一种锁频模块的控制方法及自适应锁频激光器

本技术涉及激光器，尤其涉及一种锁频模块的控制方法及自适应锁频激光器。

背景技术：

1、单频窄线宽激光器输出功率稳定性好、噪声低、相干性优异，在相干探测、高速光通信、分布式光纤传感、高精度激光雷达等领域具有关键需求和广阔应用前景。在航空航天光学系统、高精度气象探测、超精细激光加工等特殊领域，必须将激光输出频率主动锁定到绝对频率参考基准上，即激光器稳频。主动稳频是抑制频率漂移、建立稳定频率标尺、实现高精度观测与加工的核心前提。锁频模块的锁定精度和长期稳定性，直接决定了激光器输出频率的性能。

2、现有技术中激光器锁频方案中，大多未针对锁频模块设置额外调控机制，光学法布里-珀罗（fabry–pérot etalon，f-p）标准具易受温度、振动等环境干扰，导致频率测量偏差和激光器输出频率波动，工作状态不稳定；其次，在较宽温度区间内，f-p标准具透射峰位置随温度偏移，引发频率测量漂移，易导致激光器失锁；最后，多数方案需手动调节，借助频谱分析仪、波长计等外部设备观察频率并手动锁定，过程繁琐，对操作经验要求较高。

技术实现思路

1、本技术提供了一种锁频模块的控制方法及自适应锁频激光器，大幅降低了频率漂移幅度，压缩了整体的结构体积与硬件成本，操作简单，适配更多对体积、成本有要求的应用场景。

2、本技术第一方面提供的锁频模块的控制方法，包括：构建锁频模块的运行参数数据集；其中，运行参数数据集包括权重系数，权重系数由锁频模块基于不同预设温区计算得到；确定相邻两个预设温区的滞回区间；滞回区间包括正向进入阈值和反向退出阈值；获取锁频模块中光学f-p标准具的实时工作温度；基于实时工作温度所处的滞回区间，确定当前对应的目标温区；确定当前待锁频的目标激光源；调用运行参数数据集中，锁频模块对应于目标激光源在目标温区中，光学f-p标准具的最优工作温度，并结合光学f-p标准具的实时工作温度确定温度误差和温度变化率；对温度误差和温度变化率均进行模糊推理和清晰化处理，确定温度修正量；调用运行参数数据集中对应于锁频模块在目标温区的模糊控制权重系数，对温度修正量进行加权处理，并将加权后的修正量叠加至最优工作温度，确定温度设定值；根据温度设定值驱动锁频模块，以将光学f-p标准具的实时工作温度调节至温度设定值。

3、在一些可行的实现方式中，构建锁频模块的运行参数数据集，包括：运行参数数据集包括锁频模块与第一激光源对应的第一基准温度集合、锁频模块与第二激光源对应的第二基准温度集合、第一基准温度集合对应的第一权重系数集合和第二基准温度集合对应的第二权重系数集合；其中，第一基准温度集合包括锁频模块对应于第一激光源在低温区、中温区和高温区下分别对应的最优工作温度，第二基准温度集合包括锁频模块对应于第二激光源在低温区、中温区和高温区分别对应的最优工作温度；第一权重系数集合包括低温区、中温区和高温区对应的第一模糊控制权重系数，第二权重系数集合包括低温区、中温区和高温区对应的第二模糊控制权重系数。

4、在一些可行的实现方式中，确定相邻两个预设温区的滞回区间，包括：设置正向进入阈值和反向退出阈值；结合低温区和中温区的边界值、正向进入阈值和反向退出阈值确定低温区和中温区的低-中滞回区间；结合中温区和高温区的边界值、正向进入阈值和反向退出阈值确定中温区和高温区的中-高滞回区间。

5、在一些可行的实现方式中，基于实时工作温度所处的滞回区间，确定当前对应的目标温区，包括：响应于实时工作温度与所在预设温区对应的滞回区间的边界值的大小关系，进行预设温区的切换，以得到对应的目标温区。

6、在一些可行的实现方式中，对温度误差和温度变化率均进行模糊推理和清晰化处理，确定温度修正量，包括：将温度误差映射至第一模糊语言子集；将温度变化率映射至第二模糊语言子集；基于第一模糊语言子集和第二模糊语言子集，建立模糊控制模型；基于模糊控制模型确定模糊控制量；对模糊控制量进行加权平均清晰化处理，得到温度修正量。

7、在一些可行的实现方式中，对温度修正量进行加权处理，并将加权后的修正量叠加至最优工作温度，确定温度设定值，包括：确定与目标温区对应的目标模糊控制权重系数；目标模糊控制权重系数为第一模糊控制权重系数或第二模糊控制权重系数；将温度修正量乘以目标模糊控制权重系数得到加权修正量，并将加权修正量叠加至最优工作温度，以确定温度设定值。

8、在一些可行的实现方式中，根据温度设定值驱动锁频模块，以将光学f-p标准具的实时工作温度调节至温度设定值，包括：将温度设定值转换为对应的模拟电压；基于模拟电压驱动锁频模块的锁频温控电路和帕尔贴制冷元件，以将光学f-p标准具的实时工作温度调节至温度设定值。

9、在一些可行的实现方式中，锁频模块的控制方法还包括：响应于目标激光源被切换，重复执行确定当前待锁频的目标激光源的步骤。

10、本技术第一方面提供的锁频模块的控制方法，通过运行于处理单元的软件算法对温控系统的温度设定值进行动态整定，在不改变硬件pi控制器固有参数配置的前提下，等效实现了硬件pi控制器的参数随工况动态变化的调节效果，最终实现全性能工作范围的宽温自适应控制。本技术引入了经过结构简化的轻量化模糊智能控制算法，利用模糊控制逻辑对不同工作温区的控制特性进行自适应匹配，叠加各预设温区预先存储的对应权重系数，不同温区对应设置有互不相同的模糊控制输出权重系数，算法将以当前所处温区匹配得到的权重系数对初始的基准设定温度进行补偿整定，最终生成经过动态修正后的温度给定值，再将该修正后的温度给定值送入固定参数的硬件pi控制环路参与闭环调节。当外部环境温度发生变化或激光器需要切换输出不同的激光频率导致工作温区发生偏移时，模糊智能控制算法会自动切换对应温区的权重系数、重新对温度设定值进行整定，整个控制过程中硬件pi环路的参数始终保持不变，即可自动适配不同宽温区的工作特性。在整套控制流程中，硬件部分负责执行高精度的温度稳定控制任务，软件部分负责完成不同工况下的控制参数智能匹配任务，整套方案无需对原有硬件电路结构进行更改调整，在不同硬件平台上的兼容性与可移植性强。

11、本技术第二方面提供的自适应锁频激光器，包括：第一激光源，被配置为输出第一激光；第二激光源，被配置为输出第二激光；第一激光和第二激光的频率不同；双频激光切换单元，一端分别与第一激光源和第二激光源相连，被配置为在第一激光和第二激光之间切换，以输出目标激光；锁频模块，与双频激光切换单元的另一端相连，被配置为对目标激光进行频率锁定；激光频率检测电路，与锁频模块相连，被配置为采集目标激光透过锁频模块后的光信号，并将其转换为电信号输出；激光频率控制模块，分别与第一激光源和第二激光源相连，被配置为调整目标激光源的激光的输出频率；控制器，分别与锁频模块、激光频率检测电路和激光频率控制模块相连。

12、在一些可行的实现方式中，自适应锁频激光器还包括隔离耦合器和放大级；锁频模块包括光学f-p标准具、第一光电探测器、第二光电探测器、第一温度传感器、第二温度传感器、锁频温控电路和帕尔贴制冷元件；其中，隔离耦合器的第一端口与双频激光切换单元相连，隔离耦合器的第二端口与光学f-p标准具相连，第一光电探测器与激光频率检测电路相连；光学f-p标准具的另一端与第二光电探测器相连，第二光电探测器背离光学f-p标准具的一端与激光频率检测电路相连；第一温度传感器与控制器相连，第二温度传感器分别连接帕尔贴制冷元件和锁频温控电路；锁频温控电路还分别与控制器和帕尔贴制冷元件相连；隔离耦合器的第三端口与放大级相连。

13、本技术第二方面提供的自适应锁频激光器通过集成针对双频激光设计的共享式f-p标准具锁频模块，配合分级温度采集与闭环温控电路，既能够实现两种不同频率激光的共用锁频控制，无需为每个激光源单独配置锁频结构，也能有效抵消环境温度波动以及激光发热对光学f-p标准具的谐振特性影响，将不同频率激光的输出频率始终稳定锁定在预设工作点，大幅降低了激光输出的频率漂移幅度，同时还压缩了激光器整体的结构体积与硬件成本，操作简单，适配更多对体积、成本有要求的应用场景。