CN114826426B - 一种参数自适应的高精度数字激光锁相***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种参数自适应的高精度数字激光锁相***及方法，包括两***立激光器、干涉光路、光电探测器模块和控制模块，两***立激光器包括主激光器和从激光器，主激光器和从激光器输出激光光源，PZT控制模块和TEC控制模块两个驱动器控制从激光器跟随主激光器的相位变化，干涉光路产生主激光器激光和从激光器激光的干涉光信号，光电探测器将干涉光信号转换为电信号，控制模块采集光电探测器的电信号，将电信号转换为数字信号。本发明的一种参数自适应的高精度数字激光锁相***及方法实现复杂动态环境的参数自主优化的高精度数字激光锁相环。
Description
技术领域
本发明涉及激光通信技术领域，尤其是一种参数自适应的高精度数字激光锁相***及方法。
背景技术
与电锁相环***相似，光学锁相环是一种通过信号相位反馈控制激光器输出信号频率的***，使从激光器跟踪主激光器的相位，通过反馈控制从激光器的频率，使得从激光器与主激光器相位的变化保持一致，对于外差锁相***，实现从激光器、主激光器、参考信号三者之间的相位差为零。
光学锁相环在激光干涉测量、激光通信领域不可或缺。在空间引力波探测的应用中，利用极高精度的光学锁相环可以实现在百万公里的距离范围测量pm量级的位移变化；对于量子通信网络，利用高精度的光学锁相环可以极大程度地提高信息传递速率。引力波探测和量子通信领域越来越多地受到国际科研机构的关注和重视，光学锁相环技术也随之飞速发展。
光学锁相环是对多束光信号的相位信息进行读取，再通过光学压控振荡器对光的相位进行调控，使得多束光相位保持同步的技术。在光通信及干涉测量应用中，锁定相位误差是相位稳定度的衡量指标。这项指标的精度取决于光学锁相环***外部环境噪声、内部器件噪声以及锁相控制***压制噪声的能力。
相比较于地面应用的光学锁相环技术，空间应用要求使用全自动的无人控制***来应对各种复杂环境，并且由于两颗卫星之间存在相对运动，空间应用的激光干涉链路不断变化，所以光学锁相干涉信号存在很多影响因素，在复杂动态环境中甚至存在一些潜在的未知噪声，传统的地面用光学锁相环技术通常采用固定参数的控制方法，在相对稳定的环境中是可以使用的，但是在空间应用的复杂环境中控制灵活性较差，导致***稳定性较差，参数需要自主适应环境调整。
CN201810652514.3公开了一种减小环路带宽来压制锁相环内噪声的自适应方法，该技术手段是通过减少进入***的相位噪声使得观测到的相位噪声减少，但是对于激光锁相控制***，需要锁相环的环路带宽足够大，单纯减小环路带宽会使锁相环无法压制激光器的相位噪声，进而使整个锁相***失去功能，并且激光锁相***所处环境复杂，存在很多潜在噪声。
CN206181084U公开了一种瞬时幅度谱密度计算方法，能够利用FPGA识别数字信号中的频率分量，但是对于激光锁相控制***，低频噪声尤为关键，需要长时间数据的幅度谱密度计算，对于mHz频段的噪声，需要采样1小时以上的数据，并对采样到的数据进行幅度谱密度计算。
目前激光相位数字锁定方法主要存在三个方面的问题，首先，对于锁定精度的测量，现有的技术手段大多只对锁相的环内相位进行测量，只能反映锁相的环内精度，自适应算法也是针对锁相环环内噪声进行抑制，但实际使用时需要环外的锁相精度来衡量锁相环的锁定性能。第二方面，越来越多的光学锁相环应用开始倾向于数字控制方法，虽然数字电路有灵活性的优势，但从现有报道中来看，现有激光数字相位锁定方法存在锁定精度低的问题。第三方面，当***处在复杂动态环境中，固定参数的数字锁相***无法抑制潜在噪声，手动调参优化不适用于无人控制的空间应用***。
因此，如何解决复杂环境下潜在噪声导致的激光锁相控制***性能变差的问题，实现复杂动态环境下，精确识别潜在噪声并抑制，实现复杂动态环境的参数自主优化的高精度数字激光锁相环，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一个目的在于，提供一种适用于复杂动态环境的参数自主优化的高精度数字激光相位锁定***。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种参数自适应的高精度数字激光锁相***，其特征在于：包括两***立激光器、干涉光路、光电探测器模块和控制模块，两***立激光器包括主激光器和从激光器，主激光器和从激光器输出激光光源， PZT控制模块和TEC控制模块两个驱动器控制从激光器通过跟随主激光器的相位变化，干涉光路产生主激光器激光和从激光器激光的干涉光信号，光电探测器将干涉光信号转换为电信号，控制模块采集光电探测器的电信号，将电信号转换为数字信号，通过数字信号锁相形成数字控制信号，数字控制信号转化为模拟控制信号，模拟控制信号控制从激光器输出的信号频率，跟踪主激光器的相位并与其保持一致，所述控制模块统包括相位高精度测量模块、相位幅度谱密度计算模块和自主优化参数模块，所述相位高精度测量模块，读取相位锁定后干涉信号的相位信息，并将持续相位信息进行存储，为相位幅度谱密度计算模块的相位误差幅度谱密度计算提供数据；
相位幅度谱密度计算模块，包括自协方差计算模块、离散傅里叶转换模块、平方根模块和极大值搜索模块，相位信息通过自协方差计算模块处理得到自协方差，自协方差通过离散傅里叶转换模块进行数据的离散傅里叶转换得到功率谱密度曲线，功率谱密度曲线通过平方根模块进行平方根处理，得到幅度谱密度数据，幅度谱密度数据通过极大值搜索模块进行极大值搜索处理，得到极大值点出现的频率位置，相位幅度谱密度计算模块计算获得不同频段的相位误差；
自主优化参数模块包括极值阈值判断模块、PID级数控制模块、PID参数控制模块，极值阈值判断模块对极大值搜索模块搜索处理得到的极大值点进行阈值判断，以相应频段锁定后的相位误差值预设定阈值，判断极大值点是否大于阈值，并记录大于阈值极点的频率位置，将记录的极点的频率位置输入至所述PID级数控制模块以及PID参数控制模块，对应调整相位锁定的第一环路滤波器的级数及每一级的控制参数，之后重新锁定信号相位反馈控制***，以实现参数自适应优化。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述控制模块为一电子学电路板，包括A/D采集电路、FPGA电路和D/A转换电路，一路 A/D采集电路采集光电探测器的电信号并把它转化为数字信号，FPGA电路装载数字相位自动锁定***形成数字控制信号，两路D/A转换电路，用于将数字控制信号转化为模拟控制信号；
其中，数字相位自动锁定***，包括频率捕获环路和相位锁定环路，频率捕获环路扫描并控制从激光器的频率，相位锁定环路控制从激光器跟踪主激光器的频率，实现主激光器与从激光器自动相位锁定。
作为本发明的优选技术方案：所述频率捕获环路包括频率自动扫描模块、峰值信号识别模块、第二D/A转换电路、TEC控制模块；频率自动扫描模块输出一个随时间不断增加的数字信号；所述的峰值信号识别模块能够接收外部输入设定的目标频率和目标峰值，自动判断峰值信号是否已经进入目标阈值，在进入目标阈值的时刻停止频率扫描，并打开所述的相位锁定环路；所述的第二D/A转换电路将所述频率自动扫描模块输出的数字信号转化为电压信号，将电压信号输出至TEC控制模块；所述的TEC控制模块改变从激光器的频率，以到达所述峰值信号识别模块的目标阈值；
其中，所述的频率自动扫描模块中包括峰值信号识别模块，识别电信号频谱中的峰值信号的频率及其幅值；外部输入的方法可以使用上位机加串口实现，上位机包括显示器、主机、键盘等，通过通信连接FPGA，操作人员输入控制信号，并将控制信号通信给FPGA，FPGA板卡中包含串口芯片，将上位机数据转换为串口通信协议输入至FPGA内部，为锁相控制***提供信号；
作为本发明的优选技术方案：所述相位锁定环路包括第一鉴相器、第一数控振荡器、第一环路滤波器、第一D/A转换电路、高压放大模块、PZT控制模块，所述第一数控振荡器输出固定频率的正弦波信号，作为数字参考源；第一鉴相器接收来自所述A/D采集电路的数字信号和第一数控振荡器的数字信号，解算两路信号的相位差，并将两路信号的相位差输出至第一环路滤波器；所述第一环路滤波器将所述第一鉴相器输出的相位误差信号进行数字放大滤波处理，将其输出给第一D/A转换电路；所述的第一D/A转换电路将电压输入给高压放大模块，以适配PZT控制模块的电压控制；所述PZT控制模块直接改变所述从激光器的频率，通过调整频率改变相位变化率，完成相位锁定环路。
作为本发明的优选技术方案：所述高压放大模块采用OPA552芯片，通过滑动变阻器设定放大倍数为1至30倍可调，并且高压放大模块带宽与PZT控制模块带宽设计一致以降低电路高频噪声干扰，提高相位锁定精度；
所述相位锁定环路中的第一环路滤波器的参数开放任意可调，包括PI、PD的级数以及每一级中的参数，用于修改第一环路滤波器的传输函数的目的。
作为本发明的优选技术方案：所述相位高精度测量模块包括第二数控振荡器、第二鉴相器、第二环路滤波器、第三数控振荡器、相位解调模块和相位信息采集模块，所述第二数控振荡器输出一路数字正弦信号和一路数字余弦信号，两路信号频率相同，相位相差90°；所述第二鉴相器，接收所述第二数控振荡器的一路数字正弦信号，并将该数字正弦信号与所述的A/D采集电路的数字信号进行鉴相处理，输出的相位误差信号进入第二环路滤波器；所述第二环路滤波器将相位误差信号进行放大及滤波处理，输出至所述第二数控振荡器的频率控制字寄存器，通过修改第二数控振荡器的频率控制字寄存器可以改变正弦信号的频率值，进而使第二数控振荡器输出的数字正弦信号与A/D采集电路的数字信号相位保持一致；所述第三数控振荡器的频率开放可调，与第一数控振荡器设定频率相同，将所述第三数控振荡器的相位累加器输出的相位值作为参考相位；所述相位解调模块，接收所述第二、第三数控振荡器输出的相位累加器输出的相位值，并进行减法操作，解算出的相位信息即为所述A/D采集电路的被测信号的相位信息，其中，所述第二数控振荡器的初始频率可调以适用于不同频率的干涉信号；
所述相位信息采集模块将相位解调模块解算出的相位信息进行采样，采样时间及采样速率参考以关注的频段。
作为本发明的优选技术方案：所述第二环路滤波器选用高阶环路滤波器，以压制干涉信号中不关注的频段的噪声；
所述第二数控振荡器的初始频率通过外部输入进行任意修改，以适用于不同频率的干涉信号。
作为本发明的优选技术方案：所述相位幅度谱密度计算模块包括第一存储器模块、自协方差计算模块、第二存储器模块、离散傅里叶变换模块、第三存储器模块、平方根模块、第四存储器模块、极大值搜索模块；所述第一存储器模块存储来自所述相位解调模块解算出的相位信息，用于计算获得不同频段的相位误差，存储时间和采样频率以相位幅度谱密度关注的频段为要求；所述自协方差计算模块将所述第一存储器模块中的数据做自协方差处理，将计算好的自协方差存储到所述的第二存储器模块中；所述离散傅里叶变换模块将第二存储器模块中的数据进行离散傅里叶变换，将离散傅里叶变换的功率谱密度值存储到第三存储器模块中，所述第三存储器中存储功率谱密度曲线，所述的平方根模块将所述第三存储器中的数据进行平方根处理得到信号的幅度谱密度，并将幅度谱密度存储在所述第四存储器模块中。
作为本发明的优选技术方案：所述PID级数控制模块和PID参数控制模块自动调整所述第一环路滤波器的PID级数和参数，自动调整依据是幅度谱密度数据的大小，当幅度谱密度数据中出现大于噪声阈值的极大值，则自动认为光学锁相环的相位噪声需要进一步被抑制，每有一个大于噪声阈值的极大值点，增加一级PID控制器，该级PID控制器使得所述第一环路滤波器的波特图在噪声极大值点所在频率的增益增加，从而增强该频点处的相位噪声抑制能力；尤其当参数自适应的高精度数字激光锁相***中引入潜在噪声，从所述幅度谱密度数据中***能够自动识别噪声的出现，因为潜在噪声的出现会使所述幅度谱密度数据出现一个大于噪声阈值的极大值点，所述PID级数控制模块会自动增加一级PID控制器，并利用所述PID参数控制模块，对潜在噪声所在频率增加控制增益，增强该频率处的噪声抑制能力，直至将潜在噪声压制到噪声阈值以下，使得光学锁相***能够自主抑制潜在噪声，自主适应复杂动态环境，始终保持高精度的相位锁定。
本发明的第二个目的在于，提供一种适用于复杂动态环境的参数自主优化的高精度数字相位锁定方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种适用于复杂动态环境的参数自主优化的高精度数字相位锁定方法，包括以下步骤：
S1，数字相位自动锁定***对主激光器与从激光器的相位自动锁定；
S2，相位高精度测量模块对激光干涉信号相位的高精度测量读取，并对锁定相位数值进行记录；
S3，相位幅度谱密度计算模块对锁定相位数值进行计算得到相位误差的幅度谱密度，用于分析锁定后的噪声出现频段；
S4，自主优化参数模块算法通过S3中获得的幅度谱密度曲线分析噪声频带自主优化算法参数，自动识别没有满足目标相位精度的频率点，以自动修改环路滤波器的级数以及每一级的控制参数，控制从激光器输出的信号频率与主激光器的频率变化保持一致；其中，所述自主优化参数模块的自主优化算法包括：
在***完成了第一次相位锁定功能之后即开始运行，直至***关机结束，记录迭代次数J，初始迭代次数J设为1，等待极大值搜索模块完成一帧数据处理；
之后，利用极值阈值判断模块处理极大值搜索模块，当不存在大于噪声阈值的极大值时说明***达到高精度锁相要求，反之***未实现高精度锁相要求，需要进一步抑制相位噪声；首先存储大于噪声阈值的N个极大值点，N≥1，极大值点集合记为Ai,j，i代表第i个极大值点，j代表第j次迭代极大值点的对应的频率值记为fi.j；
如果***是第一次迭代，则认为所有的极大值点都是第一次被处理，也就是每一个极大值点都需要增加一级PID控制器，共增加N个PID控制器，并将PID控制器在fi,j处的增益设置为4dB，其中PI为2dB，PD为2dB，设置为4dB；
如果不是第一次迭代，则说明***在之前迭代中可能对某些极大值点已经进行过处理，无需增加新的PID控制器，只需要对之前的控制器提高增益；首先搜索本次迭代的极大值点集合Ai,j是否存在与之前J-1次迭代的极大值点集合Pi,j有交集，交集体现为Ai,j的频率fi,j与Pi,j的频率fi`,j`值相等，如果不存在相同频率，则认为本次发现的Ai,j均从未被处理过，与第一次迭代的处理相同；如果存在相同频率，Ai,j与Pi,j存在交集，且相同频率fi,j或fi`.j`处的噪声抑制能力尚不足，需要进一步增加增益，提高噪声抑制能力；Ai,j与Pi,j的交集记为Bi,j，假设Bi,j包含M个元素，M<N，Bi,j的极大值点均在之前的J-1次迭代中被处理过；集合Ai,j排除Bi,j后剩余集合为Ci,j，Ci,j中存在N-M个极大值点，是在J-1次迭代中未被处理过的极大值点；对于Bi,j只需要对之前的PID控制器增益增加即可，对于Ci,j则需要增加N-M个PID控制器，并设定初始增益；最终完成本次迭代后，J的计数加一；直至极值阈值判断模块输出为不存在大于噪声阈值的极大值，保持当前第一环路滤波器的状态；如果***中出现潜在噪声，则会自动进入自主优化参数算法程序流程，有针对性地对潜在噪声进行压制。
本发明的一种参数自适应的高精度数字激光锁相***及方法，使用两***立自由运转激光器以及其他光学元件构成干涉仪，利用高速ADC对干涉信号进行模数转换，核心部分使用FPGA实现参数自适应的高精度锁相控制，基于自动锁相和高精度相位读出两个基本功能，自动识别锁相噪声频段，并根据噪声所处频段自主优化参数。最终达到***在复杂动态环境下，即使出现了潜在噪声干扰，仍具备自主抑制噪声的能力，使***长时间保持高精度的光相位锁定，让激光锁相***可以走出实验室的稳定环境，实际应用到真实场景中，在激光干涉测量、相干光通信、时频传递以及量子领域，具有很大的发展空间和应用价值。
附图说明
图1为本发明的适用于复杂动态环境的参数自主优化的高精度数字激光相位锁定***的结构示意图；
图2为本发明的数字相位自动锁定***示意图；
图3为本发明的第一环路滤波器结构示意图；
图4为本发明的相位高精度测量模块结构图；
图5为本发明的相位幅度谱密度计算模块示意图；
图6为本发明的自主优化参数算法示意图；
图7为本发明的自主优化参数算法程序流程示意图；
图8为本发明的自主优化流程模块示意图；
附图中，主激光器1、从激光器2、PZT控制模块2.1、TEC控制模块2.2、干涉光路3、电子学电路板4，A/D采集电路4.1、第一D/A转换电路4.2、第二D/A转换电路4.3，FPGA电路4.4、高压放大模块5、第一鉴相器6.2、第一数控振荡器6.1、第一环路滤波器6.3、峰值信号识别模块7.1、频率自动扫描模块7.2、第二数控振荡器8.1、第二鉴相器8.2、第二环路滤波器8.3、相位调节模块8.4、相位采集模块8.5、第一存储器模块9.1、自协方差计算模块9.2、第二存储器模块9.3、离散傅里叶变换模块9.4、第三存储器模块9.5、平方根模块9.6、第四存储器模块9.7、极大值搜索模块9.8、极值阈值判断模块 10.1、PID级数控制模块10.2、PID参数控制模块10.3、自主优化参数算法程序流程10.4、***整机自主优化流程11。
具体实施方式
如图1所示，本发明的提供了一种适用于复杂动态环境的参数自主优化的高精度数字激光锁相***，两***立激光器的全自动相位锁定装置，所述自动相位锁定装置使两台激光器能够在无人的条件下自动完成锁相，主要包括三个部分，干涉光路、电子学电路以及自动锁相算法。
一种参数自适应的高精度数字激光锁相***，包括两***立激光器、干涉光路、光电探测器模块和控制模块，两***立激光器包括主激光器和从激光器，主激光器和从激光器输出激光光源， PZT控制模块和TEC控制模块两个驱动器控制从激光器通过跟随主激光器的相位变化，干涉光路产生主激光器激光和从激光器激光的干涉光信号，光电探测器将干涉光信号转换为电信号，控制模块采集光电探测器的电信号，将电信号转换为数字信号，通过数字信号锁相形成数字控制信号，数字控制信号转化为模拟控制信号，模拟控制信号控制从激光器输出的信号频率，跟踪主激光器的相位并与其保持一致，所述控制模块统包括相位高精度测量模块、相位幅度谱密度计算模块和自主优化参数模块，所述相位高精度测量模块，读取相位锁定后干涉信号的相位信息，并将持续相位信息进行存储，为相位幅度谱密度计算模块的相位误差幅度谱密度计算提供数据。
如图1所示，本发明参数自适应的高精度数字激光锁相***，包括：两***立的1064nm激光器，包含一台主激光器1和一台从激光器2，用于产生激光光源信号，不对所述主激光器1进行控制，所述从激光器2使用PZT控制模块2.1和TEC控制模块2.2进行控制，用于跟随主激光器1的相位变化；干涉光路3为一个光学平台，用于产生两束激光的干涉光信号；光电探测器，用于将干涉光信号转化为电信号。
其中，PZT控制模块为压电陶瓷驱动器，TEC控制模块为温度控制驱动器，PZT控制模块可以快速改变激光频率，带宽为百kHz量级，TEC控制模块可以慢速改变激光频率，带宽为Hz量级。
本发明在实施过程中研制了电子学电路板作为控制模块，所述控制模块包括：一路A/D采集电路4.1，用于采集光电探测器的电信号，并把它转化为数字信号；第一D/A转换电路，用于将数字控制信号转化为模拟控制信号；FPGA电路4.4，用于装载数字锁相算法。
本发明中的数字相位自动锁定***，包括相位锁定环路和频率捕获环路，用于实现相位的自动锁定，频率捕获环路用于在大范围内扫描并控制所述从激光器的频率，相位锁定环路6用于将所述从激光器跟踪上所述主激光器，所述相位锁定环路6如图2所示，包括第一鉴相器、第一数控振荡第一环路滤波器，均在FPGA电路上进行实现，提高***的集成度。
相位锁定环路包括第一鉴相器6.2、第一数控振荡器6.1、第一环路滤波器6.3、第一D/A转换电路4.2、高压放大模块5、PZT控制模块2.1；所述相位锁定环路中第一鉴相器6.2接收来自所述A/D采集电路4.1的数字信号，和第一数控振荡器6.1的数字信号，解算两路信号的相位差，最终将其输出至第一环路滤波器6.3；所述第一数控振荡器6.1输出固定频率的正弦波信号，作为数字参考源；所述第一环路滤波器6.3将所述第一鉴相器6.2输出的相位误差信号进行数字放大滤波处理，将其输出给第一D/A转换电路4.2；所述的第一D/A转换电路4.2将电压输入给高压放大模块5，使其电压得到一定程度的放大，能够适用于PZT控制模块2.1的电压控制范围；所述PZT控制模块2.1将直接改变所述从激光器的频率，通过调整频率改变相位变化率，最终完成相位锁定环路。
频率捕获环路，包括频率自动扫描模块7.2、峰值信号识别模块7.1、第二D/A转换电路4.3、TEC控制模块2.2；所述频率捕获环路模块中使用频率自动扫描模块7.2输出一个随时间不断增加的数字信号；所述的频率自动扫描模块7.2中接收来自峰值信号识别模块7.1的信号，用于识别电信号频谱中的峰值信号的频率及其幅值；所述的峰值信号识别模块7.1能够接收来自外部输入的目标频率和目标峰值，判断峰值信号是否已经进入目标阈值，在进入目标阈值的时刻停止频率扫描，并打开所述的相位锁定环路；所述的第二D/A转换电路4.3能够将所述频率自动扫描模块7.2输出的数字信号转化为电压信号，将电压信号输出至TEC控制模块2.2；所述的TEC控制模块2.2将大范围改变所述从激光器2的频率，使其到达所述峰值信号识别模块的目标阈值。
所述相位锁定环路中的第一环路滤波器6.3参数开放任意可调，包括PI、PD的级数，首先设计PI、PD各10级，可以自由修改PI和PD级数，以及每一级中的参数，最终实现修改第一环路滤波器6.3的传输函数的目的，为自主优化参数算法开放接口。所述相位锁定环路开放使能接口，接收所述的频率捕获环路的使能信号。
所述高压放大模块5采用OPA552芯片，通过滑动变阻器设定放大倍数为1至30倍可调，并且高压放大模块5的带宽与PZT控制模块2.1带宽设计一致，能够降低电路高频噪声干扰，提高相位锁定精度。
本发明中，所述第一数控振荡器6.1的频率开放可调，用于将所述的主激光器和从激光器之间的频率差进行任意调整。
本发明中的相位高精度测量模块，所述相位高精度测量模块与相位锁定环路在同一个FPGA电路4.4上完成实现，用于读取激光器的全自动相位锁定后干涉信号的相位信息，并将长期的相位信息进行存储，以用于相位误差幅度谱密度计算。所述相位高精度测量模块包括第二数控振荡器8.1、第二鉴相器8.2、第二环路滤波器8.3、第三数控振荡器8.6、相位解调模块8.4和相位采集模块8.5，所述第二数控振荡器8.1输出一路数字正弦信号和一路数字余弦信号，两路信号频率相同，相位相差90°；所述第二鉴相器8.2接收所述第二数控振荡器8.1的一路数字正弦信号，并将该数字正弦信号与所述的A/D采集电路4.1的数字信号进行鉴相处理，输出的相位误差信号进入第二环路滤波器8.3；所述第二环路滤波器8.3将相位误差信号进行放大及滤波处理，输出至所述第二数控振荡器8.1的频率控制字寄存器，通过修改第二数控振荡器8.1的频率控制字寄存器可以改变正弦信号的频率值，进而使第二数控振荡器8.1输出的数字正弦信号与A/D采集电路4.1的数字信号相位保持一致；所述第三数控振荡器8.6的频率开放可调，与第一数控振荡器6.1设定频率相同，将所述第三数控振荡器8.6的相位累加器输出的相位值作为参考相位；所述相位解调模块8.4，接收所述第二数控振荡器8.1、第三数控振荡器8.3输出的相位累加器输出的相位值，并进行减法操作，解算出的相位信息即为所述A/D采集电路4.1的被测信号的相位信息，其中，所述第二数控振荡器8.1的初始频率可调以适用于不同频率的干涉信号。
使用所述第三数控振荡器9.5作为相位参考，传统方法是使用所述第二数控振荡器8.1的频率控制字寄存器中的数据进行累计解算，改进方案的相位更加直观，减少了数据后处理。
解算出的高精度相位数据存储在第一存储器模块9.1中，作为相位幅度谱密度计算模块的初始输入。所述的相位信息采集模块8.5将解算出的相位信息进行采样，采样时间及采样速率以关注的频段为参考，比如关注1mHz至10Hz的频段，则采样时间与低频段对应，需要大于低频段周期的两倍，至少为2000s；采样速率与高频段对应，需要大于高频段频率的两倍，至少为20Hz。
将所述第二环路滤波器8.3由以往的低阶环路滤波器更改高阶环路滤波器，本发明中，第二环路滤波器8.3使用三阶滤波器更好地压制干涉信号中不关注的频段的噪声。
所述第二数控振荡器8.1的初始频率可以通过外部输入进行任意修改，以适用于不同频率的干涉信号。
本发明中的相位幅度谱密度计算模块，所述相位幅度谱密度计算模块可以用于计算相位锁定功能完成的基础上能够记录的锁定相位信息的幅度谱密度曲线，该曲线显示了本发明的***在不同频段的相位误差，可以作为参数优化方向。
所述相位幅度谱密度计算模块包括第一存储器模块9.1、自协方差计算模块9.2、第二存储器模块9.3、离散傅里叶变换模块9.4、第三存储器模块9.5、平方根模块9.6、第四存储器模块9.7、极大值搜索模块9.8，所述第一存储器模块9.1存储来自所述相位解调模块8.4解算出的高精度相位数据，存储时间和采样频率以功率谱密度关注频段为要求，例如需要关注1mHz至100Hz频段，则需要存储时间需要超过2000秒，采样率要超过200Hz。所述自协方差计算模块9.2是将存储器模块中的数据做自协方差处理，将计算好的自协方差存储到所述的第二存储器模块9.3中。所述的离散傅里叶变换模块9.4将第二存储器模块9.3中的数据进行离散傅里叶变换，将离散傅里叶转换的结果存储到第三存储器模块9.5中，所述第三存储器9.5中存储的是功率谱密度曲线。所述的平方根模块9.6将所述第三存储器9.5中的数据进行平方根处理，并将结果存储到所述第四存储器模块9.7中，所述第四存储器模块9.7中的数据为幅度谱密度。所述极大值搜索模块9.8将第四存储器9.7中的数据进行极大值搜索处理，并得到极大值点出现的频率位置。
所述第一存储器模块9.1、第二存储器模块9.3、第三存储器模块9.5、第四存储器模块9.7复用同一个存储器模块，这样可以节省存储器硬件资源。
所述平方根模块9.6使用xilinx提供的cordic IP核，利用cordic算法对功率谱密度数据依次做平方根处理，得到相位幅度谱密度数据。
对所述相位幅度谱密度数据进行极值搜索，计算得到相位幅度谱密度极大值以及其对应的频点，作为自主优化参数模块输入。
本发明中的主优化参数模块，具体是基于噪声频带分析自主优化参数模块，利用对所述相位幅度谱密度数据进行极值搜索，计算得到相位幅度谱密度极大值以及其对应的频点，，对第一环路滤波器6.3的传输函数进行自主优化，且通过修改所述第一环路滤波器6.3的级数以及每一级的控制参数实现自主优化。
所述自主优化参数模块包括极值阈值判断模块10.1、PID级数控制模块10.2、PID参数控制模块10.3。所述自主优化参数模块在初始时，首先设定所述第一环路滤波器6.3为两级PI、一级PD的结构，完成主激光器1与从激光器2的全自动相位锁定。所述极值阈值判断模块10.1用于将极值进行阈值判断，例如***要求在某一频段锁定后相位误差低于1mrad，那么则设定阈值为1mrad，并判断所述极大值搜索模块9.8在第四存储器9.7中的数据进行极大值搜索处理得到的每一个极大值点是否大于1mrad，如果大于1mrad则记录其位置，否则不进行记录，并将极大值搜索模块9.8得到的大于1mrad的极大值点出现的频率位置输入至所述PID级数控制模块以及PID参数控制模块。所述PID级数控制模块10.2根据大于阈值极点数量，每有一个极点则增加一级PI和一级PD。所述PID参数控制模块10.3将修改所述PID级数控制模块10.2增加的每一级PI和PD的参数，包括转角频率、增益，默认将增益饱和限制为无穷大，将所述极值频率位置设定为每一级PI和PD的转角频率，并设定每一级的初始增益为2dB。
如图6所示，本发明的所述自主优化参数模块， PID参数控制模块10.3以及PID级数控制模块10.2从极值阈值判断模块10.1中读取数据，并将数据输入自主优化参数算法程序流程，得到对光学锁相环***的相位噪声抑制，实现高精度的相位锁定。
图7所示，所述自主优化参数算法流程，在***完成了第一次相位锁定功能之后即开始运行，直至***关机结束，启动之后首先记录迭代次数J，初始迭代次数J设为1，等待极大值搜索模块9.8完成一帧数据处理，之后利用极值阈值判断模块处理极大值搜索模块，当不存在大于噪声阈值的极大值时说明***达到高精度锁相要求，反之***未实现高精度锁相要求，需要进一步抑制相位噪声。首先存储大于噪声阈值的N个极大值点，N≥1，极大值点集合记为Ai,j，极大值点的对应的频率值记为fi.j。如果***是第一次迭代，则认为所有的极大值点都是第一次被处理，也就是每一个极大值点都需要增加一级PID控制器，共增加N个PID控制器，并将PID控制器在fi,j处的增益设置为4dB（PI为2dB，PD为2dB，共4dB）。如果不是第一次迭代，则说明***在之前迭代中有可能对某些极大值点已经进行过处理，无需增加新的PID控制器，只需要对之前的控制器提高增益。首先搜索本次迭代的极大值点集合Ai,j是否存在与之前J-1次迭代的极大值点集合Pi,j有交集，交集体现为Ai,j的频率fi,j与Pi,j的频率fi`,j`值相等，如果不存在相同频率，则认为本次发现的Ai,j均从未被处理过，与第一次迭代的处理相同；如果存在相同频率，Ai,j与Pi,j存在交集，且相同频率fi,j（或fi`.j`）处的噪声抑制能力尚不足，需要进一步增加增益，提高噪声抑制能力。Ai,j与Pi,j的交集记为Bi,j，假设Bi,j包含M个元素(M<N)，Bi,j的极大值点均在之前的J-1次迭代中被处理过。集合Ai,j排除Bi,j后剩余集合为Ci,j，Ci,j中存在N-M个极大值点，是在J-1次迭代中未被处理过的极大值点。对于Bi,j只需要对之前的PID控制器增益增加即可，对于Ci,j则需要增加N-M个PID控制器，并设定初始增益。最终完成本次迭代后，J的计数加一。直至极值阈值判断模块输出为不存在大于噪声阈值的极大值，保持当前第一环路滤波器的状态。如果***中出现潜在噪声，则会自动进入自主优化参数算法程序流程，有针对性地对潜在噪声进行压制。
所述***整机自主优化流程如图8所示，作为整个参数自适应高精度数字激光锁
相方法的循环控制流程，本流程开机即运行，直至***关机。利用所述相位自动锁定***完
成两台激光器的锁定，并利用所述相位高精度测量模块，对锁定后的相位进行测量，存储时
间为T秒，每秒钟采样
个点，共存储
个点；利用所述相位幅度谱密度计算模块，
将存储的N个点进行幅度谱计算，计算结果为
曲线，其中
为相位幅度谱密
度的离散频率，
为离散频率对应的幅值；对
进行极值运算，曲线存在
个极值，
将计算得到的极值存储为
。将
中的极值逐一与相位幅度阈值
进行比
较，将
中大于
的点存储到
，其中
为超出相位幅度阈值
的频率值。每有一
个
则增加一级PI和一级PD，且转角频率设置与
一致，将其初始增益设置为4dB，其中
PI和PD各2dB。自此完成自主优化参数算法的第一次迭代。第二次迭代中如果仍有
出现，
则执行同样的增加PI、PD级数，如果存在
与上一次迭代的
相同，则对上一次增加的PI
和PD增益增加2dB。某次迭代中
均小于
则保持***状态，直至有新的
超出
阈值。自主优化参数算法执行之后，***整机自主优化流程会自动对***进行重新锁定，重
新进行第二个任务和第三个任务，在第四个任务中如果之前的极点仍超出阈值，则对应的
PI和PD依次增加2dB，直至所有极点均在阈值之下，如果有新的超出阈值的极点出现则增加
PID级数，如果没有超出阈值的极点，则***保持锁定状态不变，整机自主优化使得***能
够再每次完成参数修改之后，自动完成锁定功能，并实时监测***噪声状态，自主对噪声进
行压制，实现自主参数优化的高精度的数字锁相环。
本发明的参数自适应的高精度数字激光锁相***，尤其适用于在空间应用或者地面应用的复杂动态环境，当潜在的噪声出现时，控制算法能够自主识别***噪声所处频段，并自动优化控制参数，跟随锁相***所处的环境动态变化，使得***稳定地工作在最佳状态，即锁定后相位误差最小的状态。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种参数自适应的高精度数字激光锁相***，其特征在于：包括两***立激光器、干涉光路、光电探测器模块和控制模块，两***立激光器包括主激光器和从激光器，主激光器和从激光器输出激光光源，PZT控制模块和TEC控制模块两个驱动器控制从激光器跟随主激光器的相位变化，干涉光路产生主激光器激光和从激光器激光的干涉光信号，光电探测器将干涉光信号转换为电信号，控制模块采集光电探测器的电信号，将电信号转换为数字信号，通过数字信号锁相形成数字控制信号，数字控制信号转化为模拟控制信号，模拟控制信号控制从激光器输出的信号频率，跟踪主激光器的相位并与其保持一致，所述控制模块统包括相位高精度测量模块、相位幅度谱密度计算模块和自主优化参数模块，所述相位高精度测量模块，读取相位锁定后干涉信号的相位信息，并将持续相位信息进行存储，为相位幅度谱密度计算模块的相位误差幅度谱密度计算提供数据；
相位幅度谱密度计算模块，包括自协方差计算模块、离散傅里叶转换模块、平方根模块和极大值搜索模块，相位信息通过自协方差计算模块处理得到自协方差，自协方差通过离散傅里叶转换模块进行数据的离散傅里叶转换得到功率谱密度曲线，功率谱密度曲线通过平方根模块进行平方根处理，得到幅度谱密度数据，幅度谱密度数据通过极大值搜索模块进行极大值搜索处理，得到极大值点出现的频率位置，相位幅度谱密度计算模块计算获得不同频段的相位误差；
自主优化参数模块包括极值阈值判断模块、PID级数控制模块、PID参数控制模块，极值阈值判断模块对极大值搜索模块搜索处理得到的极大值点进行阈值判断，以相应频段锁定后的相位误差值预设定阈值，判断极大值点是否大于阈值，并记录大于阈值极点的频率位置，将记录的极点的频率位置输入至所述PID级数控制模块以及PID参数控制模块，对应调整相位锁定的第一环路滤波器的级数及每一级的控制参数，之后重新锁定信号相位反馈控制***，以实现参数自适应优化。
2.如权利要求1所述的参数自适应的高精度数字激光锁相***，其特征在于：所述控制模块为一电子学电路板，包括A/D采集电路、FPGA电路和D/A转换电路，一路 A/D采集电路采集光电探测器的电信号并把它转化为数字信号，FPGA电路装载数字相位自动锁定***形成数字控制信号，两路D/A转换电路，用于将数字控制信号转化为模拟控制信号；
其中，数字相位自动锁定***，包括频率捕获环路和相位锁定环路，频率捕获环路扫描并控制从激光器的频率，相位锁定环路控制从激光器跟踪主激光器的频率，实现主激光器与从激光器自动相位锁定。
3.如权利要求2所述的参数自适应的高精度数字激光锁相***，其特征在于：所述频率捕获环路包括频率自动扫描模块、峰值信号识别模块、第二D/A转换电路、TEC控制模块；频率自动扫描模块输出一个随时间不断增加的数字信号；所述的峰值信号识别模块能够接收来自外部输入设定的目标频率和目标峰值，判断峰值信号是否已经进入目标阈值，在进入目标阈值的时刻停止频率扫描，并打开所述的相位锁定环路；所述的第二D/A转换电路将所述频率自动扫描模块输出的数字信号转化为电压信号，将电压信号输出至TEC控制模块；所述的TEC控制模块改变从激光器的频率，以到达所述峰值信号识别模块的目标阈值；
其中，所述的频率自动扫描模块中包括峰值信号识别模块，识别电信号频谱中的峰值信号的频率及其幅值。
4.如权利要求2所述的参数自适应的高精度数字激光锁相***，其特征在于：所述相位锁定环路包括第一鉴相器、第一数控振荡器、第一环路滤波器、第一D/A转换电路、高压放大模块、PZT控制模块，所述第一数控振荡器输出固定频率的正弦波信号，作为数字参考源；第一鉴相器接收来自所述A/D采集电路的数字信号和第一数控振荡器的数字信号，解算两路信号的相位差，并将两路信号的相位差输出至第一环路滤波器；所述第一环路滤波器将所述第一鉴相器输出的相位误差信号进行数字放大滤波处理，将其输出给第一D/A转换电路；所述的第一D/A转换电路将电压输入给高压放大模块，以适配PZT控制模块的电压控制；所述PZT控制模块直接改变所述从激光器的频率，通过调整频率改变相位变化率，完成相位锁定环路。
5.如权利要求4所述的参数自适应的高精度数字激光锁相***，其特征在于：所述高压放大模块采用OPA552芯片，通过滑动变阻器设定放大倍数为1至30倍可调，并且高压放大模块带宽与PZT控制模块带宽设计一致以降低电路高频噪声干扰，提高相位锁定精度；
所述相位锁定环路中的第一环路滤波器的参数开放任意可调，包括PI、PD的级数以及每一级中的参数，用于修改第一环路滤波器的传输函数的目的。
6.如权利要求1所述的参数自适应的高精度数字激光锁相***，其特征在于：所述相位高精度测量模块包括第二数控振荡器、第二鉴相器、第二环路滤波器、第三数控振荡器、相位解调模块和相位信息采集模块，所述第二数控振荡器输出一路数字正弦信号和一路数字余弦信号，两路信号频率相同，相位相差90°；所述第二鉴相器，接收所述第二数控振荡器的一路数字正弦信号，并将该数字正弦信号与A/D采集电路的数字信号进行鉴相处理，输出的相位误差信号进入第二环路滤波器；所述第二环路滤波器将相位误差信号进行放大及滤波处理，输出至所述第二数控振荡器的频率控制字寄存器，通过修改第二数控振荡器的频率控制字寄存器改变正弦信号的频率值，进而使第二数控振荡器输出的数字正弦信号与A/D采集电路的数字信号相位保持一致；所述第三数控振荡器的频率开放可调，与第一数控振荡器设定频率相同，将所述第三数控振荡器的相位累加器输出的相位值作为参考相位；所述相位解调模块，接收所述第二、第三数控振荡器输出的相位累加器输出的相位值，并进行减法操作，解算出的相位信息即为所述A/D采集电路的被测信号的相位信息，其中，所述第二数控振荡器的初始频率可调以适用于不同频率的干涉信号；
所述相位信息采集模块将相位解调模块解算出的相位信息进行采样，采样时间及采样速率参考以关注的频段。
7.如权利要求6所述的参数自适应的高精度数字激光锁相***，其特征在于：所述第二环路滤波器选用高阶环路滤波器，以压制干涉信号中不关注的频段的噪声；
所述第二数控振荡器的初始频率通过外部输入进行任意修改，以适用于不同频率的干涉信号。
8.如权利要求1所述的参数自适应的高精度数字激光锁相***，其特征在于：所述相位幅度谱密度计算模块包括第一存储器模块、自协方差计算模块、第二存储器模块、离散傅里叶变换模块、第三存储器模块、平方根模块、第四存储器模块、极大值搜索模块；所述第一存储器模块存储来自相位解调模块解算出的相位信息，用于计算获得不同频段的相位误差，存储时间和采样频率以相位幅度谱密度关注的频段为要求；所述自协方差计算模块将所述第一存储器模块中的数据做自协方差处理，将计算好的自协方差存储到所述的第二存储器模块中；所述离散傅里叶变换模块将第二存储器模块中的数据进行离散傅里叶变换，将离散傅里叶变换的功率谱密度值存储到第三存储器模块中，所述第三存储器中存储功率谱密度曲线，所述的平方根模块将所述第三存储器中的数据进行平方根处理得到信号的幅度谱密度，并将幅度谱密度存储在所述第四存储器模块中。
9.如权利要求1所述的参数自适应的高精度数字激光锁相***，其特征在于：所述PID级数控制模块和PID参数控制模块自动调整所述第一环路滤波器的PID级数和参数，自动调整依据是幅度谱密度数据的大小，当幅度谱密度数据中出现大于噪声阈值的极大值，则自动认为光学锁相环的相位噪声需要进一步被抑制，每有一个大于噪声阈值的极大值点，增加一级PID控制器，该级PID控制器使得所述第一环路滤波器的波特图在噪声极大值点所在频率的增益增加，从而增强该频点处的相位噪声抑制能力；当参数自适应的高精度数字激光锁相***中引入潜在噪声，从所述幅度谱密度数据中***能够自动识别噪声的出现，因为潜在噪声的出现会使所述幅度谱密度数据出现一个大于噪声阈值的极大值点，所述PID级数控制模块会自动增加一级PID控制器，并利用所述PID参数控制模块，对潜在噪声所在频率增加控制增益，增强该频率处的噪声抑制能力，直至将潜在噪声压制到噪声阈值以下，使得光学锁相***能够自主抑制潜在噪声，自主适应复杂动态环境，始终保持高精度的相位锁定。
10.选用权利要求1-9任一权利要求所述的***的参数自适应的高精度数字激光锁相方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，数字相位自动锁定***对主激光器与从激光器的相位自动锁定；
S2，相位高精度测量模块对激光干涉信号相位的高精度测量读取，并对锁定相位数值进行记录；
S3，相位幅度谱密度计算模块对锁定相位数值进行计算得到相位误差的幅度谱密度，以分析锁定后的噪声出现频段；
S4，自主优化参数模块通过S3中获得的幅度谱密度曲线分析噪声频带自主优化算法参数，自动识别没有满足目标相位噪声的频率点，以自动修改环路滤波器的级数以及每一级的控制参数，控制从激光器输出的信号频率与主激光器的频率变化保持一致；
其中，所述自主优化参数模块的自主优化算法包括：
在***完成了第一次相位锁定功能之后即开始运行，直至***关机结束，记录迭代次数J，初始迭代次数J设为1，等待极大值搜索模块完成一帧数据处理；
之后，利用极值阈值判断模块处理极大值搜索模块，当不存在大于噪声阈值的极大值时说明***达到高精度锁相要求，反之***未实现高精度锁相要求，需要进一步抑制相位噪声；首先存储大于噪声阈值的N个极大值点，N≥1，极大值点集合记为Ai,j，i代表第i个极大值点，j代表第j次迭代，极大值点的对应的频率值记为fi.j；
如果***是第一次迭代，则认为所有的极大值点都是第一次被处理，也就是每一个极大值点都需要增加一级PID控制器，共增加N个PID控制器，并将PID控制器在fi,j处的增益设置为4dB，其中PI为2dB，PD为2dB，设置为4dB；
如果不是第一次迭代，则说明***在之前迭代中对某些极大值点已经进行过处理，无需增加新的PID控制器，只需要对之前的控制器提高增益；首先搜索本次迭代的极大值点集合Ai,j是否存在与之前J-1次迭代的极大值点集合Pi,j有交集，交集体现为Ai,j的频率fi,j与Pi,j的频率fi`,j`值相等，如果不存在相同频率，则认为本次发现的Ai,j均从未被处理过，与第一次迭代的处理相同；如果存在相同频率，Ai,j与Pi,j存在交集，且相同频率fi,j或fi`.j`处的噪声抑制能力尚不足，需要进一步增加增益，提高噪声抑制能力；Ai,j与Pi,j的交集记为Bi,j，假设Bi,j包含M个元素，且M<N，Bi,j的极大值点均在之前的J-1次迭代中被处理过；集合Ai,j排除Bi,j后剩余集合为Ci,j，Ci,j中存在N-M个极大值点，是在J-1次迭代中未被处理过的极大值点；对于Bi,j只需要对之前的PID控制器增益增加即可，对于Ci,j则需要增加N-M个PID控制器，并设定初始增益；最终完成本次迭代后，J的计数加一；直至极值阈值判断模块输出为不存在大于噪声阈值的极大值，保持当前第一环路滤波器的状态；如果***中出现潜在噪声，则会自动进入自主优化参数算法程序流程，有针对性地对潜在噪声进行压制。
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