基于双参考信号的激光信号特性测量方法及装置

本发明属于光电测量，尤其涉及一种激光信号特性测量方法及装置。

背景技术：

1、随着激光器技术的飞速发展，半导体激光器在人类生活的各个领域如航空航天、材料加工、军事等具有广泛的应用。而窄线宽激光器由于线宽窄、噪声低、抗电磁干扰能力强、安全、可远程控制和价格比较合理等优点，在光通信、光传感、光遥感、高精度光谱、材料技术及矿井监测等领域都有它的身影。同时，激光器的线宽和相频噪声等参数对光纤传感系统的探测距离、探测精度、灵敏度以及噪声特性起决定性的作用，对通信的质量和水平有巨大的影响。

2、传统的激光器线宽测量方法主要有光谱分析仪法和法布里-玻罗(f-p)扫描干涉仪法两大类，但光谱分析仪法仅能测量ghz量级线宽，且法布里-玻罗(f-p)扫描干涉仪法检测的线宽极限在mhz量级。显然这两种方法已经不满足当前激光器线宽测量的发展需求。

3、常用的测量线宽的方法中延时自外差法和延时自零差法只需要一个光源，测试环境简单，但随着激光器线宽越来越窄，延时所需要的光纤可达上百公里，导致测量系统庞大、难以集成、成本高，并且会产生新的测量误差；而常用的测量线宽方法中双光束外差法具有高频带、高分辨率、高灵敏度的优点，但需与待测激光器频率相近的参考激光器，且两个激光器的光谱需为洛伦兹线型，这样所得的拍频功率谱的线宽大小为两激光器线宽的和。若两个激光器的光谱为高斯线型，则拍频功率谱线宽的大小为两激光器线宽的平方和，这就要求待测激光器的线宽远大于参考激光器的线宽，才能使得拍频谱的线宽与待测激光器的线宽近似相等。此外，现有基于相位解调原理的延时自外差或延时自零差探测的激光信号相频噪声测量方法受限于测量系统的信噪比和环境噪声的影响，要求对于线宽很窄的待测激光信号根据高频噪声信号的噪声谱密度确定待测激光信号的线宽，不能进一步直观地展示全频域下任意频率噪声谱对激光线型和线宽的影响。

4、综上可知，现有激光信号的线宽和相频噪声特性测量方案均存在较大不足，有必要进行改进。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于双参考信号的激光信号特性测量方法，在大幅提高激光信号的线宽和相频噪声特性测量精度的同时，可有效克服现有技术对于延时光纤长度、参考激光器性能等的限制，降低系统成本。

2、本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

3、一种基于双参考信号的激光信号特性测量方法，包括以下步骤：

4、步骤1、将两个参考激光信号与待测激光信号波分复用为一路后，对其进行基于短延时的自零差/自外差探测并解波分复用，然后对所得到的对应于两个参考激光信号和待测激光信号的自零差/自外差探测光信号分别进行光电探测，分别得到两个参考激光信号和待测激光信号的拍频电信号；两个参考激光信号与待测激光信号的波长各不相同；

5、步骤2、分别提取待测激光信号的拍频电信号相对于两个参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据；

6、步骤3、将所提取的两组相对相位数据进行互相关功率谱估计，得到待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度，并据此计算出待测激光信号以下特性参数中的至少一个：相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽。

7、作为其中一个优选方案，步骤1中使用自零差探测；步骤2中使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：对每一路拍频电信号，将其分为两路，对其中的一路移相90度作为同相分量，另一路作为正交分量，然后将同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，从而得到这一路拍频电信号的相位数据；将待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据相减，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。

8、进一步地，先对待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据分别进行相位角平滑及去直流偏置操作，然后再将两者相减。

9、作为其中另一个优选方案，步骤1中使用自外差探测；步骤2中使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：以待测激光信号的拍频电信号、参考激光信号的拍频电信号分别作为rf信号、lo信号，对两者进行iq解调，并对iq解调所得到的同相分量与正交分量分别进行低通滤波和放大；最后将低通滤波和放大后的同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。

10、进一步地，在提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据时，还包括：对所提取的反正切函数进行相位角平滑及去直流偏置操作。

11、基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

12、一种基于双参考信号的激光信号特性测量装置，包括：

13、探测模块，用于将两个参考激光信号与待测激光信号波分复用为一路后，对其进行基于短延时的自零差/自外差探测并解波分复用，然后对所得到的对应于两个参考激光信号和待测激光信号的自零差/自外差探测光信号分别进行光电探测，分别得到两个参考激光信号和待测激光信号的拍频电信号；两个参考激光信号与待测激光信号的波长各不相同；

14、两个相对相位提取模块，分别用于提取待测激光信号的拍频电信号相对于两个参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据；

15、数据处理模块，用于将所提取的两组相对相位数据进行互相关功率谱估计，得到待测激光信号的差分相位噪声功率谱密度，并据此计算出待测激光信号以下特性参数中的至少一个：相位噪声功率谱密度、频率噪声功率谱密度、线宽。

16、作为其中一个优选方案，探测模块使用自零差探测；相对相位提取模块使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：对每一路拍频电信号，将其分为两路，对其中的一路移相90度作为同相分量，另一路作为正交分量，然后将同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，从而得到这一路拍频电信号的相位数据；将待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据相减，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。

17、进一步地，相对相位提取模块先对待测激光信号的拍频电信号相位数据与参考激光信号的拍频电信号相位数据分别进行相位角平滑及去直流偏置操作，然后再将两者相减。

18、作为其中另一个优选方案，探测模块使用自外差探测；相对相位提取模块使用以下方法提取待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据：以待测激光信号的拍频电信号、参考激光信号的拍频电信号分别作为rf信号、lo信号，对两者进行iq解调，并对iq解调所得到的同相分量与正交分量分别进行低通滤波和放大；最后将低通滤波和放大后的同相分量与正交分量相除后提取其反正切函数，即得待测激光信号的拍频电信号相对于参考激光信号的拍频电信号的相对相位数据。

19、进一步地，相对相位提取模块还对所提取的反正切函数进行相位角平滑及去直流偏置操作。

20、相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

21、本发明将双参考激光信号与待测激光信号的波分复用、互相关功率谱估计与自零差/自外差探测方式有机结合，并利用相对相位提取的方式消除本底噪声，可基于短延时光纤实现激光信号的相频噪声、线宽的精确测量，降低受1/f噪声影响而引起相位抖动的问题，改善测量系统的噪底限制和测量线宽的范围限制，且易于集成以实现小型化。