本發(fā)明屬于數(shù)字信號處理，尤其涉及一種用于光模塊和鎖相環(huán)模塊適配的輔助鎖相裝置及使用方法。

背景技術：

1、電流調(diào)制分布式反饋半導體激光器產(chǎn)生調(diào)頻連續(xù)波是目前最為經(jīng)濟、方便、簡單的激光雷達源產(chǎn)生方案，但該方案存在著眾多需要解決的問題例如掃頻非線性、源相位噪聲等。掃頻非線性是指調(diào)制信號和輸出瞬時頻率之間由于激光器內(nèi)部的熱效應和載流子效應競爭所引入的非線性映射，即輸入線性的調(diào)制信號輸出非線性的瞬時頻率。掃頻非線性會影響相干距離內(nèi)的測距精度，掃頻非線性大，相干距離內(nèi)測距峰不明顯；掃頻非線性小，相干距離內(nèi)測距峰尖銳。源相位噪聲主要影響相干測量距離，源相位噪聲越大，相干距離越短；反之，源相位噪聲越小，相干距離越長。

2、優(yōu)化激光器熱設計或外部預失真方案可以很好的改善掃頻非線性，很多的相關的研究中掃頻非線性已經(jīng)降低至10-7量級。但目前分布式反饋半導體激光器的線寬是幾百khz到mhz量級，對于較遠的測量應用來說，該激光器并不能很好的滿足需求。因此，為了有效的改善源的相位噪聲的特性，可以采用光學鎖相環(huán)方案。然而鎖相環(huán)和光模塊的配合通常比較麻煩，例如環(huán)路延時，環(huán)路帶寬等參數(shù)需要根據(jù)光模塊的不同而重新設計，這就增加了鎖相環(huán)的成本，降低了鎖相環(huán)技術的普適性與兼容性。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決光模塊和鎖相環(huán)模塊的適配問題，提供一種用于光模塊和鎖相環(huán)模塊適配的輔助鎖相裝置及使用方法。

2、本發(fā)明采用如下技術方案：

3、一種用于光模塊和鎖相環(huán)模塊適配的輔助鎖相裝置，包括調(diào)頻連續(xù)波產(chǎn)生源、馬赫-曾德爾干涉儀、平衡光電探測器、功率分配器、輔助鎖相環(huán)模塊、光學鎖相環(huán)。

4、調(diào)頻連續(xù)波產(chǎn)生源，用于產(chǎn)生激光信號，并輸出；

5、馬赫-曾德爾干涉儀，包括光纖型耦合器、光纖延時線，光纖型耦合器接收激光信號并通過光纖延時線傳輸給平衡光電探測器；

6、平衡光電探測器，接收激光信號，并將激光信號轉換成拍頻電信號輸出至功率分配器；

7、功率分配器，接收平衡光電探測器輸出的電信號，并將電信號分為兩路分別送入輔助鎖相環(huán)模塊和光學鎖相環(huán)中；

8、輔助鎖相環(huán)模塊，分為兩路結構，其中一路包括射頻開關、比較器模塊、求倒數(shù)模塊、過零檢測模塊、任意函數(shù)發(fā)生器ⅰ；另一路包括頻率噪聲功率譜密度統(tǒng)計模塊、比較器模塊、任意函數(shù)發(fā)生器ⅰ；

9、射頻開關為共用器件，一側與功率分配器電連接，另一側連接過零檢測模塊和頻率噪聲功率譜密度統(tǒng)計模塊，用于切換輔助鎖相環(huán)模塊的兩種結構，使其接通或關斷一路結構；

10、其中，一路結構中：

11、過零檢測模塊，用于檢測出拍頻信號的過零點儲存，并輸出至求倒數(shù)模塊；

12、求倒數(shù)模塊，根據(jù)過零點序數(shù)的差值求解出拍頻信號的頻率，并輸出至比較器模塊；

13、任意函數(shù)發(fā)生器ⅰ，用于產(chǎn)生參考信號；

14、比較器模塊，將任意函數(shù)發(fā)生器ⅰ參考信號頻率和求倒數(shù)模塊輸出的拍頻信號頻率比較，產(chǎn)生一個控制電壓用于控制光學鎖相環(huán)環(huán)路的可調(diào)增益模塊的增益大??；

15、另一種結構中：

16、頻率噪聲功率譜密度統(tǒng)計模塊，用于統(tǒng)計拍頻電信號的功率噪聲功率譜密度，并將統(tǒng)計值輸出至比較器模塊；

17、任意函數(shù)發(fā)生器ⅰ，用于產(chǎn)生參考信號的頻率噪聲功率譜密度統(tǒng)計；

18、比較器模塊，將頻率噪聲功率譜密度統(tǒng)計模塊輸出的統(tǒng)計值與任意函數(shù)發(fā)生器ⅰ輸出的參考信號的頻率噪聲功率譜密度統(tǒng)計值進行比較，產(chǎn)生控制電壓用于控制光學鎖相環(huán)環(huán)路的可調(diào)增益模塊的增益大?。?/p>

19、光學鎖相環(huán)，包括任意函數(shù)發(fā)生器ⅱ、混頻器、可調(diào)增益模塊、積分器；

20、任意函數(shù)發(fā)生器ⅱ，用于產(chǎn)生參考信號；

21、混頻器，接收任意函數(shù)發(fā)生器ⅱ產(chǎn)生的參考信號和功率分配器輸入的拍頻電信號，并將兩種信號混頻產(chǎn)生誤差信號；

22、可調(diào)增益模塊，接收誤差信號，調(diào)整誤差信號增益并輸出至積分器；

23、積分器，接收調(diào)整增益后的誤差信號，并對該信號積分處理后送入調(diào)頻連續(xù)波產(chǎn)生源。一實施例中，調(diào)頻連續(xù)波產(chǎn)生源為電流調(diào)制分布式反饋半導體激光器，其偏置電流為200ma，調(diào)制幅度為20ma，調(diào)制周期為2.5khz，調(diào)制波形為三角波。調(diào)頻連續(xù)波產(chǎn)生源輸出功率為60mw，整個源工作溫度為20℃。

24、一實施例中，光纖延時線的長度為10m。

25、一實施例中，平衡光電探測器的帶寬為dc-500mhz，輸入平衡光電探測器光功率為10μw，平衡光電探測器的固定增益為20db。

26、一實施例中，功率分配器的分配比為5:5，帶寬為dc-100mhz。

27、一實施例中，混頻器的帶寬為40khz-400mhz。任意函數(shù)發(fā)生器ⅱ的輸出幅度為4.74vpp。可調(diào)增益模塊，根據(jù)驅(qū)動電壓的大小增益在80db內(nèi)可調(diào)。積分器，積分時間為10khz。

28、一種用于光模塊和鎖相環(huán)模塊適配的輔助鎖相裝置使用方法，包括：

29、基于過零檢測實現(xiàn)鎖相

30、步驟1.調(diào)頻連續(xù)波產(chǎn)生源產(chǎn)生激光光源，并通過馬赫-曾德爾干涉儀后進入平衡光電探測器；

31、步驟2.平衡光電探測器輸出的拍頻信號進入到輔助鎖相環(huán)模塊中；

32、步驟3.在輔助鎖相環(huán)模塊中，經(jīng)過過零檢測模塊檢測輸出時間序列中的零點并記錄零點對應的時間，存儲零點時間的信號后被送入到求倒數(shù)模塊；

33、步驟4.在求倒數(shù)模塊中，求解出頻率隨時間變化的曲線，該曲線與函數(shù)發(fā)生器ⅰ產(chǎn)生的參考頻率信號在比較器模塊內(nèi)比較產(chǎn)生隨時間變化的電壓信號；

34、參考頻率信號的頻率為：

35、

36、其中,fideal是參考信號的頻率值，b是調(diào)頻連續(xù)波的掃頻寬度，tperiod是調(diào)頻連續(xù)波調(diào)制周期，當調(diào)制信號為鋸齒波時，tperiod是一個周期的時間，調(diào)制信號為三角波時，tperiod是半個周期的時間，n是馬赫-曾德爾干涉儀中光纖延時線的介質(zhì)折射率，l是馬赫-曾德爾干涉儀中光纖延時線長度，c是真空光速；

37、步驟5.最后電壓信號被反饋回光學鎖相環(huán)中的可調(diào)增益模塊，用于調(diào)節(jié)增益從而實現(xiàn)鎖相。

38、一種用于光模塊和鎖相環(huán)模塊適配的輔助鎖相裝置使用方法，包括：

39、方法二.基于噪聲系數(shù)檢測實現(xiàn)鎖相法

40、步驟1.調(diào)頻連續(xù)波產(chǎn)生源產(chǎn)生激光光源，并通過馬赫-曾德爾干涉儀后進入平衡光電探測器；

41、步驟2.平衡光電探測器輸出的拍頻信號進入到輔助鎖相環(huán)模塊中；

42、步驟3.在輔助鎖相環(huán)模塊內(nèi)，先經(jīng)過頻率噪聲功率譜密度統(tǒng)計模塊的統(tǒng)計，在統(tǒng)計過程中拍頻信號會經(jīng)過周期切割、多項式擬合、扣除平均值、快速傅里葉變換、選擇帶寬積分5個步驟的處理，輸出當前的頻率噪聲值；

43、步驟4.步驟3中輸出的當前頻率噪聲值與理論設計的同類型光學鎖相環(huán)標準頻率噪聲值在比較器模塊中比較，并產(chǎn)生動態(tài)電壓調(diào)整光學鎖相環(huán)的環(huán)路增益，實現(xiàn)最終鎖定；

44、理論設計的光學鎖相環(huán)標準頻率噪聲值，由下式(2)給出：

45、

46、其中，是理論設計的光學鎖相環(huán)在一定環(huán)路帶寬內(nèi)的頻率噪聲值平方，積分上下限dc-bw是統(tǒng)計噪聲帶寬，f表示頻率，δv是標準頻率寬度，gopll是理論設計的光學鎖相環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)，在設計過程中它被表示為(3)式：

47、

48、i是虛數(shù)，fsl激光器傳遞函數(shù)，截止頻率為100khz-10mhz左右，k是環(huán)路增益，τ是環(huán)路延時，τ1是馬赫-曾德爾干涉儀中延時線對應的延時時間。

49、本發(fā)明的有益效果：

50、1.提供了一種自動化的鎖相環(huán)環(huán)路增益控制方法，包括兩種可供實現(xiàn)的模塊結構。

51、2.利用該主動鎖相技術可以自動完成光模塊和鎖相環(huán)模塊的適配。

52、3.在大批量激光雷達模塊生產(chǎn)場景中，降低了鎖相環(huán)環(huán)路的設計難度，節(jié)省了人工調(diào)試成本。