专利名称：一种光异步采样信号测量的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种光异步采样信号测量的方法和系统。
背景技术：
光异步采样技术是采用两个频率精确锁定但略有差别的光频梳，通过利用两个频率之间的微小的频率差实现与采样示波器原理类似的高精度时域“等效采样”信号的测量方法。
光异步采样技术已经应用于泵浦-探测，太赫兹时域光谱，测距等领域。但是之前的研究人员所使用的光源均为两个独立的、具有一定频率差的激光器，这两个激光器需要复杂的电路反馈控制系统，才能使其保持恒定的频率差与相位锁定，系统复杂，成本高，应用困难。利用光谐振腔中存在的模式色散、偏振模色散、双折射和色度色散，可以实现一个光源输出具有不同重复频率的两个脉冲光，而且由于色散值的稳定性，这两个脉冲光的重复频率差也相当稳定。采用这种方式实现的双频率脉冲光源具有结构简单，集成化好等优点，从而使光异步采样信号测量的系统更简单易行。发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种光异步采样信号测量的方法和系统。
本发明提供了一种光异步采样信号测量的方法，其特征在于，包括:
步骤1，一个脉冲光源输出两种以上不同重复频率的光脉冲序列，其中具有第一重复频率的光脉冲序列为第一光脉冲序列，具有第二重复频率f2的光脉冲序列为第二光脉冲序列，Af为第一光脉冲序列和第二光脉冲序列的重复频率之差，g卩If^f2I ；
步骤2，第一光脉冲序列经过信号光路变换为信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过参考光路变换为参考脉冲序列；
步骤3，信号脉冲序列与参考脉冲序列在探测装置中相互作用，获得由f\、f2决定的异步采样信号；
步骤4，对获得的异步采样信号进行时间轴变换，变换公式为ΛΤ=Λ τ八￡/1，其中Λ τ为异步采样信号中的时间长度，AT为实际时间长度，从而得到时域信息，通过时域-频域变换可得到时域光谱信息。
在一个示例中，步骤2中，第一光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或二倍频变换后输入到太赫兹发射器件，由太赫兹发射器件产生的太赫兹脉冲序列经过待测物后形成信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或二倍频变换后变换为参考脉冲序列；步骤3中信号脉冲序列与参考脉冲序列共同输入到太赫兹接收器件，经过光电探测器检测得到异步采样信号；步骤4中，对异步采样信号进行数据处理，得到太赫兹时域信息和/或时域光谱信息。
在一个示例中，步骤2中第一光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或二倍频变换后变换为信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或二倍频变换后变换为参考脉冲序列；步骤3中信号脉冲序列与参考脉冲序列共同输入到待测物，经过光电探测器检测信号脉冲序列，得到异步采样信号；步骤4中，对异步采样信号进行数据处理，得到待测物的泵浦探测信号。
在一个示例中，步骤2中第一光脉冲序列经过功率放大、脉冲波形变换、偏振控制和波长移动后输入到待测物上，形成信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过功率放大、脉冲波形变换、偏振控制后变换为参考脉冲序列；步骤3中获得参考脉冲序列与信号脉冲序列之间产生的时域相关信号；步骤4中，对信号进行数据处理，得到待测物的时域光谱信息。
在一个示例中，步骤2中第一光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或波长移动后分为两路，一路经过定标光路生成定标脉冲序列，另一路经过目标光路生成目标脉冲序列，定标脉冲序列与目标脉冲序列合并成为信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或波长移动生成参考脉冲序列；步骤3中获得参考脉冲序列与信号脉冲序列之间产生的场强相关信号或光强相关信号；步骤4中，根据相关信号计算信号脉冲序列中目标脉冲与其前面的最近的定标脉冲之间的时间差从而测得目标光路与定标光路间的光程差。
在一个示例中，步骤2中第一光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或波长移动后分为两路，一路经过定标光路生成定标脉冲序列，另一路经过目标光路生成目标脉冲序列，定标脉冲序列与目标脉冲序列合并成为信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或波长移动生成参考脉冲序列；步骤3中信号脉冲序列和参考脉冲序列进入脉冲作用装置，信号脉冲序列中与参考脉冲序列的脉冲在时间域上重合的脉冲的特性发生改变，测量此时的信号脉冲序列得到异步采样信号；步骤4中，根据异步采样信号中特性发生改变的脉冲的时间位置计算信号脉冲序列中目标脉冲与其前面的最近的定标脉冲之间的时间差从而测得目标光路与定标光路间的光程差。
本发明提供了一种光异步采样信号测量的系统，其特征在于，包括:
脉冲光源，输出两种以上具有不同重复频率的光脉冲序列，具有第一重复频率的光脉冲序列为第一光脉冲序列，具有第二重复频率f2的光脉冲序列为第二光脉冲序列；
信号光路，用于将第一光脉冲序列变换为信号脉冲序列；
参考光路，用于将第二光脉冲序列变换为参考脉冲序列；
探测装置，用于实现信号脉冲序列和参考脉冲序列的相互作用，获得异步采样信号。
在一个示例中，所述脉冲光源只包含一个谐振腔，通过谐振腔中的模式色散、偏振模色散、双折射或色度色散，实现同时输出具有两个不同重复频率的光脉冲序列。
在一个例中，所述信号光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、二倍频晶体、太赫兹发射器件和待测物；所述参考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和二倍频晶体；所述探测装置包括由电光材料器件和光电探测器构成的太赫兹接收器件或光电导开关构成的太赫兹接收器件。
在一个例中，所述信号光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或二倍频晶体；所述参考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或二倍频晶体；所述探测装置包括待测物、滤波器件和光电探测器。
在一个示例中，所述信号光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、非线性光学器件、目标光路和待测光路；所述参考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或非线性光学器件；所述探测装置包括二倍频晶体、滤波器件和光电探测器。
在一个示例中，其特征在于，所述信号光路包括包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、非线性光学器件、目标光路和待测光路；所述参考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或非线性光学器件；所述探测装置包括脉冲作用装置，滤波器件和光电探测器。
在一个示例中，其特征在于，所述脉冲作用装置包括半导体光放大器、饱和吸收体、全光开关和全光逻辑门。
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中:
图1是光异步采样信号测量的系统结构图2是光异步采样光程测量的系统结构图3是脉冲激光器输出光谱图4是脉冲激光器输出信号的频谱图5是使用示波器测量到的时域图。
图6是另一种光异步采样光程测量的系统结构图7是光异步采样时域光谱测量的系统结构图；具体实施方式
实例一
图2是光异步采样光程测量的系统结构图。双频脉冲激光器201输出两个不同重复频率的脉冲光序列，其重复频率差为472Hz，中心波长分别为1532nm和1555nm，光谱图如图3所示，频谱图如图4所示。这两个脉冲光序列经过作为分光器件的带通滤波器202后分为两路，中心波长为1532nm的光为第一光脉冲序列，中心波长为1555nm的光为第二光脉冲序列。第一光脉冲序列经过光耦合器203后分为两路，分别经过定标延迟和目标延迟后成为定标脉冲序列和目标脉冲序列，并经过光耦合器204后合为信号脉冲序列。第二光脉冲序列经过光放大器205放大后成为参考脉冲序列，它和信号脉冲序列经过光耦合器206合为一束光，输入作为脉冲作用装置的半导体光放大器(SOA) 207。SOA输出的光脉冲序列经过滤波器208后滤出和参考脉冲序列作用后的信号脉冲序列，经过光电探测器209转换为电信号，最后示波器210接收该电信号，所得到的时域图如图5所示。由于SOA具有增益饱和的特性，所以当参考光脉冲与探测光脉冲在时域上重合时，由于参考光脉冲使得SOA饱和，探测光脉冲的透过率下降，通过测量两个下降沿的时间差Λ τ，可以计算得到目标延迟与定标延迟之间的距离差d=VgA τ AfVf1，其中Vg为信号脉冲序列的群速度。
实例二
图6是另一种光异步采样光程测量的系统结构图，本实例与实例一的区别是采用全光开关作为脉冲作用器件。双频脉冲激光器601输出两个不同重复频率的脉冲光序列，其重复频率差为472Hz，中心波长分别为1532nm和1555nm。这两个脉冲光序列经过作为分光器件的带通滤波器602后分为两路，中心波长为1532nm的光为第一光脉冲序列，中心波长为1555nm的光为第二光脉冲序列。第一光脉冲序列经过光稱合器603后分为两路,分别经过定标延迟和目标延迟后成为定标脉冲序列和目标脉冲序列，并经过光耦合器604后合为信号脉冲序列。第二光脉冲序列经过光放大器605放大后成为参考脉冲序列,控制作为脉冲作用装置的全光开关606是否通光。当参考脉冲序列的脉冲与信号脉冲序列中的脉冲在时间上重合时，信号脉冲序列中的脉冲能通过全光开关，否则无法通过全光开关，全光开关输出的光脉冲序列经过经过光电探测器607转换为电信号，最后示波器608接收该电信号。根据电信号中两个相邻脉冲的时间差△ τ，可以计算得到目标延迟与定标延迟之间的距离差d=VgA τ Λ Vf1，其中Vg为信号脉冲序列的群速度。
实例三
本实例采用的是与实例一原理相同的双频脉冲激光器，双频脉冲激光器输出光脉冲经过分光器件，将中心波长为1532nm的光脉冲序列与中心波长为1555nm的光脉冲序列分成独立的两路输出。将中心波长为1555nm的光作为第一光脉冲序列，经过待测物后，为信号脉冲序列。将中心波长为1532nm的光作为第二光脉冲序列，经过光放大器放大并经过一段普通单模光纤后，·光谱展宽，和信号脉冲序列的光谱发生交叠，成为参考脉冲序列。信号脉冲序列和参考脉冲序列经过耦合器合波后，经过光电探测器输出时域的电信号，经过时间轴的变换以及时域-频域的变换得到待测物的时域光谱信息。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种光异步采样信号测量的方法，其特征在于，包括: 步骤1，一个脉冲光源输出两种以上不同重复频率的光脉冲序列，其中具有第一重复频率fi的光脉冲序列为第一光脉冲序列，具有第二重复频率f2的光脉冲序列为第二光脉冲序列，Af为第一光脉冲序列和第二光脉冲序列的重复频率之差，g卩If1-f」； 步骤2，第一光脉冲序列经过信号光路变换为信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过参考光路变换为参考脉冲序列； 步骤3，信号脉冲序列与参考脉冲序列在探测装置中相互作用，获得由f\、f2决定的异步采样信号； 步骤4，对获得的异步采样信号进行时间轴变换，变换公式为ΛΤ=Λ τ AfVf1，其中Δ τ为异步采样信号中的时间长度，AT为实际时间长度，从而得到时域信息，通过时域-频域变换可得到时域光谱信息。
2.如权利要求1所述的光异步采样信号测量的方法，其特征在于，步骤2中，第一光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或二倍频变换后输入到太赫兹发射器件，由太赫兹发射器件产生的太赫兹脉冲序列经过待测物后形成信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或二倍频变换后变换为参考脉冲序列；步骤3中信号脉冲序列与参考脉冲序列共同输入到太赫兹接收器件，经过光电探测器检测得到异步采样信号；步骤4中，对异步采样信号进行数据处理，得到太赫兹时域信号和/或时域光谱信息。
3.如权利要求1所述的光异步采样信号测量的方法，其特征在于，步骤2中第一光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或二倍频变换后变换为信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或二倍频变换后变换为参考脉冲序列；步骤3中信号脉冲序列与参考脉冲序列共同输入到待测物，经过光电探测器检测信号脉冲序列，得到异步采样信号；步骤4中，对异步采样信号进行数据处理，得到待测物的泵浦探测信号。
4.如权利要求1所述的光异步采样信号测量的方法，其特征在于，步骤2中第一光脉冲序列经过功率放大 、脉冲波形变换、偏振控制和光谱移动后输入到待测物上，形成信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过功率放大、脉冲波形变换、偏振控制后变换为参考脉冲序列；步骤3中获得参考脉冲序列与信号脉冲序列之间产生的时域相关信号；步骤4中，对信号进行数据处理，得到待测物的时域光谱信息。
5.如权利要求1所述的光异步采样信号测量的方法，其特征在于，步骤2中第一光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或波长移动后分为两路，一路经过定标光路生成定标脉冲序列，另一路经过目标光路生成目标脉冲序列，定标脉冲序列与目标脉冲序列合并成为信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或波长移动生成参考脉冲序列；步骤3中获得参考脉冲序列与信号脉冲序列之间产生的场强相关信号或光强相关信号；步骤4中，根据相关信号计算信号脉冲序列中目标脉冲与其前面的最近的定标脉冲之间的时间差从而测得目标光路与定标光路间的光程差。
6.如权利要求1所述的光异步采样信号测量的方法，其特征在于，步骤2中第一光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或波长移动后分为两路，一路经过定标光路生成定标脉冲序列，另一路经过目标光路生成目标脉冲序列，定标脉冲序列与目标脉冲序列合并成为信号脉冲序列，第二光脉冲序列经过功率控制、脉冲波形变换、偏振控制和/或波长移动生成参考脉冲序列；步骤3中信号脉冲序列和参考脉冲序列进入脉冲作用装置，信号脉冲序列中与参考脉冲序列的脉冲在时间域上重合的脉冲的特性发生改变，测量此时的信号脉冲序列得到异步采样信号；步骤4中，根据异步采样信号中特性发生改变的脉冲的时间位置计算信号脉冲序列中目标脉冲与其前面的最近的定标脉冲之间的时间差从而测得目标光路与定标光路间的光程差。
7.一种光异步采样信号测量的系统，其特征在于，包括: 脉冲光源，输出两种以上具有不同重复频率的光脉冲序列，具有第一重复频率f；的光脉冲序列为第一光脉冲序列，具有第二重复频率f2的光脉冲序列为第二光脉冲序列； 信号光路，用于将第一光脉冲序列变换为信号脉冲序列； 参考光路，用于将第二光脉冲序列变换为参考脉冲序列； 探测装置，用于实现信号脉冲序列和参考脉冲序列的相互作用，获得异步采样信号。
8.如权利要求7所述的光异步采样信号测量的系统，其特征在于，所述脉冲光源只包含一个谐振腔，通过谐振腔中的模式色散、偏振模色散、双折射或色度色散，实现同时输出具有两个不同重复频率的光脉冲序列。
9.如权利要求7所述的光异步采样信号测量的系统，其特征在于，所述信号光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、二倍频晶体、太赫兹发射器件和待测物；所述参考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和二倍频晶体；所述探测装置包括由电光材料器件和光电探测器构成的太赫兹接收器件或光电导开关构成的太赫兹接收器件。
10.如权利要求7所述的光异步采样信号测量的系统，其特征在于，所述信号光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或二倍频晶体；所述参考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或二倍频晶体；所述探测装置包括待测物、滤波器件和光电探测器。
11.如权利要求7所述的光异步采样信号测量的系统，其特征在于，所述信号光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、非线性光学器件、目标光路和待测光路；所述参考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或非线性光学器件；所述探测装置包括二倍频晶体、滤波器件和光电探测器。
12.如权利要求7所述的光异步采样信号测量的系统，其特征在于，所述信号光路包括光功率放大器，色 散控制器件、偏振控制器件、非线性光学器件、目标光路和待测光路；所述参考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或非线性光学器件；所述探测装置包括脉冲作用装置，滤波器件和光电探测器。
13.如权利要求12所述的光异步采样信号测量的系统，其特征在于，所述脉冲作用装置包括半导体光放大器、饱和吸收体、全光开关和全光逻辑门。
全文摘要
本发明公开了一种光异步采样信号测量的方法和系统。本系统包括一个能够输出两个不同重复频率的脉冲的光源、信号光路、参考光路和探测装置，实现光异步采样信号测量。本发明只利用一个脉冲光源就能实现光异步采样信号测量，降低了系统的复杂度和成本。
文档编号G01J3/28GK103148940SQ20131006279
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者郑铮, 赵欣, 刘磊, 刘建胜 申请人:北京航空航天大学