[发明专利]激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法与装置

说明书

本发明公开了一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法与装置。将可调谐激光和飞秒光频梳经拍频信号探测单元后得到拍频信号，经模数采样后进入FPGA开发板进行鉴频鉴相处理。将拍频信号与参考信号相乘并进行低通滤波，通过坐标旋转运算器求得对应的相位，相位经相位解缠绕后进行缩放处理，通过数模转换器输出误差电压信号至模拟PID控制器，模拟PID控制器产生控制信号至可调谐激光器进行闭环控制，将拍频信号频率锁定至参考信号，同时计算拍频信号信噪比、频率、幅值。本发明解决了激光器锁定至光频梳的偏频锁定技术中对拍频信号鉴频鉴相精度难以提高、捕获范围小的问题，可以广泛适用于激光精密计量领域。

技术领域

本发明属于激光稳频技术领域的一种信号处理方法与装置，特别是一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法与装置。

背景技术

激光干涉测量技术具有响应速度快、测量精度高、抗干扰能力强、可直接溯源到米定义等优越性能，因此被广泛用于高精度位移测量、超精密加工制造及仪器检测校准中。在激光干涉测量中，激光频率的稳定性和可溯源性是影响测量精度的关键因素。激光稳频技术的关键在于选取稳定的参考频率标准，传统的激光稳频技术主要是将激光频率锁定至物理参考基准(例如；气体吸收室、FP腔)，这些方法容易受到环境温度、气压、震动等条件的影响，激光频率容易漂移，并且锁定后激光频率几乎无法调谐，仅适用于单稳频的激光锁定。

飞秒光频梳是一种在频率域上由许多个等间距的频率成分(梳齿)组合而成的宽光谱光源，各个梳齿均可溯源至频率基准(例如铷原子钟)。将激光频率锁定至光频梳解决了上述频率容易受环境影响而漂移、无法溯源、频率锁定范围小等问题。偏频锁定技术中鉴频鉴相器的鉴相精度与捕获范围对偏频锁定起着关键作用。常见的鉴频鉴相方法主要有两种。第一种通过将拍频信号与参考信号通过模拟混频器与低通滤波器进行下混频，获得等于拍频信号与参考信号频差的正弦信号，再将该正弦信号作为误差信号输入模拟PID控制器，进行闭环控制。这种方法通常称之为“正弦鉴相器”，鉴相精度容易受拍频信号波动的影响(例如，功率波动，信噪比不够高)。捕获带宽通常指鉴频鉴相器正常工作所允许的输入信号最大频差；对于“正弦鉴相器”捕获带宽较小，通常为kHz量级，锁定时需要预先将频差调整至捕获带宽内，反之，当频差比较大或者快速波动时，难以锁定或容易失锁。第二种方法先将拍频信号与参考信号转换为方波，再同时对其进行加减计数(一个正弦波对应一个计数值)，将计数结果的差值转换为等比例的电压作为误差信号用于闭环控制。这种方法通常称之为“数字鉴频鉴相器”，在拍频信号稳定且信噪比高的情况下，具备良好的性能，捕获带宽通常在MHz量级，通过预分频的处理可以进一步提高捕获范围，但实际鉴相精度为2π(即单个正弦周期)，并且正弦波转换为方波过程中受噪声影响容易出现毛刺，在加减计数过程中容易存在±1误差。

偏频锁定处理的现有技术中，由于在锁定前待稳频激光频率波动等原因，拍频信号容易波动(频率、功率、信噪比)，要求鉴频鉴相器同时具备较大的捕获范围与较高的鉴相精度。所以，兼顾并提高待稳频激光与光频梳的拍频信号的鉴频鉴相精度、捕获范围与抗干扰能力是提高激光频率稳定性并实现快速锁定需要解决的关键技术问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法与装置，解决了激光频率锁定至光频梳技术中拍频信号鉴相精度难以提高以及捕获范围小的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法：

1)将可调谐激光器发出的可调谐激光和飞秒光频梳发出的激光经拍频信号探测后得到拍频信号，经模数采样将拍频信号采集进入FPGA开发板，拍频信号表示如下：

其中，f_a表示可调谐激光器与飞秒光频梳的梳齿间的激光频差，A表示信号幅值，表示拍频信号的相位，的范围为-π至π，t表示时间；