基于閉環(huán)控制的光調(diào)頻連續(xù)波掃頻非線性校準系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光調(diào)頻技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于閉環(huán)控制的光調(diào)頻連續(xù)波掃 頻非線性校準系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光調(diào)頻連續(xù)波（FMCW)是一種通過測量發(fā)射光信號與回波信號相干得到的拍頻信 號的頻域響應(yīng)來獲取被測目標位置，速度等參量的技術(shù)，其核心模塊是一個需要頻率線性 調(diào)制的激光源。
[0003] 在各種類型的激光源中，窄線寬半導(dǎo)體激光器可能是最為合適的，因為它的輸出 頻率可以通過改變激光器的注入電流來靈活控制，然而，通常情況下由于半導(dǎo)體激光器本 身固有的頻率調(diào)制效應(yīng)，激光器的輸出頻率對于調(diào)制電流呈現(xiàn)明顯的非線性。
[0004] 現(xiàn)有的能減小掃頻激光源非線性的方法，是基于調(diào)制電流預(yù)畸變的機制，然而，使 用該方法只能使掃頻激光源的輸出頻率中的非線性減小到一個比較小的范圍內(nèi)，卻不能從 原理上完全消除，采用這種方法難以實現(xiàn)高精度大范圍的線性掃頻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的內(nèi)容在于克服光調(diào)頻連續(xù)波中的掃頻非線性，提出一種基于閉環(huán)控制的 光調(diào)頻連續(xù)波掃頻非線性校準系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法是一種基于馬赫曾得干涉儀延遲 外差鎖相的閉環(huán)反饋方案，通過該系統(tǒng)及方法可以實現(xiàn)對輸出光頻的掃頻斜率和形狀進行 精確控制，使激光器在掃頻過程中對非線性頻率誤差進行主動校準，可以對不同類型的激 光源進行校準。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于閉環(huán)控制的光調(diào)頻連續(xù)波掃頻非線性校 準系統(tǒng)，包括掃頻激光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、延遲光纖、聲光頻移器、平 衡光電探測器、頻譜分析儀、數(shù)字鑒頻鑒相器以及加法器；其中：
[0008] 所述掃頻激光源、第一耦合器和第二耦合器依次設(shè)置，所述第二耦合器分別與延 遲光纖和聲光頻移器的第一端相連，所述延遲光纖和聲光頻移器的第二端分別與第三耦合 器相連，所述第三耦合器、平衡光電探測器、數(shù)字鑒頻鑒相器、加法器依次設(shè)置，所述頻譜分 析儀與平衡光電探測器相連，所述加法器輸出至掃頻激光源。
[0009] 優(yōu)選地，所述掃頻激光源采用窄線寬半導(dǎo)體激光器，并通過預(yù)畸變電流信號直接 調(diào)制，發(fā)出相位連續(xù)的光信號。
[0010] 優(yōu)選地，第一耦合器采用1X2保偏耦合器。
[0011] 優(yōu)選地，所述第二耦合器和第三耦合器均采用2X2保偏耦合器
[0012] 優(yōu)選地，所述平衡光電探測器采用兩個參數(shù)相同的平衡放大光電探測器作為一個 平衡接收器。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種基于閉環(huán)控制的光調(diào)頻連續(xù)波掃頻非線性 校準方法，包括如下步驟：
[0014] 步驟1，掃頻激光源經(jīng)預(yù)畸變電流信號直接調(diào)制，發(fā)出相位連續(xù)的光信號；
[0015] 步驟2,相位連續(xù)的光信號經(jīng)過第一耦合器后輸出兩部分，其中一部分用作系統(tǒng)輸 出，另外一部分用于系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制；
[0016] 步驟3,用于系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制的光信號，經(jīng)過第二耦合器后輸出兩部分，其中一 部分進入延遲光纖，另外一部分進入聲光頻移器將光頻搬移，經(jīng)過延遲光纖和聲光頻移器 后輸出的兩路光信號經(jīng)過第三耦合器合路；
[0017] 步驟4,經(jīng)過第三耦合器合路的光信號通過平衡光電探測器探測拍頻光信號，并通 過頻譜分析儀分析拍頻信號的頻譜；
[0018] 步驟5,將平衡光電探測器探測的拍頻光信號與一個頻率穩(wěn)定的射頻參考信號通 過數(shù)字鑒頻鑒相器進行相位比較后，輸出的誤差信號經(jīng)信號調(diào)理后與預(yù)畸變電流信號經(jīng)過 加法器相加反饋回掃頻激光源，從而完成整個環(huán)路的閉環(huán)控制。
[0019] 優(yōu)選地，所述第一耦合器采用10 : 90的耦合器，其中，90%的部分用作系統(tǒng)輸出， 10 %的部分用于系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制。
[0020] 優(yōu)選地，掃頻激光源發(fā)出1550nm或者1310nm波長的連續(xù)光信號。
[0021] 優(yōu)選地，所述數(shù)字鑒頻鑒相器對拍頻光信號和射頻參考信號的頻率和/或相位信 息進行比較，其中，輸出的相位誤差信息以輸出電流脈沖的占空比表征。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0023] 1、本發(fā)明可以對掃頻激光源輸出光頻中的非線性進行精確校準，輸出光頻線性 度明顯提高，大大提高了光調(diào)頻連續(xù)波測距系統(tǒng)的空間分辨率。
[0024] 2、本發(fā)明對掃頻激光源的非線性的校準為主動實時校準，減少了后期算法補償?shù)?開銷，提高了測量系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。
[0025] 3、本發(fā)明可以靈活控制掃頻激光源的掃頻斜率和形狀，可以實現(xiàn)不同掃頻斜率和 不同掃頻形狀的光頻掃描控制。
【附圖說明】
[0026] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0027] 圖1為光調(diào)頻連續(xù)波掃頻非線性閉環(huán)校準系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖2為系統(tǒng)開環(huán)時的拍頻信號的頻譜圖。
[0029] 圖3為系統(tǒng)閉環(huán)后拍頻信號的頻譜圖。
[0030] 圖中：
[0031] 1為掃頻激光源
[0032] 2為第一親合器
[0033] 3為第二親合器
[0034] 4為延遲光纖
[0035] 5為聲光頻移器
[0036] 6為第三親合器
[0037] 7為平衡光電探測器
[0038] 8為頻譜分析儀
[0039] 9為數(shù)字鑒頻鑒相器
[0040] 10為加法器
【具體實施方式】
[0041] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保 護范圍。
[0042] 實施例
[0043] 本實施例提供了一種基于閉環(huán)控制的光調(diào)頻連續(xù)波掃頻非線性校準系統(tǒng)，包括掃 頻激光源、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、延遲光纖、聲光頻移器、平衡光電探測器、 頻譜分析儀、數(shù)字鑒頻鑒相器以及加法器；其中：
[0044] 所述掃頻激光源、第一耦合器和第二耦合器依次設(shè)置，所述第二耦合器分別與延 遲光纖和聲光頻移器的第一端相連，所述延遲光纖和聲光頻移器的第二端分別與第三耦合 器相連，所述第三耦合器、平衡光電探測器、數(shù)字鑒頻鑒相器、加法器依次設(shè)置，所述頻譜分 析儀與平衡光電探測器相連，所述加法器輸出至掃頻激光源。
[0045] 進一步地，所述掃頻激光源采用窄線寬半導(dǎo)體激光器，并通過預(yù)畸變電流信號直 接調(diào)制，發(fā)出相位連續(xù)的光信號。
[0046] 進一步地，所述第一耦合器采用10 : 90保偏耦合器。
[0047] 進一步地，所述第二耦合器采用50 : 50保偏耦合器。
[0048] 進一步地，所述第三耦合器采用50 : 50保偏耦合器。
[0049] 進一步地，所述平衡光電探測器采用兩個參數(shù)相同的平衡放大光電探測器作為一 個平衡接收器，對兩路輸入光信號做差分接收，消除了共模噪聲。
[0050] 本實施例提供的基于閉環(huán)控制的光調(diào)頻連續(xù)波掃頻非線性校準系統(tǒng)，其校準方 法，包括如下步驟：
[0051] 步驟1，掃頻激光源經(jīng)預(yù)畸變電流信號直接調(diào)制，發(fā)出相位連續(xù)的光信號；
[0052] 步驟2,相位連續(xù)的光信號經(jīng)過第一耦合器后輸出兩部分，其中一部分用作系統(tǒng)輸 出，另外一部分用于系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制；
[0053] 步驟3,用于系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制的光信號，經(jīng)過第二耦合器后輸出兩部分，其中一 部分進入延遲光纖，另外一部分進入聲光頻移器將光頻搬移，經(jīng)過延遲光纖和聲光頻移器 后輸出的兩路光信號經(jīng)過第三耦合器合路；
[0054] 步驟4,經(jīng)過第三耦合器合路的光信號通過平衡光電探測器探測拍頻光信號，并通 過頻譜分析儀分析拍頻信號的頻譜；
[0055] 步驟5,將平衡光電探測器探測的拍頻光信號與一個頻率穩(wěn)定的射頻參考信號通 過數(shù)字鑒頻鑒相器進行相位比較后，輸出的誤差信號經(jīng)信號調(diào)理后與預(yù)畸變電流信號經(jīng)過 加法器相加反饋回掃頻激光源，從而完成整個環(huán)路的閉環(huán)控制。
[0056] 進一步地，所述第一耦合器采用10 : 90的耦合器，其中，90%的部分用作系統(tǒng)輸 出，10 %的部分用于系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制。
[0057] 進一步地，掃頻激光源發(fā)出1550nm或者1310nm波長的連續(xù)光信號。
[0058] 進一步地，所述數(shù)字鑒頻鑒相器對拍頻光信號和射頻參考信號的頻率和/或相位 信息進行比較，其中，輸出