根据本地激光频率与激光模块谐振腔长度的对应关系，通过温度控制模块调整激光模块谐振腔温度以实现对谐振腔长度的大范围调节，同时通过PZT驱动控制模块对谐振腔长度进行直接快速的调节，反馈控制激光模块的输出光频率V2使得Δνι_2趋于0，当Δνι_2 = 0时，激光模块的光频锁定阶段结束，其输出激光L2的频率锁定为入射激光L1的频率，即V2 = V1 ；步骤八、激光模块在其光频控制过程结束后进入锁相控制阶段，首先取合光反射拍频信号和合光透射拍频信号进行反正切相位测量，得到入射激光L1和出射激光L2的鉴相结果为Δι2 =仍- ;将测量得到的相位值Δ仍—2作为锁相闭环控制信号输入数字控制器，通过 PZT驱动控制模块对谐振腔长度进行精细快速调节，反馈控制激光模块的输出光相位终使得Δ仍—2趋于0，当Δ仍—2 = 0时，激光模块的锁相控制过程完成，其出射激光L2的相位锁定为入射激光L1的相位，即灼=钓；步骤九、当光学锁相跟踪系统失锁时，重复步骤六至八，激光模块的出射激光L2即可对入射激光L1进行重新锁相跟踪。
2.实现权利要求1所述的一种基于四通道激光鉴频鉴相技术的光学锁相跟踪方法的装置，其特征在于，它包括第一二分之一波片(1)、第一偏振分光棱镜O)、第二二分之一波片(3)、消偏振分光棱镜(4)、第二偏振分光棱镜( 、第一高速光电探测器(6)、第二高速光电探测器(7)、光学相位延迟器(8)、第三偏振分光棱镜(9)、第三高速光电探测器(10)、第四高速光电探测器(11)、信号调理模块(1 、频率测量模块(1 、正交鉴相模块(14)、数字控制器(15)、温度控制模块(16)、PZT驱动控制模块(17)、激光模块(18)、第三二分之一波片(19)和第四偏振分光棱镜(20)，入射激光经第一二分之一波片(1)透射至第一偏振分光棱镜(2)，激光模块(18)发出的出射激光经第三二分之一波片(19)透射至第四偏振分光棱镜 (20)，第四偏振分光棱镜00)的反射光束与透射到第一偏振分光棱镜( 的的入射激光形成的合光光束，所述合光光束经第二二分之一波片C3)透射至消偏振分光棱镜G)，消偏振分光棱镜(4)的反射合光光束入射至第二偏振分光棱镜(5)，第二偏振分光棱镜( 的反射光束入射至第一高速光电探测器(6)，第二偏振分光棱镜(5)的透射光束入射至第二高速光电探测器(7),消偏振分光棱镜(4)的透射合光光束入射至光学相位延迟器(8)，光学相位延迟器(8) 延迟光束入射至第三偏振分光棱镜(9)，第三偏振分光棱镜(9)的反射光束入射至第三高速光电探测器(10)，第三偏振分光棱镜(9)的透射光束入射至第四高速光电探测器(11)，第一高速光电探测器(6)、第二高速光电探测器(7)、第三高速光电探测器(10)和第四高速光电探测器(11)的采集的电信号分别输出给信号调理模块(1 的四个信号输入端， 信号调理模块(1 的反射光束差信号输出端同时与频率测量模块(1 的输入端和正交鉴相模块(14)的输入端相连，信号调理模块(1 的透射光束差信号输出端同时与频率测量模块(1 的输入端和正交鉴相模块(14)的输入端相连，频率测量模块(1 的输出端与数字控制器(1 的第一输入端相连，正交鉴相模块(14)的输出端与数字控制器(1 的第二输入端相连，数字控制器(1 的控制温度信号输出端与温度控制模块(16)的输入端相连， 温度控制模块(16)的输出端与激光模块(18)的第一控制端相连，数字控制器(1 的PZT 驱动信号输出端与PZT驱动控制模块(17)的输入端相连，PZT驱动控制模块(17)的输出端与激光模块(18)的PZT驱动信号控制端相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于四通道激光鉴频鉴相技术的光学锁相跟踪方法的实现装置，其特征在于，光学相位延迟器(8)为波片相位延迟器、反射式相位延迟镜、液晶相位延迟器或电光移相器。
全文摘要
一种基于四通道激光鉴频鉴相技术的光学锁相跟踪方法及实现该方法的装置，属于光学领域，本发明为解决现有光学锁相跟踪技术捕获带较小、需要进行预锁频的问题。本发明利用四通道探测技术跟踪入射激光，将入射激光与激光模块发出的出射激光直接光学混频形成第一路拍频信号的同时，还将入射激光相位延迟90°后形成第二路拍频信号。利用四细分辨向技术对两路拍频信号的相位关系进行超前与滞后判断，据此得到的入射激光与出射激光的频率大小关系，同时结合对两路拍频信号的频率测量和反正切相位测量，实现对入射激光与出射激光频率差和相位差的准确测量。将测量得到频率值和相位值作为控制激光模块的控制量，使它的出射光线能锁定入射光线的频率和相位。
文档编号G01J9/00GK102322964SQ20111025617
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者胡鹏程, 谭久彬 申请人:哈尔滨工业大学