CN110749875A - 一种导频自适应的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导频自适应的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块,由激光器、马赫曾德调制器、光纤耦合器、DSP偏压控制模块、脉冲输出模块组成。DSP偏压控制模块产生导频信号给马赫曾德调制器后输出的光信号反馈给DSP偏压控制模块进行FFT,得到对应的一次谐波与二次谐波的幅值分量与相位关系,将谐波幅值比作为误差信号通过数字PID使马赫曾德调制器的工作点稳定在NULL点。加载脉冲信号进行脉冲调节,由于不同频率的脉冲对导频产生的干扰不同,造成NULL点无法稳定,DSP偏压控制模块自适应调节导频的频率,直到NULL点再次实现稳定。本发明通过引入导频自适应调节技术,实现了任意频率的激光脉冲高消光比输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种导频自适应的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块,适用于脉冲激光雷达领域。
背景技术
激光雷达(LiDAR)是一种采用激光器作为发射光源的雷达探测***。脉冲激光雷达除了被应用在战场侦测、水下探测、激光制导、卫星遥感等军事和国防领域外,也广泛地应用到植被探测、激光通信、大气监测、城市规划和交通安全等民用领域,为国防安全、社会经济和科学研究做出了巨大的贡献。
脉冲激光雷达***中的激光脉冲大多是通过调制器生成的。调节马赫曾德调制器的偏置工作点,使其工作在NULL点,然后在射频口加载脉冲信号,可以实现激光的脉冲调节,得到高消光比的激光脉冲。马赫曾德调制器的工作点会随着外部环境变化以及工作时间推移而变化,需要实时控制偏置电压的输出,实现对工作点的锁定。加载脉冲信号给马赫曾德调制器进行激光脉冲调节,由于不同频率的脉冲对导频产生的干扰不同,造成NULL点无法稳定,从而影响激光脉冲的输出。
传统的基于模拟电路的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块无法实现任意频率激光脉冲调节。本发明通过综合马赫曾德调制器传输曲线特性,深入分析脉冲信号对导频的干扰情况,提出了一种任意频率激光脉冲调节的偏压控制方案,本方案基于导频的马赫曾德调制器偏压控制技术,结合导频自适应调节方案,从原理上抑制了脉冲信号对导频的影响。
发明内容
本发明的目的是:提供一种导频自适应的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块,以解决脉冲信号对导频干扰导致的马赫曾德调制器工作点无法稳定的问题。
本发明的技术解决方案是:一种导频自适应的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块,其特征在于:包括激光器、马赫曾德调制器、光纤耦合器、DSP偏压控制模块、脉冲输出模块,其中激光器作为整个***的光源传输到马赫曾德调制器,由马赫曾德调制器输出的光信号通过光纤耦合器分出部分光给DSP偏压控制模块,DSP偏压控制模块通过调节偏置电压完成对马赫曾德调制器工作曲线的扫描,得到马赫曾德调制器的半波电压Vπ等参数,进而实现马赫曾德调制器工作点的稳定。脉冲输出模块提供待载的脉冲信号给马赫曾德调制器实现激光脉冲调节。由DSP偏压控制模块对传输给马赫曾德调制器的偏置电压进行监测,计算偏置电压扰动的标准差R,即NULL点的抖动范围。当抖动超过***设定值时,则认为马赫曾德调制器的工作点无法稳定。设置导频的频率改变量,自适应地更改导频的频率,快速实现马赫曾德调制器工作点的稳定。
所述的DSP偏压控制模块包括光电探测器、输入滤波网络、DSP模块、输出滤波网络、按键模块。输入的光信号通过光电探测器转换为电信号,经过输入滤波网络传给DSP模块进行处理,DSP模块将处理好的信号经过输出滤波网络传输到马赫曾德调制器。通过改变马赫曾德调制器的偏置电压,调节马赫曾德调制器的工作点。
所述的导频由DSP模块内部生成,同时给定导频的初始频率,导频幅值通过按键模块更改。导频输出给马赫曾德调制器后反馈给DSP模块,由DSP模块进行FFT得到反馈信号的一次谐波、二次谐波的幅值分量与相位关系,将幅值分量的比值作为误差信号,相位关系作为判断马赫曾德调制器工作点的位置的依据。通过DSP模块对误差信号进行数字PID处理,调节偏置电压的输出值,实现马赫曾德调制器工作点的稳定。
所述的马赫曾德调制器激光脉冲调节,需要DSP偏压控制模块对传输给马赫曾德调制器的偏置电压进行监测,计算偏置电压输出扰动的标准差R,即NULL点的抖动范围。不同的马赫曾德调制器半波电压Vπ不同,致使相同的偏置电压差造成马赫曾德调制器工作点变化量不同,需要测量马赫曾德调制器半波电压Vπ等参数,计算出相对误差当相对误差Δ超过***设定的临界值K时,即Δ>K,则认为马赫曾德调制器的工作点无法稳定,此时,DSP偏压控制模块自适应地逐步更改导频的频率。
所述的导频自适应更改,需要DSP偏压控制模块产生的导频能够快速且在最小变动的情况下避开脉冲信号的干扰。由DSP模块计算出数字滤波的带宽。由于脉冲信号在不同频率下的幅值分量不同,通过设置滤波带宽为频率改变量,更改导频频率大小,实现马赫曾德调制器工作点的稳定。
本发明的原理是:在偏置电压上引入导频信号给马赫曾德调制器,导频信号在马赫曾德调制器的转换特性曲线上各个工作点对应的一次谐波与二次谐波的幅值分量与相位情况不同。通过对偏置电压的调节可以实现马赫曾德调制器工作点的稳定。射频接口引入脉冲信号,对部分频率的导频有干扰,自适应地更改导频频率,避开脉冲信号的干扰,能够保持工作点的稳定。
本发明的有益效果是:本发明采用了导频幅值、频率任意可调技术,适应了对导频有特定要求的功能模块;采用了导频自适应调节技术,避免了脉冲信号对导频的干扰,实现了任意脉冲信号下马赫曾德调制器工作点的稳定。
附图说明
图1是总体方案设计框图。
图2是导频自适应技术流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示,本发明的导频自适应的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块包括激光器(1)、马赫曾德调制器(2)、光纤耦合器(3)、DSP偏压控制模块(4)、脉冲输出模块(10)。激光器(1)作为整个***的光源连接马赫曾德调制器(2)实现对信息的加载。DSP偏压控制模块(4)实现马赫曾德调制器(2)工作点的稳定。由DSP模块(7)产生一定幅值、频率的导频经过输出滤波网络(8)后加载在偏置电压上传输给马赫曾德调制器(2),输出的光信号通过光纤耦合器(3)分出部分光给DSP偏压控制模块(4),由光电探测器(5)转换为电信号,经过输入滤波网络(6)后传输给DSP模块(7)实现对反馈信号的处理。将反馈信号进行FFT,得到对应的一次谐波、二次谐波的幅值分量与相位分量,将幅值分量的比值作为误差信号,相位关系作为判断马赫曾德调制器(2)工作点的位置的依据。
马赫曾德调制器(2)的工作曲线可以由下式表示:
对应的一次谐波与相位关系:
其中Po1为一次谐波幅值大小,φ1为马赫曾德调制器(2)的工作曲线对应的一次谐波相位,A的取值为±1,当相位φ1为0时,A为1;当相位φ1为π时,A为-1,k为正整数。
对应的二次谐波与相位关系:
其中Po2为二次谐波幅值大小,φ2为马赫曾德调制器(2)的工作曲线对应的二次谐波相位,A的取值为±1,当相位φ2为0时,A为1;当相位φ2为π时,A为-1,k为正整数。
当马赫曾德调制器(2)工作在NULL点时,一次谐波分量最小,二次谐波分量最大。将谐波幅值分量比作为误差信号,通过DSP模块(7)对误差信号进行数字PID处理,可以实现马赫曾德调制器(2)工作点的稳定。当马赫曾德调制器(2)稳定在NULL点时,由脉冲输出模块(10)输出需求的脉冲信号,通过射频接口加载到马赫曾德调制器(2)上,实现激光脉冲调制。
如图2所示,本发明的导频自适应技术流程为:DSP偏压控制模块(4)产生一定幅值、频率的导频加载在偏置电压上传输给马赫曾德调制器(2),由光纤耦合器(3)分出部分光信号反馈给DSP偏压控制模块(4),计算出导频对应的一次谐波、二次谐波的幅值分量与相位关系,使马赫曾德调制器(2)的工作点稳定在NULL点。由脉冲输出模块(10)输出需求的脉冲信号给马赫曾德调制器(2),产生对应的激光脉冲。由于脉冲信号的引入,会对导频对应的一次谐波、二次谐波的幅值分量与相位关系造成影响,造成NULL点无法稳定。由DSP偏压控制模块(4)对传输给马赫曾德调制器(2)的偏置电压进行监测,计算偏置电压输出扰动的标准差R,即NULL点的抖动范围。不同的马赫曾德调制器(2)半波电压Vπ不同,致使相同的偏置电压差造成马赫曾德调制器(2)工作点变化量不同,需要测量马赫曾德调制器(2)半波电压Vπ等参数,计算出相对误差当相对误差Δ超过***设定的临界值K时,即Δ>K,则认为马赫曾德调制器(2)的工作点无法稳定,DSP偏压控制模块(4)自适应地逐步更改导频的频率。由DSP模块(7)计算出数字滤波的带宽,由于脉冲信号在不同频率下的幅值分量不同,通过设置滤波带宽为频率改变量,更改导频频率大小,实现马赫曾德调制器(2)工作点的稳定。
Claims (5)
1.一种导频自适应的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块,其特征在于:包括激光器(1)、马赫曾德调制器(2)、光纤耦合器(3)、DSP偏压控制模块(4)、脉冲输出模块(10),其中激光器(1)作为整个***的光源传输到马赫曾德调制器(2),由马赫曾德调制器(2)输出的光信号通过光纤耦合器(3)分出部分光给DSP偏压控制模块(4),DSP偏压控制模块(4)通过调节偏置电压完成对马赫曾德调制器(2)工作曲线的扫描,得到马赫曾德调制器(2)的半波电压Vπ等参数,进而实现马赫曾德调制器(2)工作点的稳定;脉冲输出模块(10)提供待载的脉冲信号给马赫曾德调制器(2)实现激光脉冲调节;由DSP偏压控制模块(4)对传输给马赫曾德调制器(2)的偏置电压进行监测,计算偏置电压扰动的标准差R,即NULL点的抖动范围;当抖动超过***设定值时,则认为马赫曾德调制器(2)的工作点无法稳定;设置导频的频率改变量,自适应地更改导频的频率,快速实现马赫曾德调制器(2)工作点的稳定。
2.根据权利要求1所述的导频自适应的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块,其特征在于:所述的DSP偏压控制模块(4)包括光电探测器(5)、输入滤波网络(6)、DSP模块(7)、输出滤波网络(8)、按键模块(9);输入的光信号通过光电探测器(5)转换为电信号,经过输入滤波网络(6)传给DSP模块(7)进行处理,DSP模块(7)将处理好的信号经过输出滤波网络(8)传输到马赫曾德调制器(2);通过改变马赫曾德调制器(2)的偏置电压,调节马赫曾德调制器(2)的工作点。
3.根据权利要求2所述的导频自适应的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块,其特征在于:所述的导频由DSP模块(7)内部生成,同时给定导频的初始频率,导频幅值通过按键模块(9)更改;导频输出给马赫曾德调制器(2)后反馈给DSP模块(7),由DSP模块(7)进行FFT得到反馈信号的一次谐波、二次谐波的幅值分量与相位关系,将幅值分量的比值作为误差信号,相位关系作为判断马赫曾德调制器(2)工作点的位置的依据;通过DSP模块(7)对误差信号进行数字PID处理,调节偏置电压的输出值,实现马赫曾德调制器(2)工作点的稳定。
4.根据权利要求1所述的导频自适应的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块,其特征在于:所述的马赫曾德调制器(2)激光脉冲调节,需要DSP偏压控制模块(4)对传输给马赫曾德调制器(2)的偏置电压进行监测,计算偏置电压输出扰动的标准差R,即NULL点的抖动范围;不同的马赫曾德调制器(2)半波电压Vπ不同,致使相同的偏置电压差造成马赫曾德调制器(2)工作点变化量不同,需要测量马赫曾德调制器(2)半波电压Vπ等参数,计算出相对误差当相对误差Δ超过***设定的临界值K时,即Δ>K,则认为马赫曾德调制器(2)的工作点无法稳定,此时,DSP偏压控制模块(4)自适应地逐步更改导频的频率。
5.根据权利要求1所述的导频自适应的马赫曾德调制器激光脉冲调节模块,其特征在于:所述的导频自适应更改,需要DSP偏压控制模块(4)产生的导频能够快速且在最小变动的情况下避开脉冲信号的干扰;由DSP模块(7)计算出数字滤波的带宽;由于脉冲信号在不同频率下的幅值分量不同,通过设置滤波带宽为频率改变量,更改导频频率大小,实现马赫曾德调制器(2)工作点的稳定。
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