阅读说明：本技术 基于Hilbert变换的ECLD调频线性度与频率准确性测量方法 (ECLD frequency modulation linearity and frequency accuracy measuring method based on Hilbert transform ) 是由 邵斌 张伟 陈伟民 章鹏 刘显明 雷小华 于 2020-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于Hilbert变换的ECLD调频线性度与频率准确性测量方法,属于光学领域,包括步骤：S1：ECLD的输出激光经由光纤耦合器分为两路,第一路经过F-P标准具到达PD2；第二路经过光纤环形器到达光纤探头,部分激光反射形成参考光,其余透射光由反射面反射后重新进入光纤探头形成测量光,在光纤内产生干涉并形成干涉信号,该信号再次经光纤环形器过光纤环形器到达PD1；干涉信号完成光电转换后采样,最后送入解调系统；信号发生器用于生成PZT驱动信号,PZT控制器用于同步触发位于ECLD内的PZT1与PZT2；S2：获得干涉测量信号；S3：进行非线性度、频率准确性解算。(The invention relates to an ECLD frequency modulation linearity and frequency accuracy measuring method based on Hilbert transform, belonging to the field of optics and comprising the following steps: s1: the output laser of the ECLD is divided into two paths through the optical fiber coupler, and the first path reaches PD2 through the F-P etalon; the second path reaches the optical fiber probe through the optical fiber circulator, part of laser is reflected to form reference light, the rest of transmitted light is reflected by the reflecting surface and then enters the optical fiber probe again to form measuring light, interference is generated in the optical fiber and interference signals are formed, and the signals pass through the optical fiber circulator again to reach PD 1; after photoelectric conversion is completed on the interference signal, sampling is carried out, and finally the interference signal is sent to a demodulation system; the signal generator is used for generating PZT driving signals, and the PZT controller is used for synchronously triggering PZT1 and PZT2 in the ECLD; s2: obtaining an interferometric signal; s3: and carrying out nonlinear degree and frequency accuracy calculation.)

基于Hilbert变换的ECLD调频线性度与频率准确性测量方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种基于Hilbert变换的ECLD调频线性度与频率准确性测量方法。

背景技术

调频连续波干涉具有测量精度高、可测范围大、抗干扰能力强、非接触等优势，在民用、工业、军事等领域应用广泛，如建筑形变监测、自动驾驶、光学断层扫描、深度测绘、3D成像、轨道卫星配置等。

调频连续波干涉系统的核心部件为线性调频激光源。目前，最常用的调频光源为外腔激光二极管(ECLD)，由于ECLD内的压电陶瓷(PZT)存在滞后与蠕变，当采用线性PZT驱动信号时，ECLD的输出光频率通常非线性。对于调频连续波系统，光源的线性度是影响测量精度的关键，调频非线性会使干涉信号频谱产生畸变与展宽，从而使调频干涉测量精度大幅降低。目前通用的非线性抑制方法为反馈式抑制，即通过向线性变化的PZT驱动电压叠加非线性反馈电压来提高ECLD输出频率线性度。由于反馈电压大小取决于调频过程中的实时非线性度，因此，要实现调频非线性抑制，就需要准确测量ECLD调频非线性大小。另外，对于长期工作的ECLD，由于结构失效、电路老化等因素，其调频线性度会下降，为确保测量系统正常工作，也需对ECLD光源调频稳定性进行监测。而且，在实际应用中，温度、湿度变化以及环境振动会引起激光器输出频率漂移，从而使所选光器件处于非最佳工作区，同时，频率值漂移还会造成测量系统误差。因此，在生产制造调频激光源、或将其应用于特殊环境中时，需要测量或监测激光器的调频非线性与输出频率准确性。

现有的非线性测量主要依靠法布里-波罗(F-P)干涉信号的峰值计数实现，通过追踪F-P干涉信号的峰值来确定某一时刻的输出光频率。由于F-P信号峰间断出现，导致光频率值非连续，从而产生较大的非线性度测量误差。此外，此类方法需预先确定初始调频频率，无法用于输出频率准确性测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于Hilbert变换的ECLD调频线性度与频率准确性实时测量方法，克服现有方法存在的光频率非连续性问题，以及需借助其他方法实现初始光频率测量的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于Hilbert变换的ECLD调频线性度与频率准确性测量方法，包括以下步骤：

S1：搭建测量结构：外腔激光二极管ECLD的输出激光经由70：30光纤耦合器Coupler分为两路，第一路经过F-P标准具F-P Etalon到达光电探测器PD2；第二路经过光纤环形器Circulator到达光纤探头Probe，部分激光在Probe端面反射形成参考光，其余透射光由反射面Reflector反射后重新进入Probe形成测量光，所述参考光与测量光在光纤内产生干涉并形成干涉信号，所述干涉信号再次经光纤环形器过Circulator到达光电探测器PD1；所述干涉信号在PD1与PD2内完成光电转换后，进入采样系统DAQ完成采样，最后将双路采样信号送入解调系统进行处理；还包括与解调系统连接的信号发生器和PZT控制器，所述信号发生器Signal Generator用于生成PZT驱动信号，所述PZT控制器PZT Controller用于同步触发位于ECLD内的压电陶瓷PZT1与压电陶瓷PZT2；

S2：获得干涉测量信号；

S3：进行非线性度、频率准确性解算。

进一步，F-P标准具长度L_FP固定不变，不考虑直流分量与信号振幅时，PD2得到的一个调频周期内的干涉信号S_FP(t)表示为：

其中，k(t)为调频激光器实时调频速率，c为光速，φ_FP为S_FP(t)初始相位。

进一步，所述PD1得到的在一个调频周期内的干涉信号S_PZT(t)表示为

其中L_PZT(t)为光纤探头到PZT反射面之间的实时距离，v_PZT(t)为PZT反射面的实时速度，反射面接近光线探头时v_PZT(t)为负；φ_PZT为S_PZT(t)初始相位；f(t)为调频激光器实时频率；其中

L_PZT(0)为初始时刻距离值。

进一步，利用Hilbert变换求取S_FP(t)增量相位后，得到调频激光器实时调频速率k(t)为

其中φ_FP(t)为信号S_FP(t)实时相位；

若L_PZT(0)已知，当PZT反射面匀速运动且速度v_PZT确定时，调频激光器实时频率f(t)估计为：

其中φ_PZT(t)为信号S_PZT(t)实时相位；

调频激光器的线性度误差、光频率准确性误差为：

Δk(t)＝k(t)-k₀, (17)

Δf(t)＝f(t)-(f₀+k₀t). (18)

其中k₀、f₀分别为名义调频速率、名义初始频率。

进一步，步骤S3具体包括以下步骤：

S31：获取DAQ采样信号，得到双通道数据；

S32：将所得数据按通道分开，分别为光电探测器PD1对应的干涉信号S_PZT[n]，以及光电探测器PD2对应的干涉信号S_FP[n]；

S33：对S_PZT[n]、S_FP[n]信号分别进行零相位带通滤波、低通滤波，并对滤波后的信号进行幅值归一化；

S34：根据Hilbert变换和Phase Unwrapping算法求解实时相位φ_PZT[n]、φ_FP[n]；

S35：利用步骤S34所得φ_FP[n]求得实时调频速率k[n]，

其中，Δφ_FP[n]＝φ_FP[n]-φ_FP[1]为干涉信号S_FP[n]的相位增量，diff{x[n]}/T_s表示序列x[n]的差分，T_s为时域采样间隔；接着，利用φ_PZT[n]、k[n]求解激光源实际输出频率，

式(9)中，Δφ_PZT[n]＝φ_PZT[n]-φ_PZT[1]为干涉号S_PZT[n]的相位增量

L_PZT[n]＝L_PZT[1]+nT_sv_PZT, (21)

T_s为采样系统相邻两点采样时间，式(10)中，L_PZT[1]通过如下方式确定

上式中，Δφ_{PZT_s}[n]＝φ_{PZT_s}[n]-φ_{PZT_s}[1]为PZT2静止时干涉信号S_{PZT_s}[n]的相位增量，表示序列x[n]的差分均值。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种基于Hilbert变化的全光纤ECLD调频非线性、输出频率准确性测量系统，以及用于ECLD激光源调频非线性、输出频率准确性实时测量方法，克服了现有方法存在的光频率非连续性问题，以及需借助其他方法实现初始光频率测量的问题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为全光纤激光源调频线性度与输出频率值测量系统示意图；

图2为数据处理流程图；

图3为F-P标准具信号处理结果；

图4为调频线性度测量结果；

图5为输出频率值测量结果；

图6为频率准确性测量结果。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，ECLD的输出激光经由70：30光纤耦合器(Coupler)分为两路。其中一路经过F-P标准具(F-P Etalon)到达光电探测器(PD2)。另外一路经过光纤环形器(Circulator)到达光纤探头(Probe)，其中部分激光在Probe端面反射形成参考光，其余透射光由反射面(Reflector)反射后重新进入Probe形成测量光，参考光与测量光在光纤内产生干涉并形成干涉信号，该信号再次经过Circulator到达光电探测器PD1。干涉信号在PD1与PD2内完成光电转换后，进入采样系统(DAQ)完成采样，最后将双路采样信号送入解调系统进行处理。其中，信号发生器(Signal Generator)用于生成PZT驱动信号，PZT控制器(PZTController)用于同步触发位于ECLD内的压电陶瓷PZT1与压电陶瓷PZT2。

图1所示系统中，F-P标准具长度L_FP固定不变，因此，不考虑直流分量与信号振幅时，PD2得到的一个调频周期内的干涉信号S_FP(t)可表示为：

其中，k(t)为调频激光器实时调频速率，c为光速，φ_FP为S_FP(t)初始相位。

PD1得到的在一个调频周期内的干涉信号S_PZT(t)可表示为

上式中L_PZT(t)为光纤探头到PZT反射面之间的实时距离，v_PZT(t)为PZT反射面的实时速度(反射面接近光线探头时v_PZT(t)为负)；φ_PZT为S_PZT(t)初始相位；f(t)为调频激光器实时频率。其中

L_PZT(0)为初始时刻距离值。

由式(1)可知，利用Hilbert变换求取S_FP(t)增量相位后，可得调频激光器实时调频速率k(t)为

其中φ_FP(t)为信号S_FP(t)实时相位。由式(2)可知，若L_PZT(0)已知，当PZT反射面匀速运动且速度v_PZT确定时，调频激光器实时频率f(t)可估计为：

其中φ_PZT(t)为信号S_PZT(t)实时相位。因此，调频激光器的线性度误差、光频率准确性误差为：

Δk(t)＝k(t)-k₀, (28)

Δf(t)＝f(t)-(f₀+k₀t). (29)

其中k₀、f₀分别为名义调频速率、名义初始频率。

利用本方法获得的ECLD调频非线性以及输出频率准确性在时域连续，其准确描述了ECLD激光器的实时输出特性，通过该时特性，可实现ECLD激光源调频线性度、频率准确性的精密调节与优化。

本方法具体实施步骤如下：

(1)对待测ECLD激光源，按图1所示测量结构搭建系统。其中PZT Controller用于调节PZT1与PZT2的驱动电压幅值，以及控制两路信号的同步发生；

(2)获得干涉测量信号

(3)按照图2所示流程进行非线性度、频率准确性解算；

所选F-P标准具腔体长度2mm，F-P标准具对应的单个调频周期内的的原始光谱信号如图3(a)所示，零相位滤波及幅值归一化后的信号如图3(b)所示，利用Hilbert变换得到的相位增量及调频线性度如图3(c)所示。现场试验环境下，测量得到的实际调频线性度与理论调频线性度(10⁷GHz/s)误差如图4所示。

下面对图2所示解算过程做一说明。

A.获取DAQ采样信号，得到双通道数据；

B.将所得数据按通道分开，分别为光电探测器PD1对应的干涉信号S_PZT[n]，以及光电探测器PD2对应的干涉信号S_FP[n]；

C.对S_PZT[n]、S_FP[n]信号分别进行零相位带通滤波、低通滤波，并对滤波后的信号进行幅值归一化；

D.根据Hilbert变换和Phase Unwrapping算法求解实时相位φ_PZT[n]、φ_FP[n]；

E.利用步骤D所得φ_FP[n]可求得实时调频速率k[n]，

其中，Δφ_FP[n]＝φ_FP[n]-φ_FP[1]为干涉信号S_FP[n]的相位增量，diff{x[n]}/T_s表示序列x[n]的差分，T_s为时域采样间隔。接着，利用φ_PZT[n]、k[n]求解激光源实际输出频率，

式(9)中，Δφ_PZT[n]＝φ_PZT[n]-φ_PZT[1]为干涉号S_PZT[n]的相位增量

L_PZT[n]＝L_PZT[1]+nT_sv_PZT, (32)

T_s为采样系统相邻两点采样时间，式(10)中，L_PZT[1]可通过如下方式确定

上式中，Δφ_{PZT_s}[n]＝φ_{PZT_s}[n]-φ_{PZT_s}[1]为PZT2静止时干涉信号S_{PZT_s}[n]的相位增量,

表示序列x[n]的差分均值。

通过式(11)确定反射面静态初始距离(2002μm)后，设置反射面速度为1.6×10^-3m/s。对所得干涉信号零相位滤波与幅值归一化后，通过式(9)可得调频激光器的实时输出光频率，如图5所示，测量得到的实际输出频率值与标称频率值(191250GHz～196115GHz)之差如图6所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。