针对光纤放大器进行脉冲能量控制的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质
阅读说明：本技术 针对光纤放大器进行脉冲能量控制的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质 (System, method, apparatus, processor and computer readable storage medium for pulse energy control for fiber amplifier ) 是由 张涛 陈锋华 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种针对光纤放大器进行脉冲能量控制的系统,其中,该系统包括：输入光耦合器,用于将输入光脉冲信号输入至系统进行能量检测；光纤放大模块,用于对输入光脉冲信号进行信号放大处理；输出光耦合器,用于对放大后的输入光脉冲信号进行分路处理；能量检测模块,用于检测输出光脉冲信号的输出脉冲能量；以及控制检测子系统,用于根据光纤信号的输入检测和能量检测结果,进行增益控制的实时调整。本发明还涉及一种相应的方法、装置、处理器及其存储介质。采用了本发明的该系统、方法、装置、处理器及其存储介质,使得脉冲输出稳定时间缩短到分钟,且过程中不受环境变化影响,使系统工作准备时间缩短了百倍,系统脉冲稳定性提高了数十倍。(The invention relates to a system for pulse energy control for a fiber amplifier, wherein the system comprises: the input optical coupler is used for inputting an input optical pulse signal to a system for energy detection; the optical fiber amplification module is used for carrying out signal amplification processing on the input optical pulse signal; the output optical coupler is used for carrying out shunt processing on the amplified input optical pulse signals; the energy detection module is used for detecting the output pulse energy of the output optical pulse signal; and the control detection subsystem is used for carrying out real-time adjustment of gain control according to the input detection and energy detection results of the optical fiber signals. The invention also relates to a corresponding method, device, processor and storage medium thereof. By adopting the system, the method, the device, the processor and the storage medium thereof, the pulse output stabilization time is shortened to minutes, and the process is not influenced by environmental change, so that the system work preparation time is shortened by hundreds of times, and the system pulse stability is improved by tens of times.)
技术领域
本发明涉及光电信号处理技术领域，尤其涉及光纤放大器的控制模式技术领域，具体是指一种针对光纤放大器进行脉冲能量控制的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。
背景技术
通常的光纤放大器EDFA/YDFA一般有三种控制模式：
1、自动功率控制模式(APC)
APC:Auto Power Control,自动功率控制或者恒功率模式，是指无论输入功率Pi如何变化，该模式通过检测输出功率Po,实时调整放大器增益大小，保证输出功率Po的恒定。如图1所示，Po＝Pi+Gain。
例如，当线路衰耗或者系统老化造成输入功率Pi降低，控制系统检测到Po降低，此时系统会自动增加增益Gain，通常是通过增加Pump功率来增加增益，使得输出功率保持恒定,由下式表达：
Po＝Pi-△Pi+Gain+△Gain＝Constant
一般在单通道的光纤通信系统，比如CATV光传输系统，SDH光传输系统中，光纤放大器均采用APC控制系统来保证通信系统的稳定。
2、自动增益控制模式(AGC)
AGC:Auto Gain Control,自动增益控制或者恒增益模式，是指无论输入功率Pi如何变化，该模式通过检测输入功率Pi和输出功率Po，实时调整放大器内部Pump激光器电流和内置VOA(可调衰减器)，保证放大器增益的恒定。如图2所示，Gain＝Po-Pi。
例如，当线路衰耗或者系统老化造成输入功率Pi降低，控制系统检测到增益发生变化(通常当输入功率降低而控制系统不便的情况下，增益会增加)，此时系统会自动减小增益Gain，通常是通过减小Pump功率或者增加内部VOA的衰减量来减小增益，使得增益保持恒定,由下式表达：
Gain＝Po-Pi＝Constant
一般在DWDM多通道的光纤通信系统中，光纤放大器均采用AGC控制系统来保证通信系统的稳定。
3、自动电流控制模式(ACC)
ACC:Auto Current Control,自动电流控制或者恒功率模式，是指无论输入功率Pi，输出功率发生如何变化，该模式只保证Pump驱动电流的恒定，即在一定条件下的Pump激励功能的恒定。如图3所示，该控制模式中控制系统的决策不参照输入输出功率的任何变化，仅仅保持Pump驱动电流的恒定。
一般在一些科研系统，研究人员希望自己接手整个放大器的决策来调控放大器会采用该模式。但该模式如果用于长期自动工作的系统，由于没有与光层相关的自动反馈机制，系统会不稳定。
随着光纤放大器越来越多地应用于一些非通信领域，如光纤传感、工业激光、激光雷达等等领域，常常需要光纤放大器放大脉冲光信号，尤其是低占空比高峰值功率脉冲信号，比如光纤传感DTS信号，激光测距或激光雷达信号，ns级脉宽，kHz或以下重频。这一类信号由于脉宽窄，占空比低，常规方法无法准确地检测到输出功率，无法实现APC模式，一直比较无奈地采用ACC模式来控制。
ACC模式只能实现放大器的放大，但使用中，由于输入功率变化，环境温度的变化，线路的衰耗，器件的老化均会带来系统缓慢或者快速地输出功率变化，而ACC模式本身不能对该变化进行调节，这种模式实际上对于放大器光学来说时一种开环模式，这就使得在业界一直以来在脉冲放大精度要求比较高的系统没有很好的光纤放大器可以使用。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够有效保持脉冲输出稳定的针对光纤放大器进行脉冲能量控制的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。
为了实现上述目的，本发明的针对光纤放大器进行脉冲能量控制的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质如下：
该针对光纤放大器进行脉冲能量控制的系统，其主要特点是，所述的系统包括：
输入光耦合器，用于将输入光脉冲信号输入至系统进行能量检测；
光纤放大模块，与所述的输入光耦合器相连接，用于对所述的输入光脉冲信号进行信号放大处理；
输出光耦合器，与所述的光纤放大模块相连接，用于对放大后的所述的输入光脉冲信号进行分路处理；
能量检测模块，与所述的输出光耦合器相连接，用于检测输出光脉冲信号的输出脉冲能量；以及
控制检测子系统，与所述的输入光耦合器和输出光耦合器相连接，用于根据光纤信号的输入检测和能量检测结果，进行增益控制的实时调整。
较佳地，所述的系统包括以下处理过程：
(a)所述的能量检测模块判断当前检测到的输出脉冲能量是否低于系统预设光脉冲能量值，如果是，则进入处理过程(2)，否则，进入处理过程(3)；
(b)所述的控制检测子系统对所述的光纤放大模块自动增加放大器增益，直到输出脉冲能量等于系统预设光脉冲能量值，并进入处理过程(4)；
(c)所述的控制检测子系统对所述的光纤放大模块自动减小放大器增益，直到输出脉冲能量等于系统预设光脉冲能量值，并进入处理过程(4)；
(d)所述的输出脉冲能量恒定，完成光纤放大器的恒定输出控制。
该基于上述系统实现针对光纤放大器进行脉冲能量控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)输入所述的光脉冲信号；
(2)对所述的光脉冲信号进行信号放大处理；
(3)对放大后的所述的光脉冲信号的输出脉冲能量进行能量检测；
(4)对所述的光脉冲信号进行恒定增益控制，实现恒定输出所述的光纤放大器的输出脉冲能量。
较佳地，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)所述的能量检测模块判断当前检测到的输出脉冲能量是否低于系统预设光脉冲能量值，如果是，则进入步骤(3.2)，否则，进入步骤(3.3)；
(3.2)所述的控制检测子系统对所述的光纤放大模块自动增加放大器增益，直到输出脉冲能量等于系统预设光脉冲能量值；
(3.3)所述的控制检测子系统对所述的光纤放大模块自动减小放大器增益，直到输出脉冲能量等于系统预设光脉冲能量值。
该用于实现针对光纤放大器进行脉冲能量控制的装置，其主要特点是，所述的装置包括：
处理器，被配置成执行计算机可执行指令；
存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被所述处理器执行时，实现上述所述的针对光纤放大器进行脉冲能量控制的方法的各个步骤。
该用于实现针对光纤放大器进行脉冲能量控制的处理器，其主要特点是，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述所述的针对光纤放大器进行脉冲能量控制的方法的各个步骤。
该计算机可读存储介质，其主要特点是，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述所述的针对光纤放大器进行脉冲能量控制的方法的各个步骤。
采用了本发明的该针对光纤放大器进行脉冲能量控制的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，相较于现有技术而言，通过在放大器输出端放置一个分路器，分路器接能量检测模块，用能量检测模块得到的脉冲能量作为标准来反馈控制放大器的增益。该种自动能量控制模式(AEC模式)无论在何种情况下都保证了输出光脉冲能量的恒定，可将脉冲稳定输出时间缩短到分钟，且过程中不受环境变化影响，使系统工作准备时间缩短了百倍，系统脉冲稳定性提高了数十倍。并且AEC模式尤其适合于脉冲放大器在环境温度的变化情况下快速保持脉冲的稳定输出非常有效，具有较为突出的应用效果。
附图说明
图1为现有技术的自动功率控制模式(APC)下的结构示意图。
图2为现有技术的自动增益控制模式(AGC)下的结构示意图。
图3为现有技术的自动电流控制模式(ACC)下的结构示意图。
图4为本发明的自动能量控制模式(AEC)下的结构示意图。
图5为本发明的能量检测模块进行能量检测的脉冲能量积分示意图。
图6为现有技术中自动电流控制模式(ACC)下进行脉冲稳定性检测的示意图。
图7为本发明的自动能量控制模式(AEC)下进行脉冲稳定性检测的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
在详细说明根据本发明的实施例前，应该注意到的是，在下文中，术语“包括”、“包含”或任何其他变体旨在涵盖非排他性的包含，由此使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包含这些要素，而且还包含没有明确列出的其他要素，或者为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图4所示，该针对光纤放大器进行脉冲能量控制的系统，其中，所述的系统包括：
输入光耦合器，用于将输入光脉冲信号输入至系统进行能量检测；
光纤放大模块，与所述的输入光耦合器相连接，用于对所述的输入光脉冲信号进行信号放大处理；
输出光耦合器，与所述的光纤放大模块相连接，用于对放大后的所述的输入光脉冲信号进行分路处理；
能量检测模块，与所述的输出光耦合器相连接，用于检测输出光脉冲信号的输出脉冲能量；以及
控制检测子系统，与所述的输入光耦合器和输出光耦合器相连接，用于根据光纤信号的输入检测和能量检测结果，进行增益控制的实时调整。
作为本发明的优选实施方式，所述的系统包括以下处理过程：
(a)所述的能量检测模块判断当前检测到的输出脉冲能量是否低于系统预设光脉冲能量值，如果是，则进入处理过程(2)，否则，进入处理过程(3)；
(b)所述的控制检测子系统对所述的光纤放大模块自动增加放大器增益，直到输出脉冲能量等于系统预设光脉冲能量值，并进入处理过程(4)；
(c)所述的控制检测子系统对所述的光纤放大模块自动减小放大器增益，直到输出脉冲能量等于系统预设光脉冲能量值，并进入处理过程(4)；
(d)所述的输出脉冲能量恒定，完成光纤放大器的恒定输出控制。
该基于上述系统实现针对光纤放大器进行脉冲能量控制的方法，其中，所述的方法包括以下步骤：
(1)输入所述的光脉冲信号；
(2)对所述的光脉冲信号进行信号放大处理；
(3)对放大后的所述的光脉冲信号的输出脉冲能量进行能量检测；
(4)对所述的光脉冲信号进行恒定增益控制，实现恒定输出所述的光纤放大器的输出脉冲能量。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)所述的能量检测模块判断当前检测到的输出脉冲能量是否低于系统预设光脉冲能量值，如果是，则进入步骤(3.2)，否则，进入步骤(3.3)；
(3.2)所述的控制检测子系统对所述的光纤放大模块自动增加放大器增益，直到输出脉冲能量等于系统预设光脉冲能量值；
(3.3)所述的控制检测子系统对所述的光纤放大模块自动减小放大器增益，直到输出脉冲能量等于系统预设光脉冲能量值。
该用于实现针对光纤放大器进行脉冲能量控制的装置，其中，所述的装置包括：
处理器，被配置成执行计算机可执行指令；
存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被所述处理器执行时，实现上述所述的针对光纤放大器进行脉冲能量控制的方法的各个步骤。
该用于实现针对光纤放大器进行脉冲能量控制的处理器，其中，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述所述的针对光纤放大器进行脉冲能量控制的方法的各个步骤。
该计算机可读存储介质，其中，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述所述的针对光纤放大器进行脉冲能量控制的方法的各个步骤。
请参阅图5所示，本发明的自动能量控制模式(AEC)下的能量检测电路可以检测出每一个放大脉冲或一串脉冲的能量，即对每一个脉冲进行快速积分，得到每个脉冲能量：
Energy＝∫P(t)dt
然后通过控制系统对脉冲能量进行比较实时调整放大器的增益，保证输出脉冲能量的稳定。通常对于放大器而言不会改变脉冲的脉宽和形状，所以能量恒定就决定了输出脉冲峰值功率的恒定。
在本发明的一具体实施方式中，输入光脉冲信号IS进入光纤放大模块，放大后信号连接光分路器(即输出光耦合器)，分路后的部分信号进入能量检测模块，能量检测模块连接控制检测子系统，控制检测子系统根据能量检测的的大小，对光纤放大模块发出增益控制信号GC，由光纤放大模块-输出光耦合器-能量检测模块-控制检测子系统以脉冲能量为依据形成闭环控制，从而实现放大输出脉冲能量的稳定。
在本发明的一具体实施方式中，请参阅图6和图7所示，我们采用1550nm,10ns脉宽，10kHz重频，输出1uJ左右的脉冲放大。
当采用常规的ACC模式，由于设备的热稳定需要较长时间，导致脉冲输出需要长达小时级的稳定时间，而且易受环境温度的影响。
当采用的AEC控制模式放大器以后，稳定时间缩短到分钟，且过程中不受环境变化影响，使系统工作准备时间缩短了百倍，系统脉冲稳定性提高了数十倍。
AEC模式尤其适合于脉冲放大器在环境温度的变化情况下快速保持脉冲的稳定输出非常有效。
从图6中可以看出，当光放处于ACC模式时，由于设备热平衡的建立，系统需要2～3小时才能稳定，而且过程中极易受环境温度变化的影响。由于带能量监测快速反馈后，系统很快建立稳定，而且实现不受外界环境影响的长时间稳定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成的，程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
采用了本发明的该针对光纤放大器进行脉冲能量控制的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，相较于现有技术而言，通过在放大器输出端放置一个分路器，分路器接能量检测模块，用能量检测模块得到的脉冲能量作为标准来反馈控制放大器的增益。该种自动能量控制模式(AEC模式)无论在何种情况下都保证了输出光脉冲能量的恒定，可将脉冲稳定输出时间缩短到分钟，且过程中不受环境变化影响，使系统工作准备时间缩短了百倍，系统脉冲稳定性提高了数十倍。并且AEC模式尤其适合于脉冲放大器在环境温度的变化情况下快速保持脉冲的稳定输出非常有效，具有较为突出的应用效果。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
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