專利名稱：一種光異步采樣信號測量的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學測量領域，尤其涉及一種光異步采樣信號測量的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
光異步采樣技術是采用兩個頻率精確鎖定但略有差別的光頻梳，通過利用兩個頻率之間的微小的頻率差實現與采樣示波器原理類似的高精度時域“等效采樣”信號的測量方法。
光異步采樣技術已經應用于泵浦-探測，太赫茲時域光譜，測距等領域。但是之前的研究人員所使用的光源均為兩個獨立的、具有一定頻率差的激光器，這兩個激光器需要復雜的電路反饋控制系統(tǒng)，才能使其保持恒定的頻率差與相位鎖定，系統(tǒng)復雜，成本高，應用困難。利用光諧振腔中存在的模式色散、偏振模色散、雙折射和色度色散，可以實現一個光源輸出具有不同重復頻率的兩個脈沖光，而且由于色散值的穩(wěn)定性，這兩個脈沖光的重復頻率差也相當穩(wěn)定。采用這種方式實現的雙頻率脈沖光源具有結構簡單，集成化好等優(yōu)點，從而使光異步采樣信號測量的系統(tǒng)更簡單易行。發(fā)明內容
針對現有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種光異步采樣信號測量的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明提供了一種光異步采樣信號測量的方法，其特征在于，包括:
步驟1，一個脈沖光源輸出兩種以上不同重復頻率的光脈沖序列，其中具有第一重復頻率的光脈沖序列為第一光脈沖序列，具有第二重復頻率f2的光脈沖序列為第二光脈沖序列，Af為第一光脈沖序列和第二光脈沖序列的重復頻率之差，g卩If^f2I ；
步驟2，第一光脈沖序列經過信號光路變換為信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過參考光路變換為參考脈沖序列；
步驟3，信號脈沖序列與參考脈沖序列在探測裝置中相互作用，獲得由f\、f2決定的異步采樣信號；
步驟4，對獲得的異步采樣信號進行時間軸變換，變換公式為ΛΤ=Λ τ八￡/1，其中Λ τ為異步采樣信號中的時間長度，AT為實際時間長度，從而得到時域信息，通過時域-頻域變換可得到時域光譜信息。
在一個示例中，步驟2中，第一光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或二倍頻變換后輸入到太赫茲發(fā)射器件，由太赫茲發(fā)射器件產生的太赫茲脈沖序列經過待測物后形成信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或二倍頻變換后變換為參考脈沖序列；步驟3中信號脈沖序列與參考脈沖序列共同輸入到太赫茲接收器件，經過光電探測器檢測得到異步采樣信號；步驟4中，對異步采樣信號進行數據處理，得到太赫茲時域信息和/或時域光譜信息。
在一個示例中，步驟2中第一光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或二倍頻變換后變換為信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或二倍頻變換后變換為參考脈沖序列；步驟3中信號脈沖序列與參考脈沖序列共同輸入到待測物，經過光電探測器檢測信號脈沖序列，得到異步采樣信號；步驟4中，對異步采樣信號進行數據處理，得到待測物的泵浦探測信號。
在一個示例中，步驟2中第一光脈沖序列經過功率放大、脈沖波形變換、偏振控制和波長移動后輸入到待測物上，形成信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過功率放大、脈沖波形變換、偏振控制后變換為參考脈沖序列；步驟3中獲得參考脈沖序列與信號脈沖序列之間產生的時域相關信號；步驟4中，對信號進行數據處理，得到待測物的時域光譜信息。
在一個示例中，步驟2中第一光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或波長移動后分為兩路，一路經過定標光路生成定標脈沖序列，另一路經過目標光路生成目標脈沖序列，定標脈沖序列與目標脈沖序列合并成為信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或波長移動生成參考脈沖序列；步驟3中獲得參考脈沖序列與信號脈沖序列之間產生的場強相關信號或光強相關信號；步驟4中，根據相關信號計算信號脈沖序列中目標脈沖與其前面的最近的定標脈沖之間的時間差從而測得目標光路與定標光路間的光程差。
在一個示例中，步驟2中第一光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或波長移動后分為兩路，一路經過定標光路生成定標脈沖序列，另一路經過目標光路生成目標脈沖序列，定標脈沖序列與目標脈沖序列合并成為信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或波長移動生成參考脈沖序列；步驟3中信號脈沖序列和參考脈沖序列進入脈沖作用裝置，信號脈沖序列中與參考脈沖序列的脈沖在時間域上重合的脈沖的特性發(fā)生改變，測量此時的信號脈沖序列得到異步采樣信號；步驟4中，根據異步采樣信號中特性發(fā)生改變的脈沖的時間位置計算信號脈沖序列中目標脈沖與其前面的最近的定標脈沖之間的時間差從而測得目標光路與定標光路間的光程差。
本發(fā)明提供了一種光異步采樣信號測量的系統(tǒng)，其特征在于，包括:
脈沖光源，輸出兩種以上具有不同重復頻率的光脈沖序列，具有第一重復頻率的光脈沖序列為第一光脈沖序列，具有第二重復頻率f2的光脈沖序列為第二光脈沖序列；
信號光路，用于將第一光脈沖序列變換為信號脈沖序列；
參考光路，用于將第二光脈沖序列變換為參考脈沖序列；
探測裝置，用于實現信號脈沖序列和參考脈沖序列的相互作用，獲得異步采樣信號。
在一個示例中，所述脈沖光源只包含一個諧振腔，通過諧振腔中的模式色散、偏振模色散、雙折射或色度色散，實現同時輸出具有兩個不同重復頻率的光脈沖序列。
在一個例中，所述信號光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、二倍頻晶體、太赫茲發(fā)射器件和待測物；所述參考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和二倍頻晶體；所述探測裝置包括由電光材料器件和光電探測器構成的太赫茲接收器件或光電導開關構成的太赫茲接收器件。
在一個例中，所述信號光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或二倍頻晶體；所述參考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或二倍頻晶體；所述探測裝置包括待測物、濾波器件和光電探測器。
在一個示例中，所述信號光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、非線性光學器件、目標光路和待測光路；所述參考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或非線性光學器件；所述探測裝置包括二倍頻晶體、濾波器件和光電探測器。
在一個示例中，其特征在于，所述信號光路包括包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、非線性光學器件、目標光路和待測光路；所述參考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或非線性光學器件；所述探測裝置包括脈沖作用裝置，濾波器件和光電探測器。
在一個示例中，其特征在于，所述脈沖作用裝置包括半導體光放大器、飽和吸收體、全光開關和全光邏輯門。


下面結合附圖來對本發(fā)明作進一步詳細說明，其中:
圖1是光異步采樣信號測量的系統(tǒng)結構圖2是光異步采樣光程測量的系統(tǒng)結構圖3是脈沖激光器輸出光譜圖4是脈沖激光器輸出信號的頻譜圖5是使用示波器測量到的時域圖。
圖6是另一種光異步采樣光程測量的系統(tǒng)結構圖7是光異步采樣時域光譜測量的系統(tǒng)結構圖；具體實施方式
實例一
圖2是光異步采樣光程測量的系統(tǒng)結構圖。雙頻脈沖激光器201輸出兩個不同重復頻率的脈沖光序列，其重復頻率差為472Hz，中心波長分別為1532nm和1555nm，光譜圖如圖3所示，頻譜圖如圖4所示。這兩個脈沖光序列經過作為分光器件的帶通濾波器202后分為兩路，中心波長為1532nm的光為第一光脈沖序列，中心波長為1555nm的光為第二光脈沖序列。第一光脈沖序列經過光耦合器203后分為兩路，分別經過定標延遲和目標延遲后成為定標脈沖序列和目標脈沖序列，并經過光耦合器204后合為信號脈沖序列。第二光脈沖序列經過光放大器205放大后成為參考脈沖序列，它和信號脈沖序列經過光耦合器206合為一束光，輸入作為脈沖作用裝置的半導體光放大器(SOA) 207。SOA輸出的光脈沖序列經過濾波器208后濾出和參考脈沖序列作用后的信號脈沖序列，經過光電探測器209轉換為電信號，最后示波器210接收該電信號，所得到的時域圖如圖5所示。由于SOA具有增益飽和的特性，所以當參考光脈沖與探測光脈沖在時域上重合時，由于參考光脈沖使得SOA飽和，探測光脈沖的透過率下降，通過測量兩個下降沿的時間差Λ τ，可以計算得到目標延遲與定標延遲之間的距離差d=VgA τ AfVf1，其中Vg為信號脈沖序列的群速度。
實例二
圖6是另一種光異步采樣光程測量的系統(tǒng)結構圖，本實例與實例一的區(qū)別是采用全光開關作為脈沖作用器件。雙頻脈沖激光器601輸出兩個不同重復頻率的脈沖光序列，其重復頻率差為472Hz，中心波長分別為1532nm和1555nm。這兩個脈沖光序列經過作為分光器件的帶通濾波器602后分為兩路，中心波長為1532nm的光為第一光脈沖序列，中心波長為1555nm的光為第二光脈沖序列。第一光脈沖序列經過光稱合器603后分為兩路,分別經過定標延遲和目標延遲后成為定標脈沖序列和目標脈沖序列，并經過光耦合器604后合為信號脈沖序列。第二光脈沖序列經過光放大器605放大后成為參考脈沖序列,控制作為脈沖作用裝置的全光開關606是否通光。當參考脈沖序列的脈沖與信號脈沖序列中的脈沖在時間上重合時，信號脈沖序列中的脈沖能通過全光開關，否則無法通過全光開關，全光開關輸出的光脈沖序列經過經過光電探測器607轉換為電信號，最后示波器608接收該電信號。根據電信號中兩個相鄰脈沖的時間差△ τ，可以計算得到目標延遲與定標延遲之間的距離差d=VgA τ Λ Vf1，其中Vg為信號脈沖序列的群速度。
實例三
本實例采用的是與實例一原理相同的雙頻脈沖激光器，雙頻脈沖激光器輸出光脈沖經過分光器件，將中心波長為1532nm的光脈沖序列與中心波長為1555nm的光脈沖序列分成獨立的兩路輸出。將中心波長為1555nm的光作為第一光脈沖序列，經過待測物后，為信號脈沖序列。將中心波長為1532nm的光作為第二光脈沖序列，經過光放大器放大并經過一段普通單模光纖后，·光譜展寬，和信號脈沖序列的光譜發(fā)生交疊，成為參考脈沖序列。信號脈沖序列和參考脈沖序列經過耦合器合波后，經過光電探測器輸出時域的電信號，經過時間軸的變換以及時域-頻域的變換得到待測物的時域光譜信息。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但本發(fā)明保護范圍并不局限于此。任何本領域的技術人員在本發(fā)明公開的技術范圍內，均可對其進行適當的改變或變化，而這種改變或變化都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種光異步采樣信號測量的方法，其特征在于，包括: 步驟1，一個脈沖光源輸出兩種以上不同重復頻率的光脈沖序列，其中具有第一重復頻率fi的光脈沖序列為第一光脈沖序列，具有第二重復頻率f2的光脈沖序列為第二光脈沖序列，Af為第一光脈沖序列和第二光脈沖序列的重復頻率之差，g卩If1-f」； 步驟2，第一光脈沖序列經過信號光路變換為信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過參考光路變換為參考脈沖序列； 步驟3，信號脈沖序列與參考脈沖序列在探測裝置中相互作用，獲得由f\、f2決定的異步采樣信號； 步驟4，對獲得的異步采樣信號進行時間軸變換，變換公式為ΛΤ=Λ τ AfVf1，其中Δ τ為異步采樣信號中的時間長度，AT為實際時間長度，從而得到時域信息，通過時域-頻域變換可得到時域光譜信息。
2.如權利要求1所述的光異步采樣信號測量的方法，其特征在于，步驟2中，第一光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或二倍頻變換后輸入到太赫茲發(fā)射器件，由太赫茲發(fā)射器件產生的太赫茲脈沖序列經過待測物后形成信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或二倍頻變換后變換為參考脈沖序列；步驟3中信號脈沖序列與參考脈沖序列共同輸入到太赫茲接收器件，經過光電探測器檢測得到異步采樣信號；步驟4中，對異步采樣信號進行數據處理，得到太赫茲時域信號和/或時域光譜信息。
3.如權利要求1所述的光異步采樣信號測量的方法，其特征在于，步驟2中第一光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或二倍頻變換后變換為信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或二倍頻變換后變換為參考脈沖序列；步驟3中信號脈沖序列與參考脈沖序列共同輸入到待測物，經過光電探測器檢測信號脈沖序列，得到異步采樣信號；步驟4中，對異步采樣信號進行數據處理，得到待測物的泵浦探測信號。
4.如權利要求1所述的光異步采樣信號測量的方法，其特征在于，步驟2中第一光脈沖序列經過功率放大 、脈沖波形變換、偏振控制和光譜移動后輸入到待測物上，形成信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過功率放大、脈沖波形變換、偏振控制后變換為參考脈沖序列；步驟3中獲得參考脈沖序列與信號脈沖序列之間產生的時域相關信號；步驟4中，對信號進行數據處理，得到待測物的時域光譜信息。
5.如權利要求1所述的光異步采樣信號測量的方法，其特征在于，步驟2中第一光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或波長移動后分為兩路，一路經過定標光路生成定標脈沖序列，另一路經過目標光路生成目標脈沖序列，定標脈沖序列與目標脈沖序列合并成為信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或波長移動生成參考脈沖序列；步驟3中獲得參考脈沖序列與信號脈沖序列之間產生的場強相關信號或光強相關信號；步驟4中，根據相關信號計算信號脈沖序列中目標脈沖與其前面的最近的定標脈沖之間的時間差從而測得目標光路與定標光路間的光程差。
6.如權利要求1所述的光異步采樣信號測量的方法，其特征在于，步驟2中第一光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或波長移動后分為兩路，一路經過定標光路生成定標脈沖序列，另一路經過目標光路生成目標脈沖序列，定標脈沖序列與目標脈沖序列合并成為信號脈沖序列，第二光脈沖序列經過功率控制、脈沖波形變換、偏振控制和/或波長移動生成參考脈沖序列；步驟3中信號脈沖序列和參考脈沖序列進入脈沖作用裝置，信號脈沖序列中與參考脈沖序列的脈沖在時間域上重合的脈沖的特性發(fā)生改變，測量此時的信號脈沖序列得到異步采樣信號；步驟4中，根據異步采樣信號中特性發(fā)生改變的脈沖的時間位置計算信號脈沖序列中目標脈沖與其前面的最近的定標脈沖之間的時間差從而測得目標光路與定標光路間的光程差。
7.一種光異步采樣信號測量的系統(tǒng)，其特征在于，包括: 脈沖光源，輸出兩種以上具有不同重復頻率的光脈沖序列，具有第一重復頻率f；的光脈沖序列為第一光脈沖序列，具有第二重復頻率f2的光脈沖序列為第二光脈沖序列； 信號光路，用于將第一光脈沖序列變換為信號脈沖序列； 參考光路，用于將第二光脈沖序列變換為參考脈沖序列； 探測裝置，用于實現信號脈沖序列和參考脈沖序列的相互作用，獲得異步采樣信號。
8.如權利要求7所述的光異步采樣信號測量的系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖光源只包含一個諧振腔，通過諧振腔中的模式色散、偏振模色散、雙折射或色度色散，實現同時輸出具有兩個不同重復頻率的光脈沖序列。
9.如權利要求7所述的光異步采樣信號測量的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、二倍頻晶體、太赫茲發(fā)射器件和待測物；所述參考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和二倍頻晶體；所述探測裝置包括由電光材料器件和光電探測器構成的太赫茲接收器件或光電導開關構成的太赫茲接收器件。
10.如權利要求7所述的光異步采樣信號測量的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或二倍頻晶體；所述參考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或二倍頻晶體；所述探測裝置包括待測物、濾波器件和光電探測器。
11.如權利要求7所述的光異步采樣信號測量的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件、非線性光學器件、目標光路和待測光路；所述參考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或非線性光學器件；所述探測裝置包括二倍頻晶體、濾波器件和光電探測器。
12.如權利要求7所述的光異步采樣信號測量的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號光路包括光功率放大器，色 散控制器件、偏振控制器件、非線性光學器件、目標光路和待測光路；所述參考光路包括光功率放大器，色散控制器件、偏振控制器件和/或非線性光學器件；所述探測裝置包括脈沖作用裝置，濾波器件和光電探測器。
13.如權利要求12所述的光異步采樣信號測量的系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖作用裝置包括半導體光放大器、飽和吸收體、全光開關和全光邏輯門。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光異步采樣信號測量的方法和系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括一個能夠輸出兩個不同重復頻率的脈沖的光源、信號光路、參考光路和探測裝置，實現光異步采樣信號測量。本發(fā)明只利用一個脈沖光源就能實現光異步采樣信號測量，降低了系統(tǒng)的復雜度和成本。
文檔編號G01J3/28GK103148940SQ20131006279
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月28日 優(yōu)先權日2013年2月28日
發(fā)明者鄭錚, 趙欣, 劉磊, 劉建勝 申請人:北京航空航天大學