一种基于改进的均值漂移算法的超稳激光器自动锁定系统

1.本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种基于改进的均值漂移算法的超稳激光器自动锁定系统。


背景技术：

2.在超稳光自动锁定控制系统中，基于pdh稳频技术将激光器产生的频率锁定在长度稳定、精细度和耦合效率较高的光学参考腔上是实现超稳光锁定的核心思想。
3.自动锁定控制系统主要包括扫描、自动锁定和优化等过程。由于剩余幅度调制和环境温度波动的影响，超稳光的锁定点会发生漂移；现有的锁定系统，当激光器失锁后pzt电压大都是从一个固定值开始扫描直到透射峰信号大于阈值电压即为锁定，此过程存在着锁定时间长、锁定质量不佳、易出现长时间失锁、应对温度、噪声、振动等环境因素影响抗干扰能力差问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于改进的均值漂移算法的超稳激光器自动锁定系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明提供的一种基于改进的均值漂移算法的超稳激光器自动锁定系统包括：光学单元、物理单元、自动锁定控制单元以及探测单元，物理单元包括光学参考腔；自动锁定控制单元包括：模拟单元和数字控制单元，模拟单元包括20mhz信号源模块、调制解调模块、快pi vco模块以及慢pi pzt模块，探测单元包括第一探测器以及第二探测器，
6.光学单元，用于将光纤激光器产生的激光经过移频、相位调节后耦合至光学参考腔；
7.光学参考腔，用于将相位调制后的激光锁定至腔体的共振频率上；
8.第一探测器，用于探测光学参考腔反射激光以及透射激光的第一信号；
9.信号源模块，用于在输入10mhz参考信号条件下，产生预定频率的第二信号；
10.调制解调模块，用于将预定频率的第二信号与探测到的第一信号进行混频，获得鉴频误差信号，将鉴频误差信号进行滤波放大后分为两路，第一路输出至数字控制单元，第二路经过极性选择、高低增益调节以及偏置调节后分别输入至快pi vco模块和慢pi pzt模块；
11.数字控制单元，用于将鉴频误差信号进行ad采样，对ad采样后的数据进行监视，以确定鉴频误差信号是否出现异常情况；
12.快pi vco模块，根据数字控制单元通过选择不同电容改变系统控制带宽从而进行快pi运算，以将输出电压调制vco输出的中心频率，并控制声光调制器的移频大小，使得激光器输出的激光快速锁定在光学参考腔上；
13.其中，快pi vco模块包括多路模拟开关选择电路；
14.慢pi pzt模块，根据数字控制单元通过选择不同电容改变系统控制带宽从而进行
慢pi运算，慢pi pzt模块的脉冲调制电路模块产生高压信号驱动pzt，慢pi运算输出的电压信号通过慢pi pzt模块的数控电位器产生增益信号，并将增益信号与高压信号叠加改变pzt驱动电压对光纤激光器产生的信号频率进行慢调节；
15.第二探测器，用于探测光学参考腔信号的透射峰电压大小，传输至数字控制单元进行锁定状态判断；
16.数字控制单元，用于判断第二探测器探测的透射峰电压是否大于阈值电压，如果是，则表示光纤激光器锁定；记录每次光纤激光器锁定时的透射峰电压以及慢pi pzt模块的输出电压；
17.当光纤激光器每次失锁后，根据前几次锁定时的透射峰电压、和慢pi pzt模块的输出电压以及每次扫描得到的透射峰电压优化值，确定本次锁定时的扫描范围；并判断扫描范围内左右两侧的锁定点个数，确定下一次扫描方向；当在本次的扫描范围内扫描到透射峰电压后；通过改变慢pi pzt模块的偏置寻找最大的透射峰电压，进而改变慢pi pzt模块的输出电压将鉴频误差信号调到中间值完成优化，得到优化后的透射峰电压，记录本次锁定优化后的透射峰电压以及本次慢pi pzt模块的输出电压；当在本次的扫描范围内扫描不到透射峰电压时，则以预设步长增加本次扫描范围的半径，直至扫描到透射峰电压。
18.可选的，光学单元包括光纤激光器、aom、eom、二分之一波片、四分之一波片、偏振分束棱镜、透镜；
19.光纤激光器，用于输出激光至声光调制器；
20.声光调制器，用于将光纤激光器输出的激光进行移频；
21.电光调制器，用于将移频后的激光进行相位调制，并将相位调制后的激光耦合至光学参考腔。
22.透镜，用于调整光学参考腔的模式匹配；
23.偏振分光棱镜和二分之一波片，用于调整进入光学参考腔的激光功率；
24.四分之一波片，用于将反射激光的偏振面旋转90度。
25.可选的，数字控制单元，具体用于：
26.当光纤激光器第一次失锁后，在以光纤激光器冷启动锁定时的第一透射峰电压以及慢pi pzt模块的第一输出电压为圆心，以预设目标值为半径所形成的第一扫描范围内扫描透射峰信号；
27.当在第一扫描范围内扫描到透射峰电压，通过改变慢pi pzt模块的偏置寻找最大的透射峰电压使得pi的作用力达到最大，进而改变慢pi pzt模块的输出电压将鉴频误差信号调到中间值进行优化，得到优化后的第二透射峰电压；
28.记录第二次锁定优化后的第二透射峰电压以及慢pi pzt模块的第二输出电压；当在第一扫描范围内扫描不到透射峰电压时，则以预设步长增加第一扫描范围的半径，直至扫描到透射峰电压；
29.当光纤激光器第n次失锁后，根据前n次锁定时慢pi pzt模块的输出电压以及优化后的透射峰电压确定第n 1次锁定时的扫描范围；并根据第n 1次扫描范围内圆心左右两侧锁定点的个数，确定第n 1次锁定时的扫描方向；第n 1次的扫描范围内扫描到透射峰电压后，通过改变慢pi pzt模块的偏置寻找最大的透射峰电压，进而改变慢pi pzt模块的输出电压将鉴频误差信号调到中间值完成优化，记录第n 1次锁定后的透射峰电压以及慢pi
pzt模块的输出电压；当在第n 1次扫描范围内扫描不到透射峰电压时，则以预设步长增加扫描范围的半径，直至扫描到透射峰电压。
30.可选的，数字控制单元，具体用于：
31.当光纤激光器第n次失锁后，将从激光器冷启动至第n次的所有锁定优化记录的慢pi pzt模块的输出电压累加除以n，作为圆心横坐标；
32.当光纤激光器第n次失锁后，将从激光器冷启动至第n次的所有锁定优化记录的透射峰电压累加除以n作为圆心纵坐标；
33.以圆心为坐标，预设目标值为半径所形成的范围作为第n 1次锁定时的扫描范围；当在该扫描范围内扫描不到透射峰电压时，则以预设步长增加扫描范围的半径，直至扫描到透射峰电压。
34.可选的，慢pi pzt模块包括慢pi子模块以及pzt子模块，
35.数字控制单元，具体用于：
36.步骤1：确定本次扫描范围内扫描到最大透射峰电压的时刻，将该时刻的扫描电压固定；
37.步骤2：以固定的扫描电压为起始，从起始电压开始按照预设第一固定步进递增的方式增加慢pi子模块的偏置电压，以对固定的扫描电压进行微调；
38.步骤3：判断每次按照微调后的扫描电压扫描到的透射峰电压是否小于上一次透射峰电压，一旦出现小于情况，则确定最大透射峰电压出现，并确定最大透射峰电压对应的偏置量；
39.步骤4：如果小于，则执行步骤4；如果不小于，则返回步骤1；
40.步骤5：如果最大透射峰电压出现，通过减少慢pi子模块的偏置电压，以确定最大透射峰电压；
41.步骤6：判断慢pi子模块的透射峰电压是否达到最大以判断慢pi子模块的pi控制是否达到控制上限，如果是，则执行步骤7：
42.步骤7：按照第二固定步进，减少微调后的扫描电压以调节鉴频误差信号的位置，使其无限接近0点位置，以完成优化。
43.其中，预设步长为2。
44.可选的，数字控制单元，具体用于：
45.在第n次锁定时的扫描范围内，以扫描范围的圆心横坐标为分界线，确定分界线左右两侧的锁定点个数；
46.将锁定点个数多的一侧确定为第n次锁定时的扫描方向。
47.1、本发明提供的一种基于改进的均值漂移算法的超稳激光器自动锁定系统，系统中调制解调单元输出的误差信号分为两路，一路经过ad采集进行监视，另一路经过极性选择、高低增益调节以及偏置调节后输出至慢pi pzt模块和快pi vco模块；慢pi pzt模块和快pi vco模块分别由3路模拟开关adg408控制不同的电容接入电路改变自动锁定系统的控制带宽；改变pzt高压扫描透射峰信号时加入了改进的均值漂移算法，优化了系统锁定时间，使超稳光能够在较短时间内实现锁定。
48.2、传统的均值漂移算法其搜索窗口大小是固定的，当本发明的系统处于复杂环境下时，存在固定的搜索窗口内扫描找不到透射峰的情况。本发明提供的一种基于改进的均
值漂移算法的超稳激光器自动锁定系统，当在一个固定的搜索窗口内扫描不到透射峰信号时，增大搜索窗口半径，直到搜索到透射峰信号为止。
49.3、本发明提供的一种基于改进的均值漂移算法的超稳激光器自动锁定系统，当扫描到透射峰信号时，需要对锁定信号进行优化。首先改变慢pi偏置，寻找最大的透射峰使pi的控制力达到最大，最后改变pzt高压将误差信号调到中间值。
50.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
51.图1是本发明实施例提供的本发明提供的一种基于改进的均值漂移算法的超稳激光器自动锁定系统示意图；
52.图2是本发明实施例提供的改进的均值漂移算法的超稳激光器自动锁定系统的整体细节示意图；
53.图3是本发明实施例提供的基于改进均值漂移算法改进的激光器的扫描过程示意图；
54.图4是本发明实施例提供的多次搜索锁定的过程示意图；
55.图5是本发明实施例提供的透射峰电压优化锁定过程示意图；
56.图6是本发明实施例提供的失锁后的各个信号的变化效果图；
57.图7是本发明实施例提供的使用本发明的系统实现多次重锁时间的概率分布图和直方图。
具体实施方式
58.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
59.结合图1以及图2所示，本发明提供的一种基于改进的均值漂移算法的超稳激光器自动锁定系统包括：光学单元1、物理单元2、自动锁定控制单元3以及探测单元4，物理单元包括光学参考腔；自动锁定控制单元包括：模拟单元和数字控制单元，模拟单元包括20mhz信号源模块、调制解调模块、快pi vco模块以及慢pi pzt模块，探测单元包括第一探测器以及第二探测器，
60.光学单元，用于将光纤激光器产生的激光经过移频、相位调节后耦合至光学参考腔；
61.其中，光学单元包括光纤激光器、电光调制器、声光调制器、二分之一波片、四分之一波片、偏振分束棱镜和透镜；
62.光纤激光器，用于输出激光至声光调制器；
63.声光调制器，用于将光纤激光器输出的激光进行移频；
64.电光调制器，用于将移频后的激光进行相位调制，并将相位调制后的激光耦合至光学参考腔。
65.透镜，用于调整光学参考腔的模式匹配；
66.偏振分光棱镜和二分之一波片，用于调整进入光学参考腔的激光功率；
67.四分之一波片，用于将反射激光的偏振面旋转90度。
68.值得说明的是，本发明中的光纤激光器(fiber laser)输出的光经过声光调制器(aom)进行50mhz移频，再经过电光调制器(eom)进行相位调制，然后耦合到光学参考腔(cavtity)。
69.光学参考腔，用于将相位调制后的激光锁定到腔体的共振频率上；
70.第一探测器，用于探测光学参考腔反射激光以及透射激光的第一信号；
71.信号源模块，用于在输入参考信号条件下，产生预定频率的第二信号；
72.值得说明的是：20mhz信号源模块以10mhz输入为参考信号，通过锁相环回路产生一路信号作为ad9958的参考信号，产生两路20mhz信号。一路驱动电光调制器eom，另一路进入调制解调模块。
73.调制解调模块，用于将预定频率的第二信号与探测到的第一信号进行混频，获得鉴频误差信号，将鉴频误差信号进行滤波放大后分为二路，一路输出至数字控制单元，第二路经过极性选择、高低增益调节以及偏置调节后分别输入至快pi vco模块和慢pi pzt模块；
74.值得说明的是：调制解调模块将20mhz信号源产生的信号与探测器1(pd1)探测的信号进行混频，得到鉴频误差信号，然后滤波放大。将得到的信号分为两路，一路经过ad采样到主控进行监视，另一路经过极性选择、高低增益调节以及偏置调节后输出至慢pi pzt和快pi vco模块。
75.数字控制单元，用于将鉴频误差信号进行ad采样，对ad采样后的数据进行监视，以确定鉴频误差信号是否出现异常情况；
76.快pi vco模块，通过数字控制单元选择不同电容改变系统控制带宽并进行快pi运算，其输出电压调制vco输出的中心频率，并控制声光调制器的移频大小，使得激光器输出的激光快速锁定在光学参考腔上；
77.其中，快pi vco模块包括多路模拟开关选择电路，数字控制单元，通过控制不同模拟开关电容进行选择多路模拟带宽；
78.快pi输出的信号改变vco驱动电压从而调制aom的驱动频率，对系统锁定进行快调节。
79.慢pi pzt模块，数字控制单元通过选择不同电容改变系统控制带宽并进行慢pi运算，慢pi pzt模块中的tl494c产生高压信号驱动pzt，慢pi运算输出的电压信号通过慢pi pzt模块中的x9318数控电位器产生增益信号，并将增益信号与tl494c输出的高压信号叠加改变pzt驱动电压对激光器频率进行慢调节；
80.值得说明的是：值得说明的是：本发明可以采用模拟开关adg408通过接入不同的电容改变系统的控制带宽。当然本发明对调节控制带宽的元件不做限制，具体视不同的系统可以进行相应的变化。本发明可以选择模块内部tl494c产生高压信号驱动pzt，慢pi输出的信号通过x9318数控电位器产生增益信号与tl494c输出的信号叠加改变pzt高压，进行扫描。当然本发明此处对元件的选型为说明方便，并不为特定组成，本发明也可以根据系统进行对应的变更，不做特定限定。
81.第二探测器，用于探测光学参考腔信号的透射峰电压大小，传输至数字控制单元进行锁定状态判断；
82.值得说明的是：光电探测器2(pd2)用来探测光学参考腔的透射峰电压大小，数字
控制单元判断当透射峰电压大于阈值电压，即为锁定。
83.数字控制单元，用于判断第二探测器探测的透射峰电压是否大于阈值电压，如果是，则表示光纤激光器锁定；记录每次光纤激光器锁定时的透射峰电压以及慢pi pzt模块的输出电压；
84.值得说明的是：数字控制单元记录冷启动锁定后优化的透射峰电压值vt1以及pzt电压vset，令vpp1＝vset。
85.当光纤激光器每次失锁后，根据前几次锁定时的透射峰电压、慢pi pzt模块的输出电压以及每次扫描得到的透射峰电压优化值，确定本次锁定的扫描范围；并判断扫描范围内圆心左右两侧的锁定点个数，确定下一次扫描方向；当本次扫描范围内扫描到透射峰电压时，进而打开慢pi pzt模块的偏置寻找最大的透射峰电压，最后改变慢pi pzt模块的输出电压将鉴频误差信号调到中间值完成优化，得到优化后的透射峰电压，记录本次锁定优化后的透射峰电压以及本次慢pi pzt模块的输出电压；当在本次的扫描范围内扫描不到透射峰电压时，则以预设步长增加本次失锁后的扫描范围的半径，直至扫描到透射峰电压。
86.其中，预设步长为2。
87.在一种具体的实施方式中，参考图3，数字控制单元，具体用于：
88.当光纤激光器第一次失锁后，以第一次锁定时的第一透射峰电压以及慢pi pzt模块的第一输出电压为圆心，以预设目标值为半径所形成的第一扫描范围内扫描透射峰信号；
89.其中，第一次锁定即为光纤激光器冷启动锁定，预设目标值可以选择2，当然也根据实际情况进行变更。
90.当在第一扫描范围内扫描到透射峰电压时，进而打开慢pi pzt模块的偏置寻找最大的透射峰电压使pi的控制力达到最大，最后改变慢pi pzt模块的输出电压将鉴频误差信号调到中间值进行优化，得到优化后的第二透射峰电压；
91.记录第二次锁定优化后的第二透射峰电压以及慢pi pzt模块的第二输出电压；当在第一扫描范围内扫描不到透射峰电压时，则以预设步长增加第一扫描范围的半径，直至扫描到透射峰电压；
92.参考图3，当光纤激光器第n次失锁后，根据前n次锁定时慢pi pzt模块的输出电压以及优化后的透射峰电压确定第n 1次锁定时的扫描范围；并根据第n 1次扫描范围内圆心左右两侧锁定点的个数，确定第n 1次锁定时的扫描方向；第n 1次的扫描范围内扫描到透射峰电压后，通过改变慢pi pzt模块的偏置寻找最大的透射峰电压，改变慢pi pzt模块的输出电压将鉴频误差信号调到中间值完成优化，记录第n 1次锁定后的透射峰电压以及慢pi pzt模块的输出电压；当在第n 1次扫描范围内扫描不到透射峰电压时，则以预设步长增加扫描范围的半径，直至扫描到透射峰电压。
93.作为本发明一种可选的实施例，参考图3，数字控制单元，具体用于：
94.当光纤激光器第n次失锁后，将从激光器冷启动至第n次的所有锁定优化记录的慢pi pzt模块的输出电压累加除以n，作为圆心横坐标；
95.当光纤激光器第n次失锁后，将从激光器冷启动至第n次的所有锁定优化记录的透射峰电压累加除以n作为圆心纵坐标；
96.以圆心为坐标，预设目标值为半径所形成的范围作为第n 1次锁定时的扫描范围；
当在该扫描范围内扫描不到透射峰电压时，则以预设步长增加扫描范围的半径，直至扫描到透射峰电压。
97.参考图4，下面本发明以预设目标值为2时进行说明，当第一次失锁后，以冷启动锁定优化的pzt电压和透射峰电压值为圆心，2为初始半径，在v
pp1-2
→vpp1
2范围内扫描，当扫描到透射峰电压后进行优化，记录第二次锁定后优化的透射峰电压值v
t2
以及pzt电压vset，令v
pp2
＝v
set
。当扫描不到透射峰电压时，令初始半径r＝4,6,8
…
。当第二次失锁后，以(v
pp1
v
pp2
)/2，(v
t1
v
t2
)/2为圆心，2为初始半径，在(v
pp1 vpp2
)/2-2
→
(v
pp1 vpp2
)/2 2范围内扫描，当扫描到透射峰电压后进行优化，记录第三次锁定后优化的透射峰电压值v
t3
以及pzt电压v
set
，令v
pp3
＝v
set
；当扫描不到透射峰电压时，令初始半径r＝4,6,8
…
。当第三次失锁后，以((v
pp1
v
pp2
v
pp3
)/3，(v
t1
v
t2
v
t3
)/3)为圆心，2为初始半径，判断x＝(v
pp1
v
pp2
v
pp3
)/3两侧锁定点个数，当左侧锁定点多，下一次扫描方向：(v
pp1
v
pp2
v
pp3
)/3
→
(v
pp1
v
pp2
v
pp3
)/3-2；当右侧锁定点多，下一次扫描方向：(v
pp1
v
pp2
v
pp3
)/3
→
(v
pp1
v
pp2
v
pp3
)/3 2；当扫描到透射峰电压后进行优化，记录第四次锁定后优化的透射峰电压值v
t4
以及pzt电压vset，令v
pp4
＝v
set
；当扫描不到透射峰电压时，令初始半径r＝4,6,8
…
。
98.如图3所示，每次失锁后都执行记录，并确定扫描范围以继续进行扫描的过程。
99.作为本发明一种可选的实施例，慢pi pzt模块包括慢pi子模块以及pzt子模块，
100.参考图4，数字控制单元，具体用于：
101.步骤1：确定本次扫描范围内扫描到最大透射峰电压的时刻，将该时刻的扫描电压固定；
102.步骤2：以固定的扫描电压起始，从起始电压开始按照预设第一固定步进递增的方式增加慢pi子模块的偏置电压，以对固定的扫描电压进行微调；
103.其中，起始电压可以是0mv，第一固定步进可以采用1mv，当然在实际应用时可以进行变更，提高系统的适用性。
104.步骤3：判断每次按照微调后的透射峰电压v
pp 1
是否小于上一次透射峰电压v
pp
，一旦出现小于情况，则确定最大透射峰电压出现，并确定最大透射峰电压对应的偏置量；
105.步骤4：如果小于，则执行步骤4；如果不小于，则返回步骤1；
106.步骤5：如果最大透射峰电压出现，通过减少慢pi子模块的偏置电压vset，以确定最大透射峰电压；
107.步骤6：判断慢pi子模块的透射峰电压是否达到最大以判断慢pi子模块的pi控制是否达到控制上限，如果是，则执行步骤7；
108.步骤7：按照第二固定步进，减少微调后的扫描电压以调节鉴频误差信号的位置，使其无限接近0点位置，以完成优化。
109.其中，第二固定步进可以采用0.1v，在实际运行过程中，可以进行调节和变更，本发明在此不做限制。
110.作为本发明一种可选的实施例，数字控制单元，具体用于：
111.在第n次锁定时的扫描范围内，以扫描范围的圆心横坐标为分界线，判断分界线左右两侧的锁定点个数；
112.将锁定点个数多的一侧确定为第n次锁定时的扫描方向。
113.下面结合实际实验数据，说明本发明的系统的性能以及优点。
114.实验一：实验一在1550nm超稳激光器系统中进行应用，该系统采用本发明提出的改进的均值漂移算法的激光器自动锁定系统进行锁定，将传统扫描方法依照本发明提供的技术思想进行改进，并采用本发明提出的优化思路对锁定后的信号进行优化，进而对系统进行锁定测试。本发明测得该系统在一次失锁过程中透射峰信号、误差信号、波长信号、频率信号的变化过程如图6所示，图6显示，本发明提供的系统可在失锁后2.592s内实现锁定，相比于现有技术锁定速度有显著提升效果。
115.实验二：实验二连续测试10000s内激光器重锁时间(150s自动失锁1次)，测得均值漂移算法优化扫描透射峰的流程如图2所示。用matlab处理10000s内多次重锁时间的概率分布图和直方图如图7所示，从图7中可以发现中值锁定时间是4.1235s，7s内能够实现锁定的概率达到了78.778％。
116.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。