一种高速大范围激光频率切换控制系统及其控制方法

本发明涉及激光控制技术，具体涉及一种高速大范围激光频率切换控制系统及其控制方法。

背景技术：

1、激光频率切换控制是一种反馈控制技术，两台激光器拍频获得拍频信号，与参考频率进行相敏检测，所得误差信号通过环路滤波器反馈回被控激光器，即可形成锁定环路将激光器频差锁定到参考频率，通过更改参考频率即可实现激光频率切换控制。

2、现有的频率切换控制技术是在环路锁定的情况下更改参考频率，激光频率跟随其变化，受到环路锁定带宽和相敏检测带宽的限制，无法实现高速和大范围的频率切换。

技术实现思路

1、为了克服以上现有技术的不足，本发明提出了一种高速大范围激光频率切换控制系统及其控制方法。

2、本发明的一个目的在于提出一种高速大范围激光频率切换控制系统。

3、本发明的高速大范围激光频率切换控制系统包括：激光拍频探测单元、参考源切换单元、相敏检测单元、环路滤波单元、频率切换单元和微控制器；其中，从两台频率不同的激光器分别输出一束激光，两束频率不同的激光合成一束合束激光，合束激光输入至高速大范围激光频率切换控制系统，经过高速大范围激光频率切换控制系统再返回至一台激光器，构成反馈环路；

4、激光拍频探测单元包括串联的光电探测器和射频放大器；合束激光输入至激光拍频探测单元的光电探测器，光电探测器将两束频率不同的激光进行拍频得到拍频信号，拍频信号为电信号，拍频信号经过射频放大器放大，输入至相敏检测单元；

5、第一参考频率和第二参考频率分别输入至参考源切换单元，参考源切换单元的信号选择输入端口与微控制器的第一数字输出端口相连，根据输入的数字逻辑电平选择第一或第二参考频率输入至相敏检测单元；

6、相敏检测单元包括串联的高频混频器和数字鉴频鉴相器；放大后的拍频信号输入至高频混频器的射频输入端口，参考源切换单元选择的第一或第二参考频率输入高频混频器的本地振荡输入端口，在高频混频器将拍频信号的频率降低至数字鉴频鉴相器能够识别的中频信号输入至数字鉴频鉴相器的射频输入端口；辅助参考频率输入至数字鉴频鉴相器的参考输入端口，数字鉴频鉴相器将中频信号与辅助参考频率相比较，得到误差信号，输入至环路滤波单元；

7、环路滤波单元包括并联的高速比例积分微分控制器(pid)环路控制器和低速积分环路控制器，高速pid环路控制器的输出端经第一模拟开关连接至一台激光器的快速调制端口，低速积分环路控制器的输出端经第二模拟开关连接至频率切换单元；第一和第二模拟开关的控制输入端分别与微控制器的第二和第三数字输出端口相连；第一模拟开关的控制输入为高电平时断开第一模拟开关，为低电平时闭合第一模拟开关；第二模拟开关的控制输入为低电平时断开第二模拟开关，为高电平时闭合第二模拟开关；误差信号分别输入至高速pid环路控制器和低速积分环路控制器；误差信号经过高速pid环路控制器返回至激光器的快速调制端口，通过调节高速pid环路控制器的参数，实现拍频信号与参考频率的相位锁定；误差信号经过低速积分环路控制器得到慢速环路控制信号，抑制激光器的长期漂移，慢速环路控制信号输入至频率切换单元；当第一和第二模拟开关均闭合情况下，反馈环路闭合，当第一和第二模拟开关均断开情况下，反馈环路断开；

8、频率切换单元包括第一加法器、第二加法器、输出信号锁存器和偏置电压模拟开关；环路滤波单元的低速积分环路控制器的输出端连接至第一加法器的第一输入端，输出信号锁存器的输出端连接至第一加法器的第二输入端，第一加法器的输出端连接至第二加法器的第一输入端，偏置电压模拟开关的输出端连接至第二加法器的第二输入端，第二加法器的输出端连接至激光器的慢速调制端口；偏置电压模拟开关的两个输入端分别连接第一和第二偏置电压，微控制器的第五数字输出端口连接至偏置电压模拟开关的控制输入端；第一加法器的输出端连接至输出信号锁存器的信号输入端，微控制器的第四数字输出端口连接至输出信号锁存器的锁存触发输入端；环路滤波单元输出的慢速环路控制信号传输至第一加法器的第一输入端，输出信号锁存器的输出送至第一加法器的第二输入端，相加后获得的输出信号分为两路，一路送至输出信号锁存器的输入端，另一路送至第二加法器的第一输入端，第一和第二偏置电压分别输入至偏置电压模拟开关，偏置电压模拟开关的输出送至第二加法器的第二输入端，第二加法器将输出信号锁存器输出的信号与偏置电压模拟开关输出的信号相加，获得处理后的慢速环路控制信号传输至激光器的慢速调制端口；

9、微控制器包括锁定触发端口、重置触发端口、锁存触发端口、频率选择端口以及第一至第五数字输出端，锁定触发端口、重置触发端口、锁存触发端口和频率选择端口统称为数字逻辑信号输入接口；上位机连接至微控制器的数字逻辑信号输入接口；第一数字输出端连接至参考源切换单元的信号选择输入端口，第二和第三数字输出端连接至环路滤波单元的第一和第二模拟开关的控制输入端，第四数字输出端口连接至输出信号锁存器的锁存触发输入端，第五数字输出端口连接至偏置电压模拟开关的控制输入端；上位机发出锁定触发信号、重置触发信号、锁存触发信号和频率选择信号分别至微控制器的锁定触发端口、重置触发端口、锁存触发端口和频率选择端口，均为数字逻辑信号，其中锁定触发信号、重置触发信号和锁存触发信号为上升沿有效，频率选择信号为高电平或者低电平；

10、高速大范围激光频率切换控制系统执行锁定功能、重置功能或锁存功能。

11、执行锁定功能：上位机同时发送锁定触发信号和频率选择信号分别至微控制器的锁定触发端口和频率选择端口；微控制器将第二数字输出端变为高电平且第三数字输出端为低电平分别传输至第一和第二模拟开关，第一和第二模拟开关均断开，断开反馈环路；同时，微控制器的第一和第五数字输出端的逻辑电平与频率选择信号的逻辑电平保持一致，第一数字输出端为低电平时，参考源切换单元的信号选择为第一参考频率，第一数字输出端为高电平时，参考源切换单元的信号选择为第二参考频率；第五数字输出端为低电平时，频率切换单元的偏置电压模拟开关选择第一偏置电压至第二加法器，第五数字输出端为高电平时，频率切换单元的偏置电压模拟开关选择第二偏置电压至第二加法器；经过慢速端口响应时间后，第二数字输出端变为低电平，并闭合第一模拟开关；再经过快速端口响应时间后，第三数字输出端变为高电平，并闭合第二模拟开关，激光器的输出频率为第一或第二参考频率与辅助参考频率的和，完成锁定功能；在第一参考频率与第二参考频率之间切换，大范围调节激光器的输出频率；

12、执行重置功能：上位机同时发送重置触发信号和频率选择信号分别至微控制器的重置触发端口和频率选择端口；微控制器将第二数字输出端变为高电平且第三数字输出端为低电平分别传输至第一和第二模拟开关，第一和第二模拟开关均断开，断开反馈环路；同时，微控制器的第一和第五数字输出端的逻辑电平与频率选择信号的逻辑电平保持一致，第一数字输出端为低电平时，参考源切换单元的信号选择为第一参考频率，第一数字输出端为高电平时，参考源切换单元的信号选择为第二参考频率；第五数字输出端为低电平时，频率切换单元的偏置电压模拟开关选择第一偏置电压至第二加法器，第五数字输出端为高电平时，频率切换单元的偏置电压模拟开关选择第二偏置电压至第二加法器，完成重置功能；

13、执行锁存功能：上位机同时发送锁存触发信号和频率选择信号分别至微控制器的锁存触发端口和频率选择端口；微控制器将第四数字输出端输出高电平至频率切换单元的输出信号锁存器，使频率切换单元的输出信号锁存器执行锁存操作，替换掉原来锁存值，由于反馈环路闭合，慢速环路控制信号回到零电压，以保证断开环路滤波单元的第二模拟开关时激光器频率维持在所需频率，经过锁存器响应时间后，第四数字输出端变为低电平，完成锁存功能。

14、慢速端口响应时间为300～2000μs；快速端口响应时间为50～200μs；锁存器响应时间为1～2ms。

15、两台频率不同的激光器的输出频率差为1～12ghz。第一参考频率和第二参考频率分别为1～12ghz。

16、激光拍频探测单元的光电探测器采用带宽为不小于12ghz的光电探测器。

17、参考源切换单元采用单刀双掷射频开关。

18、辅助参考频率的频率范围为10～400mhz。第一参考频率或第二参考频率与辅助参考频率的和决定两台激光器的输出频率差；当选择第一参考频率时，反馈环路闭合，施加第一偏置电压，激光器的输出频率为第一参考频率与辅助参考频率的和，当选择第二参考频率时，反馈环路闭合，施加第二偏置电压，激光器的输出频率为第二参考频率与辅助参考频率的和。

19、第一加法器和第二加法器采用标准的运算放大器搭建的模拟加法器。

20、本发明的另一个目的在于提出一种高速大范围激光频率切换控制方法。

21、本发明的高速大范围激光频率切换控制方法，包括以下步骤：

22、1)从两台频率不同的激光器分别输出一束激光，两束频率不同的激光合成一束合束激光，合束激光输入至高速大范围激光频率切换控制系统，经过高速大范围激光频率切换控制系统再返回至一台激光器，构成反馈环路；

23、2)合束激光输入至激光拍频探测单元的光电探测器，光电探测器将两束频率不同的激光进行拍频得到拍频信号，拍频信号为电信号，拍频信号经过射频放大器放大，输入至相敏检测单元；

24、3)第一参考频率和第二参考频率分别输入至参考源切换单元，参考源切换单元根据输入的数字逻辑电平选择第一或第二参考频率输入至相敏检测单元；

25、4)放大后的拍频信号输入至相敏检测单元的高频混频器的射频输入端口，参考源切换单元选择的第一或第二参考频率输入高频混频器的本地振荡输入端口，在高频混频器将拍频信号的频率降低至数字鉴频鉴相器能够识别的中频信号输入至数字鉴频鉴相器的射频输入端口；辅助参考频率输入至数字鉴频鉴相器的参考输入端口，数字鉴频鉴相器将中频信号与辅助参考频率相比较，得到误差信号，输入至环路滤波单元；

26、5)误差信号分别输入至高速pid环路控制器和低速积分环路控制器；误差信号经过高速pid环路控制器返回至激光器的快速调制端口，通过调节高速pid环路控制器的参数，实现拍频信号与参考频率的相位锁定；误差信号经过低速积分环路控制器得到慢速环路控制信号，抑制激光器的长期漂移，慢速环路控制信号输入至频率切换单元；

27、6)环路滤波单元输出的慢速环路控制信号传输至第一加法器的第一输入端，输出信号锁存器的输出送至第一加法器的第二输入端，相加后获得的输出信号分为两路，一路送至输出信号锁存器的输入端，另一路送至第二加法器的第一输入端，第一和第二偏置电压分别输入至偏置电压模拟开关，偏置电压模拟开关的输出送至第二加法器的第二输入端，第二加法器将输出信号锁存器输出的信号与偏置电压模拟开关输出的信号相加，获得处理后的慢速环路控制信号传输至激光器的慢速调制端口；

28、7)高速大范围激光频率切换控制系统执行锁定功能、重置功能或锁存功能：

29、执行锁定功能：上位机同时发送锁定触发信号和频率选择信号分别至微控制器的锁定触发端口和频率选择端口；微控制器将第二数字输出端变为高电平且第三数字输出端为低电平分别传输至第一和第二模拟开关，第一和第二模拟开关均断开，断开反馈环路；同时，微控制器的第一和第五数字输出端的逻辑电平与频率选择信号的逻辑电平保持一致，第一数字输出端为低电平时，参考源切换单元的信号选择为第一参考频率，第一数字输出端为高电平时，参考源切换单元的信号选择为第二参考频率；第五数字输出端为低电平时，频率切换单元的偏置电压模拟开关选择第一偏置电压至第二加法器，第五数字输出端为高电平时，频率切换单元的偏置电压模拟开关选择第二偏置电压至第二加法器；经过慢速端口响应时间后，第二数字输出端变为低电平，并闭合第一模拟开关；再经过快速端口响应时间后，第三数字输出端变为高电平，并闭合第二模拟开关，激光器的输出频率为第一或第二参考频率与辅助参考频率的和，完成锁定功能；在第一参考频率与第二参考频率之间切换，实现大范围调节激光器的输出频率；

30、执行重置功能：上位机同时发送重置触发信号和频率选择信号分别至微控制器的重置触发端口和频率选择端口；微控制器将第二数字输出端变为高电平且第三数字输出端为低电平分别传输至第一和第二模拟开关，第一和第二模拟开关均断开，断开反馈环路；同时，微控制器的第一和第五数字输出端的逻辑电平与频率选择信号的逻辑电平保持一致，第一数字输出端为低电平时，参考源切换单元的信号选择为第一参考频率，第一数字输出端为高电平时，参考源切换单元的信号选择为第二参考频率；第五数字输出端为低电平时，频率切换单元的偏置电压模拟开关选择第一偏置电压至第二加法器，第五数字输出端为高电平时，频率切换单元的偏置电压模拟开关选择第二偏置电压至第二加法器，

31、完成重置功能；

32、执行锁存功能：上位机同时发送锁存触发信号和频率选择信号分别至微控制器的锁存触发端口和频率选择端口；微控制器将第四数字输出端输出高电平至频率切换单元的输出信号锁存器，使频率切换单元的输出信号锁存器执行锁存操作，替换掉原来锁存值，由于反馈环路闭合，慢速环路控制信号回到零电压，以保证断开环路滤波单元的第二模拟开关时激光器频率维持在所需频率，经过锁存器响应时间后，第四数字输出端变为低电平，完成锁存功能。

33、本发明的优点：

34、本发明采用失锁——重锁定的巧妙设计，规避了锁定状态下激光频率切换受到环路带宽和相敏检测带宽限制的问题，实现了高速大范围的激光频率切换；通过在频率切换单元中引入锁存器，抑制了激光器频率的长期漂移，保证了频率切换的成功率；微控制器提供了便捷的外部触发接口，通过简单的数字逻辑信号即可实现对应的功能。