一种基于激光器调制谱和饱和谱的自动锁频方法与装置与流程

本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种基于激光器调制谱和饱和谱的自动锁频方法与装置。

背景技术：

1、激光频率稳定性是精密光谱学、量子计量学、量子计算以及相干光通信等领域的核心性能指标，现有的激光器调制谱锁频方法与饱和谱锁频方法主要存在如下不足：一方面，其采用的算法参数多为静态配置，缺乏对激光器个体差异及环境变化的自适应能力，频率锁定精度难以得到持续保障；另一方面，在遭遇环境扰动（如振动或电磁干扰）致使锁定失效后，现有方法无法自主恢复锁定，必须依赖人工重新介入，严重制约了系统的运行可靠性与智能化水平。

2、鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明需要解决的问题为如何提高锁频方法对于不同环境条件以及不同激光器型号的适配性，并在发生频率失锁后，能够实现自动重新锁定，提高重新锁定的可靠性。

2、第一方面，提供一种基于激光器调制谱和饱和谱的自动锁频方法，包括：提供待采样的激光器并监测激光器的频率；

3、设定采样范围以及采样范围中的基准采样点，配置调试精度逐级增高的多级粗调层级，设定初始电流作为输出电流；

4、执行多轮锁定迭代，每轮锁定迭代包括：将输出电流以及当前粗调层级对应的扫描幅度应用至激光器，获取激光器的调制谱信号，调制谱信号由对饱和吸收谱进行频率调制并解调得到，并在调制谱信号的采样范围内进行采样得到多个采样点，根据采样点识别调制谱信号中的波峰位置和波谷位置，计算波峰位置和波谷位置与基准采样点之间的偏差，并基于偏差及当前粗调层级对应的更新增益，更新下一轮锁定迭代的输出电流；

5、根据预设的层级切换条件判断是否进入下一粗调层级：若满足层级切换条件且存在下一粗调层级，则切换至下一粗调层级并继续执行下一轮锁定迭代；若处于最后一级粗调层级且满足精细锁定条件，则切换至增量式pid模式进行精细锁定；

6、在精细锁定完毕后获取激光器的频率偏差，若判定失锁，则执行安全电流回退，重启多轮锁定迭代，直至频率重新锁定。

7、优选的，根据采样点识别调制谱信号中的波峰位置和波谷位置，具体包括：

8、对采样点进行滤波，得到滤波后的采样点；

9、计算滤波后的采样点的一阶导数和二阶导数；

10、当一阶导数的绝对值小于一阶导数阈值，且二阶导数小于二阶导数阈值时，判定采样点所在位置为波峰位置；

11、当一阶导数的绝对值小于一阶导数阈值，且二阶导数大于二阶导数阈值时，判定采样点所在位置为波谷位置。

12、优选的，计算波峰位置和波谷位置与基准采样点之间的偏差，并基于偏差及当前粗调层级对应的更新增益，更新下一轮锁定迭代的输出电流，具体包括：

13、计算波峰位置和基准采样点之间的波峰差值，计算波谷位置和基准采样点之间的波谷差值；

14、根据波峰差值和波谷差值得到综合频率误差；

15、根据综合频率误差和当前粗调层级对应的更新增益得到电流调整值；

16、将本轮锁定迭代所应用的输出电流加上电流调整值，得到下一轮锁定迭代所需应用的输出电流。

17、优选的，根据综合频率误差和当前粗调层级对应的更新增益得到电流调整值，具体包括：

18、电流调整值的计算表达式为：

19、；

20、其中，为电流调整值，为更新增益，为综合频率误差，为单次调整电流上限，为限定电流范围。

21、优选的，根据预设的层级切换条件判断是否进入下一粗调层级：若满足层级切换条件且存在下一粗调层级，则切换至下一粗调层级并继续执行下一轮锁定迭代，具体包括：

22、根据综合频率误差的绝对值得到当前轮次锁定迭代的收敛值；

23、将收敛值和相应粗调层级的收敛阈值进行对比；

24、当连续预设轮次数的收敛值均小于相应粗调层级的收敛阈值时，则满足层级切换条件，采用下一粗调层级的配置进行下一轮锁定迭代，否则不满足层级切换条件，下一轮锁定迭代保持粗调层级不变。

25、优选的，失锁的判定条件，具体包括：

26、获取频率均值，频率均值和频率锁定值之间的差值为频率偏差；

27、将频率偏差和偏差阈值进行对比，若频率偏差大于偏差阈值，则判断发生瞬时超限；

28、若在连续n1个监测周期均发生瞬时超限时，则以最后一个发生瞬时超限的监测周期为当前监测周期，确定包括当前监测周期的前m个监测周期，将前m个监测周期分为包括当前监测周期的前m1个监测周期以及远离当前监测周期的前m2个监测周期，若前m1个监测周期的频率偏差均值相较于前m2个监测周期的频率偏差均值的恶化比例超过预设百分比时，则判定失锁；其中，n1大于等于2，m1和m2均大于等于1。

29、优选的，若处于最后一级粗调层级且满足精细锁定条件，则切换至增量式pid模式进行精细锁定，具体包括：

30、将输出电流以及增量式pid模式对应的扫描幅度应用至激光器，并在采样范围内进行采样得到多个采样点，根据采样点识别调制谱信号中的波峰位置和波谷位置，计算波峰位置和基准采样点之间的波峰差值，计算波谷位置和基准采样点之间的波谷差值，根据波峰差值和波谷差值得到综合频率误差；

31、基于综合频率误差和pid锁定算法，得到电流调整值；

32、根据电流调整值对输出电流进行调整，实现激光器频率的精准锁定。

33、优选的，若判定失锁，则执行安全电流回退，重启多轮锁定迭代，直至频率重新锁定，具体包括：

34、当判定失锁时，记录失锁前的配置参数；

35、将输出电流减小至工作电流的预设安全比例；

36、从层级最低的粗调层级开始，重新执行多轮锁定迭代，并在满足精细锁定条件时，切换至增量式pid模式进行精细锁定；

37、将激光器的参数恢复为失锁前的配置参数。

38、第二方面，提供一种基于激光器调制谱和饱和谱的自动锁频装置，包括至少一个处理器，以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被处理器执行，用于执行的基于激光器调制谱和饱和谱的自动锁频方法。

39、第三方面，本发明还提供了一种非易失性计算机存储介质，计算机存储介质存储有计算机可执行指令，当计算机程序指令由一个或多个处理器执行时，使得处理器执行完成第一方面的方法。

40、第四方面，提供了一种芯片，包括：处理器和接口，用于从存储器中调用并运行存储器中存储的计算机程序，执行如第一方面的方法。

41、第五方面，提供了一种包含指令的计算机程序产品，当该指令在计算机或处理器上运行时，使得计算机或处理器执行如第一方面的方法。

42、第六方面，提供了一种基于激光器调制谱和饱和谱的自动锁频装置，包括如第二方面的基于激光器调制谱和饱和谱的自动锁频装置，并使用如第一方面的基于激光器调制谱和饱和谱的自动锁频方法。

43、区别于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：

44、预先配置不同调试精度的粗调层级，基于相应的粗调层级通过多轮锁定迭代对激光器进行调试，每轮锁定迭代中，将输出电流和粗调层级对应的扫描幅度应用至激光器上，并进行频率采样，得到锁频的偏差，通过偏差来对下一轮锁定迭代进行更新，通过精度逐级增高的粗调层级进行多轮锁定迭代，使得偏差逐步减小，在满足精细锁定条件时，通过增量式pid模式实现频率锁定，并在频率锁定后获取频率偏差，在频率失锁时自动重启多轮锁定迭代；上述流程中通过自定义的粗调层级来适应不同环境以及激光器类型，提高了算法的适应性，并且在失锁时能够自动恢复锁频，可靠性更高。