1.一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法,其特征在于:
1)将可调谐激光器(17)发出的可调谐激光和飞秒光频梳(14)发出的激光经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,fa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,t表示时间;
然后将拍频信号S(t)与一对正交的参考信号(sin(2πfbt),cos(2πfbt))相乘,并进行低通滤波处理获得正交信号(P(t),Q(t)),表示如下:其中,LPF[]表示低通滤波运算,fb表示参考信号的频率,Δf表示拍频信号与参考信号的频差,A表示信号幅值,sin(2πfbt)与cos(2πfbt)分别为参考信号的正弦参考分量、余弦参考分量,P(t)与Q(t)分别为正交信号的余弦正交分量、正弦正交分量,t表示时间;
2)通过坐标旋转运算对正交信号(P(t),Q(t))进行反正切计算获得小数相位差θw(t),并进行平方和开方运算获得幅值A(t),表示如下:其中,mod2π[]表示余数关系,公式中表示小数相位差θw(t)等于相位差 对2π的余数,小数相位差θw(t)的范围为‑π至π;
3)对小数相位差θw(t)进行相位解缠绕运算,当小数相位差θw(t)连续变化时,记录相邻两次之间变化幅度达到2π的次数N,N初始值为零,当小数相位从π跳变至‑π时,N数值加一,当从小数相位从‑π跳变至时π,N数值减一,从而获得解缠绕相位差θu(t),表示如下:
4)通过增益控制对解缠绕相位差θu(t)进行K倍缩放,再通过数模转换转换为误差电压信号E(t),表示如下:
E(t)=VK·θu(t)
其中,K表示缩放系数,V表示数模转换系数;
5)获得误差电压信号E(t)后,模拟PID控制器通过模拟电路进行比例积分处理,输出控制电压至可调谐激光器(17)的PZT控制端开始闭环控制;
闭环控制时,误差电压信号E(t)快速降低至零,此后,解缠绕相位差θu(t)=0,即拍频信号与参考信号的频差与相位差均为零,可调谐激光器(17)与飞秒光频梳(14)的梳齿间保持恒定的频差,实现偏频锁定。
2.用于实施权利要求1所述方法的一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理的装置,其特征在于:
装置包括模数采样器(1)、数字控制振荡器(2)、第一乘法器(3)、第二乘法器(4)、第一低通滤波器(5)、第二低通滤波器(6)、坐标旋转运算器(7)、相位解缠绕运算器(8)、增益控制器(9)、数模转换器(10)、快速傅里叶运算器(11)、频率计数器(12)、ARM处理器(13)、飞秒光频梳(14)、拍频信号探测单元(15)、可调谐激光器(17)、计算机(18)、模拟PID控制器(19);可调谐激光器(17)和飞秒光频梳(14)的输出端连接输入到拍频信号探测单元(15),拍频信号探测单元(15)的输出端连接输入到模数采样器(1),模数采样器(1)的输出端分别连接输入到第一乘法器(3)和第二乘法器(4),数字控制振荡器(2)的输出端也分别连接输入到第一乘法器(3)和第二乘法器(4),第一乘法器(3)、第二乘法器(4)的输出端分别经第一低通滤波器(5)、第二低通滤波器(6)后连接输入到坐标旋转运算器(7)中,坐标旋转运算器(7)的输出端分别连接输入到相位解缠绕运算器(8)和ARM处理器(13)的一个输入端,相位解缠绕运算器(8)的输出端依次经增益控制器(9)、数模转换器(10)后连接输入到模拟PID控制器(19)的一个输入端,模拟PID控制器(19)的输出端连接输入到可调谐激光器(17)的控制端;同时模数采样器(1)的输出端分别再经快速傅里叶运算器(11)、频率计数器(12)连接输入到ARM处理器(13)的另外两个输入端,ARM处理器(13)的输出端连接计算机(18),计算机(18)的两个输出端分别连接到可调谐激光器(17)和模拟PID控制器(19)。
3.根据权利要求2所述的一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理的装置,其特征在于:还包括原子钟(16),主要由数字控制振荡器(2)、第一乘法器(3)、第二乘法器(4)、第一低通滤波器(5)、第二低通滤波器(6)、坐标旋转运算器(7)、相位解缠绕运算器(8)、增益控制器(9)、数模转换器(10)、快速傅里叶运算器(11)、频率计数器(12)和ARM处理器(13)共同构成了FPGA开发板,原子钟(16)分别连接到飞秒光频梳(14)和FPGA开发板。
4.根据权利要求2所述的一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理的装置,其特征在于:所述的数字控制振荡器(2)连接到原子钟(16),数字控制振荡器(2)输出的参考信号频率溯源至原子钟(16)。
5.根据权利要求2所述的一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理的装置,其特征在于:可调谐激光器(17)的激光与飞秒光频梳(14)的激光输入拍频信号探测单元(15),拍频信号探测单元(15)输出信号至模数采样器(1),模数采样器(1)将拍频信号采集后输入FPGA开发板;在FPGA开发板内,通过第一乘法器(3)、第二乘法器(4)将拍频信号与数字控制振荡器(2)输出的参考信号相乘,再通过第一低通滤波器(5)、第二低通滤波器(6)对相乘后的乘积结果进行低通滤波处理,获得正交信号;坐标旋转运算器(7)对正交信号进行反正切运算以及平方和与开方运算,获得小数相位差和幅值;坐标旋转运算器(7)输出的小数相位差传输至相位解缠绕运算器(8)获得解缠绕相位差,再通过增益控制器(9)进行缩放后经数模转换器(10)产生误差电压信号,并输入到模拟PID控制器(19);同时通过快速傅里叶运算器(11)和频率计数器(12)对拍频信号进行处理获得拍频信号的信噪比与频率,拍频信号的信噪比与频率与坐标旋转运算器(7)输出的幅值一起传输至ARM处理器(13);ARM处理器(13)将接收的数据传输至计算机(18),计算机(18)控制可调谐激光器(17)进行频率预调整,完成预调整后控制模拟PID控制器(19)启动闭环控制;模拟PID控制器(19)根据数模转换器(10)输出的误差电压信号和计算机(18)输出的频率预调整信号进行比例积分处理,输出控制电压至可调谐激光器(17)进行闭环控制,将拍频信号与参考信号之间的相位差快速锁定至零,实现偏频锁定,锁定后可调谐可调谐激光器(17)与飞秒光频梳(14)的梳齿频差、相位均为恒定值。