專利名稱：一種基于四通道激光鑒頻鑒相技術(shù)的光學(xué)鎖相跟蹤方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于四通道激光鑒頻鑒相技術(shù)的光學(xué)鎖相跟蹤方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，屬于光學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在精密光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，通常需要相干激光來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的干涉測(cè)量。隨著被測(cè)系統(tǒng)日益復(fù)雜對(duì)測(cè)量通道數(shù)量需求的不斷增加，僅由單個(gè)激光器通過(guò)分光提供多路相干激光已經(jīng)無(wú)法滿足測(cè)量系統(tǒng)對(duì)光強(qiáng)的需要。另外，在超遠(yuǎn)距離激光干涉測(cè)量中，由發(fā)射端激光器提供的干涉測(cè)量激光會(huì)隨著測(cè)量光路的增長(zhǎng)不斷的發(fā)散和衰減，這在很大程度上限制了超遠(yuǎn)距離激光干涉測(cè)量精度的提高。光學(xué)鎖相跟蹤技術(shù)為解決上述技術(shù)難題提供了一種可行的技術(shù)方案，其自上世紀(jì)80年代中期就受到廣泛的關(guān)注并得到了快速的發(fā)展。光學(xué)鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)激光器對(duì)參考激光的頻率和相位跟蹤，其與電學(xué)領(lǐng)域中的鎖相環(huán)的組成結(jié)構(gòu)相似，但是本地振蕩器由本地激光器代替，同時(shí)鑒相器需要能夠?qū)崿F(xiàn)高精度激光干涉鑒相。近年來(lái)發(fā)展的光學(xué)鎖相環(huán)類型主要有平衡鎖相環(huán)、科斯塔斯鎖相環(huán)、 決策驅(qū)動(dòng)鎖相環(huán)以及同步位鎖相環(huán)等。平衡鎖相環(huán)首先由美國(guó)麻省理工大學(xué)的G. L. Abbas和V. W. S. Chan等人于1983年提出。作為最基本的光學(xué)鎖相環(huán)，其最先得到人們的認(rèn)識(shí)。平衡鎖相環(huán)使用一個(gè)3dB的定向耦合器將本地激光和參考激光進(jìn)行光學(xué)混頻，再由兩個(gè)串聯(lián)的同型號(hào)光電二極管接收相位相差180°的兩個(gè)拍頻光信號(hào)。該方案充分利用了耦合器兩個(gè)輸出端的光信號(hào)，在相位鎖定狀態(tài)下兩個(gè)光電二極管產(chǎn)生的直流電流可相互抵消，這可以在一定程度上避免了激光功率波動(dòng)對(duì)鎖相性能的影響。光電二極管監(jiān)測(cè)得到的拍頻電信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器處理后反饋控制本地激光器，最終實(shí)現(xiàn)本地激光對(duì)參考激光的鎖相跟蹤。但是，為了避免平均相位為零無(wú)法判斷相位控制方向的情況，平衡鎖相環(huán)需要傳輸殘余載波，并且本振光信號(hào)垂直于殘余載波才可實(shí)現(xiàn)相位鎖定。1983年維也納技術(shù)大學(xué)的H. K. Philipp和A. L. Scholtz等人提出了科斯塔斯光學(xué)鎖相環(huán)，該鎖相環(huán)使用90°相移光橋接器將本地激光和參考激光進(jìn)行光學(xué)混頻，它有同相通道和正交相位通道兩個(gè)信號(hào)輸出通道。其中，同相通道輸出的混頻信號(hào)由兩激光信號(hào)直接疊加形成，正交通道輸出的混頻信號(hào)由相位延遲了 90°的參考激光和本地激光疊加形成。這兩個(gè)混頻通道的輸出拍頻光首先由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為兩路電信號(hào)，然后將兩路電信號(hào)相乘解算出兩信號(hào)的相位差，并經(jīng)過(guò)低通環(huán)路濾波器產(chǎn)生本振激光器的調(diào)頻控制信號(hào)， 最終實(shí)現(xiàn)相位鎖定。該鎖相環(huán)的特點(diǎn)是將鎖相電流乘以信號(hào)電流得到相位差信號(hào)，由于將光電流在鎖相前經(jīng)過(guò)了此項(xiàng)非線性處理，因此調(diào)制后鎖相電流的平均值不會(huì)為零，也就不再需要傳輸殘余載波，這在很大程度上減輕了信號(hào)處理環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)。1985年貝爾通信研究公司Navesing研究工程中心的L. G. Kazovsky提出了決策驅(qū)動(dòng)光學(xué)鎖相環(huán)，該鎖相環(huán)同樣使用90°相移光橋接器產(chǎn)生兩路相互正交的拍頻信號(hào)，但不同的是，同相通道的輸出經(jīng)判斷電路處理后，再與正交相位通道相乘得到相位差信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)兩通道信號(hào)時(shí)間上的同步，通常在正交相位通道中設(shè)有延時(shí)器。該鎖相環(huán)的特點(diǎn)是將鎖相電流乘以判斷電路的輸出電流得到相位差信號(hào)，其同樣對(duì)光電流進(jìn)行了非線性處理，因此不需要傳輸殘余載波。相比較而言，決策驅(qū)動(dòng)鎖相環(huán)性能優(yōu)于平衡鎖相環(huán)和科斯塔斯鎖相環(huán)，其相位誤差的方差值比科斯塔斯鎖相環(huán)小，但對(duì)激光器線寬的要求高于科斯塔斯鎖相環(huán)。同步位鎖相環(huán)由科斯塔斯鎖相環(huán)發(fā)展而來(lái)，其利用科斯塔斯鎖相環(huán)的同相通道和正交相位通道不同時(shí)工作的特點(diǎn)，在反饋環(huán)路中設(shè)置了一個(gè)開關(guān)，通過(guò)開關(guān)的閉合分時(shí)段地實(shí)現(xiàn)同相通道和正交相位通道。這樣，就只需要一套平衡探測(cè)器和交流耦合前置電路，不僅結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，而且同相通道和正交相位通道的探測(cè)電路完全相同，減小了由于器件不同而導(dǎo)致的鎖相誤差。大部分時(shí)間反饋環(huán)路開關(guān)斷開，完成科斯塔斯鎖相環(huán)的同相支路。在每比特?cái)?shù)據(jù)的間隙開關(guān)閉合以實(shí)現(xiàn)環(huán)路反饋，完成正交相位支路。同步位鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 但帶寬和信噪比較差。此外，同步位鎖相環(huán)需要額外的數(shù)據(jù)預(yù)處理和后處理，只能傳輸數(shù)字信號(hào)，而且對(duì)激光線寬的要求也高于科斯塔斯鎖相環(huán)。但是上述鎖相環(huán)都存在一個(gè)共同的缺陷其僅由相移光橋接器和平衡功率探測(cè)器構(gòu)成的鑒相器在很大程度上限制了鎖相環(huán)的捕捉帶，上述鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)的捕捉帶最大僅為MHz量級(jí)。但對(duì)于頻率高達(dá)IO14量級(jí)的兩束自由激光而言，其頻率差很少在MHz以內(nèi)，甚至單束激光的頻率穩(wěn)定度都難以達(dá)到MHz量級(jí)。因此，要實(shí)現(xiàn)上述光學(xué)鎖相環(huán)，通常需要根據(jù)參考激光對(duì)本地激光器進(jìn)行預(yù)鎖頻并實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)頻，這無(wú)疑提高了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有光學(xué)鎖相跟蹤技術(shù)捕獲帶較小、需要進(jìn)行預(yù)鎖頻的問(wèn)題，提供了一種基于四通道激光鑒頻鑒相技術(shù)的光學(xué)鎖相跟蹤方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。本發(fā)明所述一種基于四通道激光鑒頻鑒相技術(shù)的光學(xué)鎖相跟蹤方法，該方法包括以下步驟步驟一、接收外部提供的作為頻率與相位參考的入射激光，將該入射激光記為L(zhǎng)1, 同時(shí)開啟激光模塊，經(jīng)過(guò)預(yù)熱過(guò)程后該激光模塊進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，將激光模塊的出射激光記為L(zhǎng)2 ；步驟二、利用二分之一波片及偏振分光棱鏡調(diào)整入射激光L1和激光模塊出射激光 L2的偏振態(tài)，將調(diào)整后偏振方向互相垂直的兩束激光進(jìn)行合光形成合光光束，再利用二分之一波片調(diào)整合光光束中入射激光L1與出射激光L2的偏振方向，使得兩束激光的偏振方向都與水平方向成45°夾角；步驟三、利用消偏振分光棱鏡將合光光束分為反射合光光束和透射合光光束兩部分，反射合光光束經(jīng)偏振分光棱鏡形成兩路相位相差180°的拍頻光信號(hào)，分別由兩個(gè)高速光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為拍頻電信號(hào)并送入信號(hào)調(diào)理模塊，透射合光光束首先經(jīng)光學(xué)相位延遲器將合光光束中入射激光L1的相位延遲90°，然后通過(guò)偏振分光棱鏡形成兩路相位相差 180°的拍頻光信號(hào)，分別由另外兩個(gè)高速光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為拍頻電信號(hào)并送入信號(hào)調(diào)理模塊；步驟四、將入射激光L1與出射激光L2的頻率分別記為V1和v2，反射合光光束中的入射激光L1到達(dá)光電探測(cè)器的相位記為仍，反射合光光束中的出射激光L2到達(dá)光電探測(cè)器的相位記為約，信號(hào)調(diào)理模塊將反射合光光束對(duì)應(yīng)的兩路拍頻電信號(hào)相減得到合光反射拍頻信號(hào)，則當(dāng)V1 = V2時(shí)，合光反射拍頻信號(hào)為
權(quán)利要求
1. 一種基于四通道激光鑒頻鑒相技術(shù)的光學(xué)鎖相跟蹤方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一、接收外部提供的作為頻率與相位參考的入射激光，將該入射激光記為L(zhǎng)1,同時(shí)開啟激光模塊，經(jīng)過(guò)預(yù)熱過(guò)程后該激光模塊進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，將激光模塊的出射激光記為L(zhǎng)2 ；步驟二、利用二分之一波片及偏振分光棱鏡調(diào)整入射激光L1和激光模塊出射激光L2的偏振態(tài)，將調(diào)整后偏振方向互相垂直的兩束激光進(jìn)行合光形成合光光束，再利用二分之一波片調(diào)整合光光束中入射激光！^與出射激光L2的偏振方向，使得兩束激光的偏振方向都與水平方向成45°夾角；步驟三、利用消偏振分光棱鏡將合光光束分為反射合光光束和透射合光光束兩部分， 反射合光光束經(jīng)偏振分光棱鏡形成兩路相位相差180°的拍頻光信號(hào)，分別由兩個(gè)高速光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為拍頻電信號(hào)并送入信號(hào)調(diào)理模塊，透射合光光束首先經(jīng)光學(xué)相位延遲器將合光光束中入射激光L1的相位延遲90°，然后通過(guò)偏振分光棱鏡形成兩路相位相差180° 的拍頻光信號(hào)，分別由另外兩個(gè)高速光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為拍頻電信號(hào)并送入信號(hào)調(diào)理模塊；步驟四、將入射激光L1與出射激光L2的頻率分別記為V1和v2，反射合光光束中的入射激光L1到達(dá)光電探測(cè)器的相位記為仍，反射合光光束中的出射激光L2到達(dá)光電探測(cè)器的相位記為終，信號(hào)調(diào)理模塊將反射合光光束對(duì)應(yīng)的兩路拍頻電信號(hào)相減得到合光反射拍頻信號(hào)，則當(dāng)V1 = V2時(shí)，合光反射拍頻信號(hào)為cos(^1 -φ2),當(dāng)V1 > V2時(shí)，合光反射拍頻信號(hào)為COS^Vj-V^i + ^-^],當(dāng)V1 < V2時(shí)，合光反射拍頻信號(hào)為COS^V^Vj)^ + ^-^];步驟五、信號(hào)調(diào)理模塊將透射合光光束對(duì)應(yīng)的兩路拍頻電信號(hào)相減得到合光透射拍頻信號(hào)，由于光學(xué)相位延遲器的作用，透射合光光束中的入射激光L1到達(dá)光電探測(cè)器的相位記為仍-90°，透射合光光束中的出射激光L2到達(dá)光電探測(cè)器的相位記為終，則當(dāng)V1 = V2時(shí)，合光透射拍頻信號(hào)為cos(^ -識(shí)2 -90°),當(dāng)V1 > V2時(shí)，合光透射拍頻信號(hào)為cos [(V1 - V2) / + 仍-- 90。]，當(dāng)V1 < V2時(shí)，合光透射拍頻信號(hào)為cos [(V2 - V1) Z + - P1 + 90。]；步驟六、激光模塊進(jìn)入光頻鎖定控制階段，首先取合光反射拍頻信號(hào)和合光透射拍頻信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量，測(cè)頻結(jié)果記為，Vmeas = I ^1^2 I，當(dāng)合光反射拍頻信號(hào)相位超前合光透射拍頻信號(hào)90°時(shí)，表明V1 > V2,此時(shí)測(cè)頻結(jié)果為Vmeas — V1_V2'得到第一入射激光與第二入射激光的鑒頻結(jié)果為Δ Vl-2 = VfV2 = Vmeas'當(dāng)合光反射拍頻信號(hào)相位滯后合光透射拍頻信號(hào)90°時(shí)表明V1 < V2,此時(shí)測(cè)頻結(jié)果為Vmeas — V2_V1 ‘得到第一入射激光與第二入射激光的鑒頻結(jié)果為Δ Vl-2 = VfV2 = "Vmeas ；步驟七、將測(cè)量得到的頻率值Δνι_2作為光頻鎖定信號(hào)輸入數(shù)字控制器，根據(jù)本地激光頻率與激光模塊諧振腔長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)溫度控制模塊調(diào)整激光模塊諧振腔溫度以實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振腔長(zhǎng)度的大范圍調(diào)節(jié)，同時(shí)通過(guò)PZT驅(qū)動(dòng)控制模塊對(duì)諧振腔長(zhǎng)度進(jìn)行直接快速的調(diào)節(jié)，反饋控制激光模塊的輸出光頻率V2使得Δνι_2趨于0，當(dāng)Δνι_2 = 0時(shí)，激光模塊的光頻鎖定階段結(jié)束，其輸出激光L2的頻率鎖定為入射激光L1的頻率，即V2 = V1 ；步驟八、激光模塊在其光頻控制過(guò)程結(jié)束后進(jìn)入鎖相控制階段，首先取合光反射拍頻信號(hào)和合光透射拍頻信號(hào)進(jìn)行反正切相位測(cè)量，得到入射激光L1和出射激光L2的鑒相結(jié)果為Δι2 =仍- ;將測(cè)量得到的相位值Δ仍—2作為鎖相閉環(huán)控制信號(hào)輸入數(shù)字控制器，通過(guò) PZT驅(qū)動(dòng)控制模塊對(duì)諧振腔長(zhǎng)度進(jìn)行精細(xì)快速調(diào)節(jié)，反饋控制激光模塊的輸出光相位終使得Δ仍—2趨于0，當(dāng)Δ仍—2 = 0時(shí)，激光模塊的鎖相控制過(guò)程完成，其出射激光L2的相位鎖定為入射激光L1的相位，即灼=釣；步驟九、當(dāng)光學(xué)鎖相跟蹤系統(tǒng)失鎖時(shí)，重復(fù)步驟六至八，激光模塊的出射激光L2即可對(duì)入射激光L1進(jìn)行重新鎖相跟蹤。
2.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的一種基于四通道激光鑒頻鑒相技術(shù)的光學(xué)鎖相跟蹤方法的裝置，其特征在于，它包括第一二分之一波片(1)、第一偏振分光棱鏡O)、第二二分之一波片(3)、消偏振分光棱鏡(4)、第二偏振分光棱鏡( 、第一高速光電探測(cè)器(6)、第二高速光電探測(cè)器(7)、光學(xué)相位延遲器(8)、第三偏振分光棱鏡(9)、第三高速光電探測(cè)器(10)、第四高速光電探測(cè)器(11)、信號(hào)調(diào)理模塊(1 、頻率測(cè)量模塊(1 、正交鑒相模塊(14)、數(shù)字控制器(15)、溫度控制模塊(16)、PZT驅(qū)動(dòng)控制模塊(17)、激光模塊(18)、第三二分之一波片(19)和第四偏振分光棱鏡(20)，入射激光經(jīng)第一二分之一波片(1)透射至第一偏振分光棱鏡(2)，激光模塊(18)發(fā)出的出射激光經(jīng)第三二分之一波片(19)透射至第四偏振分光棱鏡 (20)，第四偏振分光棱鏡00)的反射光束與透射到第一偏振分光棱鏡( 的的入射激光形成的合光光束，所述合光光束經(jīng)第二二分之一波片C3)透射至消偏振分光棱鏡G)，消偏振分光棱鏡(4)的反射合光光束入射至第二偏振分光棱鏡(5)，第二偏振分光棱鏡( 的反射光束入射至第一高速光電探測(cè)器(6)，第二偏振分光棱鏡(5)的透射光束入射至第二高速光電探測(cè)器(7),消偏振分光棱鏡(4)的透射合光光束入射至光學(xué)相位延遲器(8)，光學(xué)相位延遲器(8) 延遲光束入射至第三偏振分光棱鏡(9)，第三偏振分光棱鏡(9)的反射光束入射至第三高速光電探測(cè)器(10)，第三偏振分光棱鏡(9)的透射光束入射至第四高速光電探測(cè)器(11)，第一高速光電探測(cè)器(6)、第二高速光電探測(cè)器(7)、第三高速光電探測(cè)器(10)和第四高速光電探測(cè)器(11)的采集的電信號(hào)分別輸出給信號(hào)調(diào)理模塊(1 的四個(gè)信號(hào)輸入端， 信號(hào)調(diào)理模塊(1 的反射光束差信號(hào)輸出端同時(shí)與頻率測(cè)量模塊(1 的輸入端和正交鑒相模塊(14)的輸入端相連，信號(hào)調(diào)理模塊(1 的透射光束差信號(hào)輸出端同時(shí)與頻率測(cè)量模塊(1 的輸入端和正交鑒相模塊(14)的輸入端相連，頻率測(cè)量模塊(1 的輸出端與數(shù)字控制器(1 的第一輸入端相連，正交鑒相模塊(14)的輸出端與數(shù)字控制器(1 的第二輸入端相連，數(shù)字控制器(1 的控制溫度信號(hào)輸出端與溫度控制模塊(16)的輸入端相連， 溫度控制模塊(16)的輸出端與激光模塊(18)的第一控制端相連，數(shù)字控制器(1 的PZT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與PZT驅(qū)動(dòng)控制模塊(17)的輸入端相連，PZT驅(qū)動(dòng)控制模塊(17)的輸出端與激光模塊(18)的PZT驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于四通道激光鑒頻鑒相技術(shù)的光學(xué)鎖相跟蹤方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于，光學(xué)相位延遲器(8)為波片相位延遲器、反射式相位延遲鏡、液晶相位延遲器或電光移相器。
全文摘要
一種基于四通道激光鑒頻鑒相技術(shù)的光學(xué)鎖相跟蹤方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，屬于光學(xué)領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有光學(xué)鎖相跟蹤技術(shù)捕獲帶較小、需要進(jìn)行預(yù)鎖頻的問(wèn)題。本發(fā)明利用四通道探測(cè)技術(shù)跟蹤入射激光，將入射激光與激光模塊發(fā)出的出射激光直接光學(xué)混頻形成第一路拍頻信號(hào)的同時(shí)，還將入射激光相位延遲90°后形成第二路拍頻信號(hào)。利用四細(xì)分辨向技術(shù)對(duì)兩路拍頻信號(hào)的相位關(guān)系進(jìn)行超前與滯后判斷，據(jù)此得到的入射激光與出射激光的頻率大小關(guān)系，同時(shí)結(jié)合對(duì)兩路拍頻信號(hào)的頻率測(cè)量和反正切相位測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射激光與出射激光頻率差和相位差的準(zhǔn)確測(cè)量。將測(cè)量得到頻率值和相位值作為控制激光模塊的控制量，使它的出射光線能鎖定入射光線的頻率和相位。
文檔編號(hào)G01J9/00GK102322964SQ20111025617
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者胡鵬程, 譚久彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)