阅读说明：本技术 激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法与装置 (High-precision frequency and phase discrimination signal processing method and device in laser offset frequency locking ) 是由 陈本永 谢建东 严利平 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法与装置。将可调谐激光和飞秒光频梳经拍频信号探测单元后得到拍频信号,经模数采样后进入FPGA开发板进行鉴频鉴相处理。将拍频信号与参考信号相乘并进行低通滤波,通过坐标旋转运算器求得对应的相位,相位经相位解缠绕后进行缩放处理,通过数模转换器输出误差电压信号至模拟PID控制器,模拟PID控制器产生控制信号至可调谐激光器进行闭环控制,将拍频信号频率锁定至参考信号,同时计算拍频信号信噪比、频率、幅值。本发明解决了激光器锁定至光频梳的偏频锁定技术中对拍频信号鉴频鉴相精度难以提高、捕获范围小的问题,可以广泛适用于激光精密计量领域。(The invention discloses a method and a device for processing high-precision phase frequency and phase discrimination signals in laser offset frequency locking. Tunable laser and femtosecond optical frequency comb pass through a beat frequency signal detection unit to obtain beat frequency signals, and the beat frequency signals are subjected to analog-to-digital sampling and then enter an FPGA development board for frequency and phase discrimination. Multiplying the beat frequency signal by a reference signal, performing low-pass filtering, obtaining a corresponding phase through a coordinate rotation arithmetic unit, performing scaling processing after phase unwrapping, outputting an error voltage signal to an analog PID controller through a digital-to-analog converter, generating a control signal by the analog PID controller to a tunable laser for closed-loop control, locking the frequency of the beat frequency signal to the reference signal, and calculating the signal-to-noise ratio, the frequency and the amplitude of the beat frequency signal. The invention solves the problems that the frequency discrimination and phase discrimination precision of a beat frequency signal is difficult to improve and the capture range is small in the offset frequency locking technology of locking a laser to an optical frequency comb, and can be widely applied to the field of laser precision metering.)

激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法与装置

技术领域

本发明属于激光稳频技术领域的一种信号处理方法与装置，特别是一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法与装置。

背景技术

激光干涉测量技术具有响应速度快、测量精度高、抗干扰能力强、可直接溯源到米定义等优越性能，因此被广泛用于高精度位移测量、超精密加工制造及仪器检测校准中。在激光干涉测量中，激光频率的稳定性和可溯源性是影响测量精度的关键因素。激光稳频技术的关键在于选取稳定的参考频率标准，传统的激光稳频技术主要是将激光频率锁定至物理参考基准(例如；气体吸收室、FP腔)，这些方法容易受到环境温度、气压、震动等条件的影响，激光频率容易漂移，并且锁定后激光频率几乎无法调谐，仅适用于单稳频的激光锁定。

飞秒光频梳是一种在频率域上由许多个等间距的频率成分(梳齿)组合而成的宽光谱光源，各个梳齿均可溯源至频率基准(例如铷原子钟)。将激光频率锁定至光频梳解决了上述频率容易受环境影响而漂移、无法溯源、频率锁定范围小等问题。偏频锁定技术中鉴频鉴相器的鉴相精度与捕获范围对偏频锁定起着关键作用。常见的鉴频鉴相方法主要有两种。第一种通过将拍频信号与参考信号通过模拟混频器与低通滤波器进行下混频，获得等于拍频信号与参考信号频差的正弦信号，再将该正弦信号作为误差信号输入模拟PID控制器，进行闭环控制。这种方法通常称之为“正弦鉴相器”，鉴相精度容易受拍频信号波动的影响(例如，功率波动，信噪比不够高)。捕获带宽通常指鉴频鉴相器正常工作所允许的输入信号最大频差；对于“正弦鉴相器”捕获带宽较小，通常为kHz量级，锁定时需要预先将频差调整至捕获带宽内，反之，当频差比较大或者快速波动时，难以锁定或容易失锁。第二种方法先将拍频信号与参考信号转换为方波，再同时对其进行加减计数(一个正弦波对应一个计数值)，将计数结果的差值转换为等比例的电压作为误差信号用于闭环控制。这种方法通常称之为“数字鉴频鉴相器”，在拍频信号稳定且信噪比高的情况下，具备良好的性能，捕获带宽通常在MHz量级，通过预分频的处理可以进一步提高捕获范围，但实际鉴相精度为2π(即单个正弦周期)，并且正弦波转换为方波过程中受噪声影响容易出现毛刺，在加减计数过程中容易存在±1误差。

偏频锁定处理的现有技术中，由于在锁定前待稳频激光频率波动等原因，拍频信号容易波动(频率、功率、信噪比)，要求鉴频鉴相器同时具备较大的捕获范围与较高的鉴相精度。所以，兼顾并提高待稳频激光与光频梳的拍频信号的鉴频鉴相精度、捕获范围与抗干扰能力是提高激光频率稳定性并实现快速锁定需要解决的关键技术问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法与装置，解决了激光频率锁定至光频梳技术中拍频信号鉴相精度难以提高以及捕获范围小的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理方法：

1)将可调谐激光器发出的可调谐激光和飞秒光频梳发出的激光经拍频信号探测后得到拍频信号，经模数采样将拍频信号采集进入FPGA开发板，拍频信号表示如下：

其中，f_a表示可调谐激光器与飞秒光频梳的梳齿间的激光频差，A表示信号幅值，

表示拍频信号的相位，的范围为-π至π，t表示时间；

然后将拍频信号S(t)与数字控制振荡器产生的一对正交的参考信号(sin(2πf_bt)，cos(2πf_bt))相乘，并进行低通滤波处理获得正交信号(P(t)，Q(t))，表示如下：

其中，LPF[]表示低通滤波运算，f_b表示参考信号的频率，Δf表示拍频信号与参考信号的频差，A表示信号幅值，sin(2πf_bt)与cos(2πf_bt)分别为参考信号的正弦参考分量、余弦参考分量，P(t)与Q(t)分别为正交信号的余弦正交分量、正弦正交分量，t表示时间；

2)通过坐标旋转运算对正交信号(P(t)，Q(t))进行反正切计算获得小数相位差θ_w(t)，并进行平方和开方运算获得幅值A(t)，表示如下：

其中，mod_2π[]表示余数关系，公式中表示小数相位差θ_w(t)等于相位差对2π的余数，小数相位差θ_w(t)的范围为-π至π；

3)由于激光未锁定时，拍频信号与参考信号的频差Δf≠0，小数相位差θ_w(t)将呈现锯齿形周期性变化，每个周期都存在从π至-π或者从-π至时π的相位跳变。对小数相位差θ_w(t)进行相位解缠绕运算，当小数相位差θ_w(t)连续变化时，记录相邻两次之间变化幅度达到2π的次数N，N初始值为零，当小数相位从π跳变至-π时，N数值加一，当从小数相位从-π跳变至时π，N数值减一，从而获得解缠绕相位差θ_u(t)，表示如下：

解缠绕相位差θ_u(t)为本发明中对拍频信号的鉴频鉴相结果。

4)通过增益控制对解缠绕相位差θ_u(t)进行K倍缩放，再通过数模转换转换为误差电压信号E(t)，表示如下：

E(t)＝VK·θ_u(t)

其中，K表示缩放系数，V表示数模转换系数；

5)获得误差电压信号E(t)后，模拟PID控制器通过模拟电路进行比例积分处理，输出控制电压至可调谐激光器的PZT控制端开始闭环控制；

闭环控制时，误差电压信号E(t)快速降低至零，此后，解缠绕相位差解缠绕相位差θ_u(t)＝0，即拍频信号与参考信号的频差与相位差均为零，可调谐激光器与飞秒光频梳的梳齿间保持恒定的频差，相位差也恒定为零，实现偏频锁定。

具体实施中，在FPGA开发板内同时对拍频信号进行FFT分析与频率测量，获得拍频信号信噪比与锁定后的频率稳定性用于辅助控制偏频锁定的过程，并可检测偏频锁定的质量，最终实现偏频锁定。

本发明经过步骤1)～2)处理获得的相位差具备更高的鉴相精度；在步骤1)的低通滤波过程中，可以削弱拍频信号中噪声的影响；在步骤2)中进行反正切计算获得小数相位差时正交信号中的幅值被抵消，即鉴相过程具备对拍频信号强度波动的抗干扰能力。

在步骤3)～5)中对小数相位差进行解缠绕再用于偏频锁定，可在兼顾鉴相精度的同时提高捕获范围。

二、一种激光偏频锁定中高精度鉴频鉴相信号处理的装置：

装置包括模数采样器、数字控制振荡器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、坐标旋转运算器、相位解缠绕运算器、增益控制器、数模转换器、快速傅里叶运算器、频率计数器、ARM处理器、飞秒光频梳、拍频信号探测单元、可调谐激光器、计算机、模拟PID控制器；可调谐激光器飞秒光频梳的输出端连接输入到拍频信号探测单元，拍频信号探测单元的输出端连接输入到模数采样器，模数采样器的输出端分别连接输入到第一乘法器和第二乘法器，数字控制振荡器的输出端也分别连接输入到第一乘法器和第二乘法器，第一乘法器、第二乘法器的输出端分别经第一低通滤波器、第二低通滤波器后连接输入到坐标旋转运算器中，坐标旋转运算器的输出端分别练级输入到相位解缠绕运算器和ARM处理器的一个输入端，相位解缠绕运算器的输出端依次经增益控制器、数模转换器后连接输入到模拟PID控制器的一个输入端，模拟PID控制器的输出端连接输入到可调谐激光器的控制端；同时模数采样器的输出端分别再经快速傅里叶运算器、频率计数器连接输入到ARM处理器的另外两个输入端，ARM处理器的输出端连接计算机，计算机的两个输出端分别连接到可调谐激光器和模拟PID控制器。

还包括原子钟，主要由数字控制振荡器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、坐标旋转运算器、相位解缠绕运算器、增益控制器、数模转换器、快速傅里叶运算器、频率计数器和ARM处理器共同构成了FPGA开发板，原子钟，原子钟分别连接到飞秒光频梳和FPGA开发板。

所述的数字控制振荡器连接到原子钟，数字控制振荡器输出的参考信号频率溯源至原子钟。

可调谐激光器的激光与飞秒光频梳的激光输入拍频信号探测单元，拍频信号探测单元输出信号至模数采样器，模数采样器将拍频信号采集后输入FPGA开发板；在FPGA开发板内，通过第一乘法器、第二乘法器将拍频信号与数字控制振荡器输出的参考信号相乘，再通过第一低通滤波器、第二低通滤波器对相乘后的乘积结果进行低通滤波处理，获得正交信号；坐标旋转运算器对正交信号进行反正切运算以及平方和与开方运算，获得小数相位差和幅值；坐标旋转运算器输出的小数相位差传输至相位解缠绕运算器获得解缠绕相位，再通过增益控制器进行缩放后经数模转换器产生误差电压信号，并输入到模拟PID控制器；同时通过快速傅里叶运算器和频率计数器对拍频信号进行处理获得拍频信号的信噪比与频率，拍频信号的信噪比与频率与坐标旋转运算器输出的幅值一起传输至ARM处理器；ARM处理器将接收的数据传输至计算机，计算机控制可调谐激光器进行频率预调整，完成预调整后控制模拟PID控制器启动闭环控制；模拟PID控制器根据数模转换器输出的误差电压信号和计算机输出的频率预调整信号进行比例积分处理，输出控制电压至可调谐激光器进行闭环控制，将拍频信号与参考信号之间的相位差快速锁定至零，实现偏频锁定，锁定后可调谐可调谐激光器与飞秒光频梳的梳齿频差、相位均为恒定值。

本发明具有的有益效果是：

(1)本发明采用高精度的锁相放大处理对拍频信号进行鉴频鉴相处理，所求得的小数相位差有着极高的鉴相精度并具备一定的降噪与抗干扰能力。将得到的小数相位差进一步进行相位解包裹处理，可在兼顾鉴相精度的同时提高捕获范围。

(2)本发明在完成对拍频信号进行鉴频鉴相处理的同时，可以对拍频信号进行FFT快速傅里叶分析、频率测量、幅值测量，可以用于辅助控制偏频锁定与监测偏频锁定的稳定性。

附图说明

图1是本发明方法与装置的原理框图。

图中：1、模数采样器，2、数字控制振荡器，3、第一乘法器，4、第二乘法器，5、第一低通滤波器，6、第二低通滤波器，7、坐标旋转运算器(CORDIC)，8、相位解缠绕运算器，9、增益控制器，10、数模转换器，11、快速傅里叶运算器(FFT)，12、频率计数器，13、ARM处理器，14、飞秒光频梳，15、拍频信号探测单元，16、原子钟，17、可调谐激光器，18、计算机，19、模拟PID控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明加以详细说明。

如图1所示，具体实施的装置包括模数采样器1、数字控制振荡器2、第一乘法器3、第二乘法器4、第一低通滤波器5、第二低通滤波器6、坐标旋转运算器7、相位解缠绕运算器8、增益控制器9、数模转换器10、快速傅里叶运算器11、频率计数器12、ARM处理器13、飞秒光频梳14、拍频信号探测单元15、原子钟16、可调谐激光器17、计算机18、模拟PID控制器19。

可调谐激光器17飞秒光频梳14的输出端连接输入到拍频信号探测单元15，拍频信号探测单元15的输出端连接输入到模数采样器1，模数采样器1的输出端分别连接输入到第一乘法器3和第二乘法器4，数字控制振荡器2的输出端也分别连接输入到第一乘法器3和第二乘法器4，第一乘法器3、第二乘法器4的输出端分别经第一低通滤波器5、第二低通滤波器6后连接输入到坐标旋转运算器7中，坐标旋转运算器7的输出端分别练级输入到相位解缠绕运算器8和ARM处理器13的一个输入端，相位解缠绕运算器8的输出端依次经增益控制器9、数模转换器10后连接输入到模拟PID控制器19的一个输入端，模拟PID控制器19的输出端连接输入到可调谐激光器17的控制端。

同时模数采样器1的输出端分别再经快速傅里叶运算器11、频率计数器12连接输入到ARM处理器13的另外两个输入端，ARM处理器13的输出端连接计算机18，计算机18的两个输出端分别连接到可调谐激光器17和模拟PID控制器19。

主要由数字控制振荡器2、第一乘法器3、第二乘法器4、第一低通滤波器5、第二低通滤波器6、坐标旋转运算器7、相位解缠绕运算器8、增益控制器9、数模转换器10、快速傅里叶运算器11、频率计数器12和ARM处理器13共同构成了FPGA开发板，原子钟16，原子钟16分别连接到飞秒光频梳14和FPGA开发板，为飞秒光频梳14和FPGA开发板提供参考时钟；数字控制振荡器2连接到原子钟16，数字控制振荡器2输出的参考信号频率溯源至原子钟16。

可调谐激光器17的激光与飞秒光频梳14的激光输入拍频信号探测单元15，拍频信号探测单元15输出信号至模数采样器1，模数采样器11将拍频信号采集后输入FPGA开发板；在FPGA开发板内，通过第一乘法器3、第二乘法器4将拍频信号与数字控制振荡器2输出的参考信号相乘，再通过第一低通滤波器5、第二低通滤波器6对相乘后的乘积结果进行低通滤波处理，获得正交信号；坐标旋转运算器7对正交信号进行反正切运算以及平方和与开方运算，获得小数相位差和幅值；坐标旋转运算器7输出的小数相位差传输至相位解缠绕运算器8获得解缠绕相位，再通过增益控制器9进行缩放后经数模转换器10产生误差电压信号，并输入到模拟PID控制器19；同时通过快速傅里叶运算器11和频率计数器12对拍频信号进行处理获得拍频信号的信噪比(SNR)与频率，拍频信号的信噪比(SNR)与频率与坐标旋转运算器7输出的幅值一起传输至ARM处理器13；ARM处理器13将数据(信噪比、频率、幅值)传输至计算机18，计算机18控制可调谐激光器17进行频率预调整，完成预调整后控制模拟PID控制器19启动闭环控制；

模拟PID控制器19根据数模转换器19输出的误差电压信号和计算机18输出的频率预调整信号进行比例积分处理，输出控制电压至可调谐激光器17进行闭环控制，将拍频信号与参考信号之间的相位差快速锁定至零(即拍频信号与参考信号同频同相位)，实现偏频锁定，锁定后可调谐可调谐激光器17与飞秒光频梳14的梳齿频差、相位均为恒定值。

本发明的实施例及其具体实施情况过程如下：

本发明的实施例中可调谐激光器输出波长为780nm、可以通过PZT调制端与电流调制端来调节激光波长；采用Menlo公司飞秒光频梳系统，其光频梳重复频率f_r＝250MHz，光频梳偏置频率f_o＝40MHz；模数转换器与数模转换器的采样频率均为为250MHz；FPGA开发板的FPGA芯片为ZYNQ7020，内置双核ARM A9处理器。

如图1所示，基于欠采样的激光频率锁定至光频梳方法过程实施步骤为：

原子钟16为飞秒光频梳14和FPGA开发板提供参考时钟。可调谐激光器17的激光与飞秒光频梳14的激光输入拍频信号探测单元15，拍频信号探测单元15输出信号至模数采样器1，模数采样器1将拍频信号采集后输入FPGA开发板。拍频信号可表示如下：

其中，f_a表示可调谐激光器17与飞秒光频梳14的特定梳齿间的激光频差，在未锁定时f_a会在0至125MHz范围内波动(模数采样器1的采样频率为250MHz)；A表示信号幅值，拍频信号的相位(的范围为-π至π)，t表示时间；

在FPGA开发板内，通过第一乘法器3、第二乘法器4将拍频信号S(t)与数字控制振荡器2输出的参考信号(sin(2πf_bt)，cos(2πf_bt))相乘；其中，数字控制振荡器2输出的参考信号频率溯源至原子钟16(ARM控制器13可以在20MHz至62.5MHz范围内调节数字控制振荡器2输出的参考信号的频率f_b，f_b默认值为31.25MHz，频率分辨力为250MHz/2²⁴)。通过第一低通滤波器5、第二低通滤波器6对乘积进行低通滤波处理，获得正交信号(P(t)，Q(t))，公式如下：

其中，LPF[]表示低通滤波运算，f_b表示参考信号的频率，Δf表示拍频信号与参考信号的频差，A表示信号幅值，t表示时间；sin(2πf_bt)与cos(2πf_bt)分别为参考信号的正弦参考分量、余弦参考分量，P(t)与Q(t)分别为正交信号的余弦正交分量、正弦正交分量；第一低通滤波器5、第二低通滤波器6为FIR型滤波器，截止频率可调并比参考信号频率高20MHz(即等于f_b+20MHz)。

通过坐标旋转运算器(CORDIC)7对正交信号(P(t)，Q(t))进行反正切运算获得小数相位差θ_w(t)，进行平方和开方运算获得幅值A(t)，公式如下：

其中，mod_2π[]表示余数关系，公式中表示小数相位差θ_w(t)等于相位差对2π的余数，小数相位差θ_w(t)的范围为-π至π；此处，小数相位差θ_w(t)的鉴相精度为2π/2¹⁶。

由于激光未锁定时，拍频信号与参考信号的频差Δf≠0，小数相位差θ_w(t)将呈现锯齿形周期性变化，每个周期都存在从π至-π或者从-π至时π的相位跳变。小数相位差θ_w(t)传输至相位解缠绕运算器8获得解缠绕相位，当小数相位差θ_w(t)连续变化时，记录变化幅度达到2π的次数N，N初始值为零，当小数相位从π跳变至-π时，N数值加一，当从小数相位从-π跳变至时π，N数值减一。获得解缠绕相位差θ_u(t)，公式如下：

解缠绕相位差θ_u(t)为本发明中对拍频信号的鉴频鉴相结果。

通过增益控制器9对解缠绕相位差θ_u(t)进行K倍缩放，并通过数模转换器10转换为误差电压信号E(t)，公式如下：

E(t)＝VK·θ_u(t)

其中，K表示缩放系数，V表示数模转换系数；实例中K＝2⁸/2π，缩放后的解缠绕相位差Kθ_u(t)以16位有符号数格式传输至数模转换器10，16位数据中低8位为小数相位部分，即实际输出电压中的鉴相精度为2π/2⁸。实例中，数模转换器10指标为：16位，±4伏，250MHz采样率，数模转换系数V＝4/2^16-1伏。

实施例中，数字控制振荡器2输出的参考信号的频率f_b＝31.25MHz，第一低通滤波器5、第二低通滤波器6的截止频率设置为51.25MHz。此时系统可以实现对频率在31.25MHz±20MHz以内的拍频信号进行鉴频鉴相，有利于提高捕获带宽；并且缩放后的解缠绕相位差Kθ_u(t)由于解缠绕的作用，减少了小数相位跳变的情况，在实际偏频锁定中可起到进一步提高捕获带宽的作用。上述实例中捕获带宽为40MHz。

具体实施中，通过计算机18控制可调谐激光器17进行频率预调整，完成预调整后控制模拟PID控制器19启动闭环控制，具体为模拟PID控制器19对数模转换器10输出的误差电压信号进行比例积分处理，输出控制电压至可调谐激光器17进行闭环控制，将拍频信号与参考正弦信号之间的相位差快速锁定至零(拍频信号与参考信号同频同相位，即Δf＝0，θ_u(t)＝0)；锁定后可调谐可调谐激光器17与飞秒光频梳14的特定梳齿频差、相位均为恒定值，实现偏频锁定。

同时通过快速傅里叶运算器11与频率计数器12对拍频信号进行处理获得拍频信号的信噪比(SNR)与频率，并与坐标旋转运算器7输出的幅值一起传输至ARM处理器13。ARM处理器13将数据(信噪比、频率、幅值)传输至计算机18。计算机18获得拍频信号信噪比、幅值、频率稳定性用于辅助控制偏频锁定的过程，并可检测偏频锁定的质量。

综上，本发明采用高精度的锁相放大处理对拍频信号进行鉴频鉴相处理，所求的小数相位差有着极高的鉴相精度并具备一定的降噪与抗干扰能力。将得到的小数相位差进一步进行相位解包裹处理，可在兼顾鉴相精度的同时提高捕获范围。同时，本发明可以对拍频信号进行FFT快速傅里叶分析、频率测量、幅值测量，可以用于辅助控制偏频锁定与监测偏频锁定的稳定性。