低抖动GHz激励同步与校准延时频闪复锁相重构系统及方法与流程

本发明涉及超高频微振动测量和飞秒激光同步电子学，具体地，涉及一种低抖动ghz激励同步与校准延时频闪复锁相重构系统及方法。尤其地，涉及一种基于飞秒光梳的低抖动ghz激励同步与校准延时频闪复锁相重构系统及方法。本发明可用于飞秒频闪数字全息、飞秒脉冲干涉测振、泵浦-探测测量、光电同步射频激励、微纳机电系统全场振动测量、声学器件模态诊断和超高频相位同步测试，尤其适用于对工作在数百mhz至数十ghz频段的mems/nems、fbar、baw、xbar、saw、pmut、光声耦合器件、声子晶体和量子声学器件进行全场幅值、相位和模态分布测量。

背景技术：

1、随着5g/6g射频前端、片上声学、量子声学和高频传感的发展，越来越多微纳机电器件工作在ghz频段。此类器件的振动周期可低至数十皮秒量级甚至更短，振动幅值通常下降至皮米或飞米量级。传统电学测试能够获得s参数、阻抗谱和谐振频率等整体信息，但难以揭示器件内部真实的声学模式、局部能量泄漏、杂散模态和边界散射。因此，需要能够在ghz以上频段实现高灵敏度、非接触和全场成像的测量技术。

2、现有针对ghz级声场或微振动场的测量技术主要包括扫描式激光多普勒测振、扫描式零差或外差干涉测量、超快泵浦-探测测量、布里渊散射测量、同步辐射x射线衍射成像、微波阻抗显微和扫描电子显微等方法。这些方法通常依赖的系统复杂、测量时间长，且难以直接获得工程器件工作状态下的全场定量位移。频闪全息测量方法能够利用面阵相机记录待测器件在特定振动相位下的全场干涉图像，是实现微纳器件全场动态测量的重要路线。频闪全息微振动测量的动态时延采样与时空联合处理方法，通过对同步脉冲光进行可控延时步进，并结合时间维度单频提取和空间维度滤波，可实现100mhz级别的mems器件皮米级全场振动信号的提取。然而，当测量对象进一步进入ghz至数十ghz频段时，器件振动周期缩短至百皮秒、数十皮秒甚至更短，纳秒或亚纳秒脉冲光源的时间门宽、触发抖动以及普通电子同步链路的相位噪声将显著限制频闪定格精度，因此需要引入使用皮秒或飞秒激光作为具有足够窄脉宽的频闪光源。

3、飞秒激光脉冲列在时域上表现为稳定的短脉冲序列，在频域上表现为等间隔的光频梳。每个飞秒脉冲可以被视为一个极窄的时间采样门。当待测器件的电激励信号与飞秒脉冲列严格相干锁定时，器件在每个光脉冲到达瞬间处于相同或可控变化的振动相位，从而可在相机长曝光条件下实现对超高频振动的频闪冻结。

4、与纳秒脉冲激光器不同，飞秒振荡器内部脉冲循环由锁模腔决定，通常不能由外部电子信号按需触发。因此，在飞秒频闪测量中，同步方向不是利用电信号触发光脉冲，而是由飞秒光脉冲列产生电学参考时钟，再由该参考时钟合成器件激励信号。如果同步电子链路不能保持足够低的附加抖动，或者高频激励相位不能相对于飞秒脉冲列精确控制，则频闪冻结会产生相位模糊和幅值平均，直接降低皮米级振动测量精度。

5、现有频闪全息技术可通过动态时延采样将微弱振动信号调制到序列维度的单频分量，并结合时域单频提取和空间滤波降低噪声。然而，已有方案面向百mhz量级或采用外部可触发脉冲光源，其延时步进常按理想等间隔处理。当测量带宽延伸到数ghz至数十ghz时，一方面，飞秒激光具有稳定的重复频率特性，外部触发方法无法继续使用；另一方面，超高频下皮秒级延时误差会被放大为显著相位误差。可编程延时线、直接数字频率合成器、相移器、比较器、传输线、连接器、温度漂移和pll相位同步过程均可能引入非线性延时和残余抖动。在高频测量时将出现主谱线塌陷、频谱泄漏、振幅压缩和相位偏差。

6、因此，亟需一种能够以飞秒光梳为主时钟、低抖动产生ghz激励、精确控制频闪相位并将真实延时标定结果直接引入全场复振动重构的同步电子学和编码解调方法。该方法应当既能兼容飞秒全息全场测量，又能兼容点式脉冲干涉或其他需要飞秒光电同步的超高频测量系统。

7、专利申请文献cn112763083a公开了一种皮秒级脉冲产生器波形参数测量装置及方法，包括微波信号源、数据采集与分析模块和匹配终端，微波信号源的信号输出端和数据采集与分析模块连接，微波信号源的10mhz参考信号输出端依次通过功分器、超快脉冲产生器、适配器、电光采样探头与匹配终端相连；功分器通过激光器重复频率锁定模块连接有飞秒激光器，飞秒激光器的光输出端输出的空间飞秒激光激励放置于电光采样探头的缝隙中；电光采样探头的信号输出端通过偏振光分束器、平衡光电探测器、电流放大器与数据采集与分析模块相连。然而该专利无法完全解决目前存在的技术问题，也无法满足本发明的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低抖动ghz激励同步与校准延时频闪复锁相重构系统及方法。

2、根据本发明提供的低抖动ghz激励同步与校准延时频闪复锁相重构系统，包括：

3、飞秒光电参考时钟提取模块：用于从飞秒激光脉冲列中提取与飞秒激光脉冲频率相干的电学参考信号；

4、低噪声时钟整形模块：其输入端与所述飞秒光电参考时钟提取模块的输出端连接，用于将所述电学参考信号整形为低抖动的数字时钟；

5、可编程延时/相位偏移模块：其输入端与所述低噪声时钟整形模块的输出端连接，用于对所述数字时钟施加可控的相对延时或相位偏移，得到参考时钟；

6、相干ghz激励合成模块：其输入端与所述可编程延时/相位偏移模块的输出端连接，用于根据经过延时或相位偏移的参考时钟，生成与飞秒光梳相位锁定的ghz激励信号；

7、延时标定与查找表模块：其与所述可编程延时/相位偏移模块连接，用于测量并存储延时控制码与真实延时时刻之间的对应关系，以生成延时查找表；

8、同步状态监测模块：其输入端与所述相干ghz激励合成模块的输出端连接，用于监测参考时钟、延时后参考时钟、ghz激励信号之间的相位关系；

9、全息序列采集接口模块：其与所述可编程延时/相位偏移模块及所述同步状态监测模块连接，用于根据延时控制码的切换和相位同步状态，控制图像采集设备采集频闪图像序列；

10、非等间隔复锁相重构模块：其输入端与所述全息序列采集接口模块及所述延时标定与查找表模块连接，用于根据所述延时查找表确定每一帧图像对应的真实采样时刻，并据此对所述频闪图像序列进行非等间隔复锁相重构。

11、优选地，所述飞秒光电参考时钟提取模块包括依次连接的高速光电探测器、射频带通滤波器和低噪声放大器；

12、所述高速光电探测器用于将飞秒激光脉冲列转换为包含激光重复频率及其谐波的电信号；所述射频带通滤波器用于从该电信号中选取预设谐波分量；所述低噪声放大器用于提高参考信号的信噪比并提供过零斜率。

13、优选地，所述低噪声时钟整形模块包括交流耦合网络、偏置网络、阻抗终端和高速比较器；

14、所述交流耦合网络的输入端连接所述飞秒光电参考时钟提取模块的输出端，所述交流耦合网络的输出端连接所述偏置网络的输入端，所述偏置网络的输出端连接所述高速比较器的输入端，所述阻抗终端设置于所述高速比较器的输入端；所述交流耦合网络用于隔离输入信号的直流分量，所述偏置网络用于为所述高速比较器提供直流偏置电压，所述阻抗终端用于实现输入阻抗匹配，所述高速比较器用于将经过交流耦合和偏置后的参考信号与稳定阈值进行比较，以输出整形后的数字时钟。

15、优选地，所述可编程延时/相位偏移模块包括数字延时芯片、模拟延时电路、延时锁定环、数字相位插值器、射频移相器、矢量调制器、可调传输线、直接数字频率合成器dds相位累加器或其组合；

16、所述数字延时芯片、模拟延时电路、延时锁定环和数字相位插值器用于对输入信号施加时间延迟，所述射频移相器、矢量调制器、可调传输线和dds相位累加器用于对输入信号施加相位偏移；所述数字延时芯片、模拟延时电路、延时锁定环、数字相位插值器、射频移相器、矢量调制器、可调传输线和dds相位累加器中的一种或多种串联连接于所述可编程延时/相位偏移模块的输入端与输出端之间；所述可编程延时/相位偏移模块由控制器输出的延时或相位移动控制码控制，并在每个采样步骤或每组采样步骤中切换延时值或相位偏移值。

17、优选地，所述相干ghz激励合成模块包括整数n锁相环、分数n锁相环、宽带频率合成器、直接数字频率合成器dds、直接数字合成-混频链、梳状谐波选择器、有源倍频器、无源倍频器、注入锁定振荡器、光电混频器或其组合；

18、所述整数n锁相环、分数n锁相环、宽带频率合成器、dds、直接数字合成-混频链用于根据输入的参考时钟产生预设频率的射频信号，所述梳状谐波选择器、有源倍频器、无源倍频器、注入锁定振荡器和光电混频器用于对所述射频信号进行频率扩展或频率变换；所述整数n锁相环、分数n锁相环、宽带频率合成器、dds、直接数字合成-混频链、梳状谐波选择器、有源倍频器、无源倍频器、注入锁定振荡器和光电混频器中的一种或多种依次串联连接于所述相干ghz激励合成模块的输入端与输出端之间；所述相干ghz激励合成模块生成的目标激励频率满足或的相干频率关系，其中n为整数或有理数，为频率偏移量为飞秒激光脉冲列的重复频率。

19、优选地，所述延时标定与查找表模块通过高速示波器边沿统计、锁相放大器、矢量网络分析仪相位斜率测量、iq混频相位测量、时间间隔分析仪、采样示波器、双通道比较、互相关算法或相位噪声分析仪获得标定数据；标定结果存储为延时查找表、分段多项式、样条函数、温度补偿模型或多维校准矩阵；所述延时查找表表示为，其中d为延时控制码，t为温度，v为供电或输入幅度，f为参考频率或激励频率，ch为通道编号。

20、优选地，对于第k个采样步骤，所述延时标定与查找表模块根据延时控制码查表得到真实采样时刻，或得到在振动周期内的等效相位；其中，为第k个采样步骤的真实采样时刻，为延时，为系统初始相位或固定延时引起的初始时刻偏移，为第k个采样步骤在振动周期内的等效采样相位，为目标振动角频率，为系统初始相位或固定相位偏置。

21、优选地，当测量对象为二维全息复场序列时，设为第k帧经过单幅全息重构、参考校正、背景扣除或归一化处理后的像素复场值，目标振动角频率为，则所述非等间隔复锁相重构模块构造非等间隔复锁相核，并计算匹配滤波结果：；其中为权重系数，为归一化系数，为第k帧对应的非等间隔复锁相核，i为虚数单位，为自然指数函数，为重构得到的全场复振动幅值。

22、优选地，所述非等间隔复锁相重构模块采用最小二乘形式对每个像素点建立观测模型，或者建立包含目标频率、直流项、漂移项、谐波项和噪声项的矩阵模型，通过加权最小二乘、正则化最小二乘、鲁棒回归、非均匀dft、nufft、卡尔曼滤波或贝叶斯估计求解复振动系数；其中，为第k个采样点的观测值，为正频率分量的复振幅系数，为负频率分量的复振幅系数，为直流项或常数偏置项，为第k个采样点的噪声项，为所有采样点观测值构成的向量，为观测矩阵，为待求解的模型参数向量，为噪声向量。

23、根据本发明提供的低抖动ghz激励同步与校准延时频闪复锁相重构方法，应用于所述的低抖动ghz激励同步与校准延时频闪复锁相重构系统中，包括以下步骤：

24、步骤s1：从飞秒脉冲列提取与重复频率相干的参考时钟；

25、步骤s2：对所述参考时钟进行低噪声滤波、放大和比较整形，得到低抖动数字参考时钟；

26、步骤s3：对所述低抖动数字参考时钟施加可编程延时或相位偏移；

27、步骤s4：根据经过延时或相位偏移的参考时钟，通过相干频率合成产生与飞秒光梳相位锁定的ghz激励信号；

28、步骤s5：依据对各延时控制码进行标定的结果，生成延时查找表；

29、步骤s6：按照预设延时码序列，向待测器件施加所述ghz激励信号，并同步采集频闪图像序列；

30、步骤s7：将所述延时查找表转换为每一帧图像对应的真实采样时刻或等效采样相位；

31、步骤s8：基于所述真实采样时刻或等效采样相位，构造非等间隔复锁相核；

32、步骤s9：根据所述非等间隔复锁相核对每个像素或每个测量点进行复锁相重构，获得目标振动的幅值和相位。

33、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

34、（1）本发明以飞秒光梳为统一时间基准，将光学采样脉冲和ghz电学激励同步到同一相干时钟体系下，避免了外部自由运行射频源与飞秒光脉冲之间的相位漂移，可以实现飞秒脉冲激光与器件振动之间的相干同步锁定，实现高速振动状态的稳定定格；

35、（2）本发明通过对参考时钟施加可编程皮秒级延时、生成频率信号直接附加相位、生成频率信号相移控制等方式，使飞秒频闪相位扫描得以精确快速地实现，在使用具有稳定重复频率的飞秒激光时，仍然可以实现对采样相位的快速步进调制，以便将有效的振动信号与环境噪声在时间频域上分离；

36、（3）本发明通过延时标定与查找表模块将延时链路的非线性、码字偏差和通道差异显式纳入采样模型，使其不再作为误差项破坏频闪编码，而成为复锁相重构的真实时间轴；

37、（4）与理想等步长锁相方法相比，本发明的非等间隔复锁相重构可显著降低高频测量中的振幅压缩、相位偏移和频谱泄漏，特别适用于10ghz以上或延时残差不可忽略的飞秒频闪测量；

38、（5）本发明可采用流式重构架构，每完成一帧全息图重构即乘以对应复锁相核并累加至复幅值缓存，无需长期存储全部原始图像和中间复场数据，适合高帧数、大视场和gpu/fpga/多线程在线处理；

39、（6）本发明不限定具体频率合成器、延时芯片、比较器、相机或全息光路，可与离轴全息、同轴相移全息、白光干涉、点式脉冲干涉、泵浦-探测和扫描测量系统兼容，具有较强的适配能力。