一种面向长期锁定的激光器多环路协同控制方法及系统

本发明涉及激光稳频，具体而言，涉及一种面向长期锁定的激光器多环路协同控制方法及系统。

背景技术：

1、激光器的长期频率稳定性是精密测量、量子传感、光通信等领域的重要指标。在现有技术中，稳频系统常采用多个执行器（如电流、压电陶瓷pzt等）独立响应同一个鉴频误差信号。然而，由于各执行器的响应带宽差距巨大，快速环路中的瞬时调整会通过共享的误差信号路径直接扰动慢速环路，导致环路间相互耦合，限制长期锁定性能。

2、为了解决激光稳频系统中的多环路耦合问题，现有技术（cn118825767a号专利）提出将控制单元集成于片上系统，并采用两级pid的串级结构：第一级pid运算输出pzt反馈控制信号，实现快速调制；第二级pid以第一级pid的输出作为输入，输出温度反馈控制信号，实现慢速调制。该结构在一定程度上实现了环路解耦。但在长期运行中，受环境温度漂移等因素影响，温度晶体作为外环执行器，其控制量会持续向边界攀升，最终超出可控范围而引发失锁。该专利的应对策略是：额外增设一路更大动态范围的输出通道，当检测到温度晶体的控制信号逼近饱和边界时，通过该通道对温度晶体进行溢出补偿，以将其从饱和边缘拉回。

3、然而，这种溢出补偿架构存在固有局限：第一，它是一种事件驱动的被动补救机制，仅在温度晶体逼近饱和时才触发补偿，而非实时协同控制；第二，补偿过程本质上是控制通道的介入与退出，可能引入瞬态扰动，影响锁定连续性。特别是对于法拉第激光器等pzt调谐极度敏感的激光器，外环控制量的频繁补偿动作会通过串级链路传导至内环，严重影响系统的长期锁定鲁棒性。

4、因此，亟需一种能够缓解执行器饱和、无需控制通道切换、实现全时协同的多环路控制方法，以应对上述挑战。

技术实现思路

1、本发明针对现有激光稳频技术中长期锁定易受执行器饱和及环路耦合影响的问题，提出一种面向长期锁定的激光器多环路协同控制方法及系统。该方法通过重新定义控制环路间的协同逻辑，将外环的控制目标从“直接纠正频率偏差”转变为“以最优方式维持内环控制输出在最佳工作点”，并通过异构硬件架构实现三级pid的差异化部署，以解决长期锁定的难题。

2、根据本技术实施例的第一方面，提供一种面向长期锁定的激光器多环路协同控制方法，包括：

3、生成与激光频率偏差相关的鉴频信号；

4、将所述鉴频信号输入第一控制器，以所述鉴频信号的过零点为第一设定点，生成用于驱动激光器第一执行器的第一控制信号；

5、将所述第一控制信号输入第二控制器，以所述第一控制信号的零点为第二设定点，生成用于驱动激光器第二执行器的第二控制信号；

6、将所述第二控制信号输入第三控制器，以所述第二控制信号偏离其线性工作区中心值的偏差量为输入，以所述线性工作区中心值为第三设定点，生成用于驱动激光器第三执行器的第三控制信号；

7、其中，所述第一执行器、第二执行器、第三执行器的响应带宽依次递减，动态范围依次递增。

8、进一步地，所述第一执行器为激光器注入电流控制单元，所述第二执行器为压电陶瓷（pzt）驱动单元，所述第三执行器为温度控制单元（tec）。

9、进一步地，所述第一控制器的控制带宽在mhz量级，所述第二控制器的控制带宽在khz量级，所述第三控制器的控制带宽在hz量级或以下。

10、进一步地，所述第一控制器采用固定参数或可调参数的增量式pid算法，以纯硬件逻辑方式在片上系统的fpga侧实现，通过多级流水线架构保证最高采样频率下的实时性。

11、进一步地，所述第二控制器采用模糊pid控制器，在片上系统的fpga侧实现；所述模糊pid控制器的输入为所述第一控制信号及其变化率，输出为pid参数的修正量；其隶属度函数在零点附近区域采用高斯函数实现精细调节，在远离零点区域采用三角函数实现快速响应。

12、进一步地，所述第三控制器在片上系统的arm处理器侧以软件方式实现；其参数配置为对输入信号的小幅波动具有较低灵敏度，以缓慢、平滑的方式响应长期漂移。

13、进一步地，所述鉴频信号基于调制转移谱（mts）技术生成，通过探测透射过原子气室的激光信号，经数字解调后获得。

14、进一步地，所述数字解调在片上系统的fpga侧完成，使用cordic算法产生dds参考信号，经混频和低通滤波后提取鉴频信号。

15、根据本技术实施例的第二方面，提供一种面向长期锁定的激光器多环路协同控制系统，包括：

16、鉴频信号生成模块，用于生成与激光频率偏差相关的鉴频信号；

17、第一控制模块，部署于片上系统的fpga侧，配置为以所述鉴频信号的过零点为第一设定点，接收所述鉴频信号并生成第一控制信号，以驱动激光器的第一执行器；

18、第二控制模块，部署于片上系统的fpga侧，配置为以所述第一控制信号的零点为第二设定点，接收所述第一控制信号并生成第二控制信号，以驱动激光器的第二执行器；

19、第三控制模块，部署于片上系统的arm处理器侧，配置为以所述第二控制信号偏离其线性工作区中心值的偏差量为输入，以所述线性工作区中心值为第三设定点，接收所述第二控制信号并生成第三控制信号，以驱动激光器的第三执行器；

20、其中，所述第一执行器、第二执行器、第三执行器的响应带宽依次递减，动态范围依次递增。

21、本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

22、第一，三级零化控制协同架构，缓解了执行器饱和风险。每一层外环的输入均为内环的输出，每一层外环的设定点均为内环控制信号的最佳工作点（零点或线性工作区中心值）。温度环确保pzt控制量维持在中心值，pzt环确保电流控制量归零，电流环专注于高频噪声抑制。三级环路逐级分担负荷，从根源上缓解了任一执行器的饱和风险。

23、第二，异构硬件架构实现差异化部署。第一控制器以纯硬件流水线方式在fpga侧实现，确保mhz级控制带宽下的确定性实时响应；第二控制器在fpga侧实现，利用较长的控制周期引入模糊pid，实现自适应调节；第三控制器在arm侧以软件方式实现，充分利用arm的灵活性和低负载特性，便于参数在线调整。异构分工在有限硬件资源下实现了三级环路的性能最大化。

24、第三，模糊pid隶属度函数与物理控制目标深度绑定。第二控制器的隶属度函数在零点附近采用高斯函数实现精细微调，在远离零点区域采用三角函数实现快速响应，并在过渡区间采用非对称设计以平衡调节力度与防超调。该设计将“快速归零、平稳锁定”的控制目标直接嵌入隶属度函数设计之中。

25、第四，温度环的惰性响应设计。第三控制器针对温度执行器的热惯性，刻意设计为对小幅波动不敏感、响应速度较慢、以长时间累积方式消除静态偏差，避免温度调节动作本身引入新的频率扰动，特别适用于法拉第激光器等对温度变化极为敏感的激光系统。

26、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。