本发明属于激光应用技术领域，特别涉及一种用于光纤激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统。
背景技术：
近年来伴随着相干光通信，相干探测，相干合成等方向技术的进一步发展，对于激光器频差锁定提出了新的需求。目前基于传统模拟锁相环的频差锁定技术受限于锁相环的捕获带宽和跟踪带宽不能实现长时间稳定运行，而且锁定精度不高，一般的锁定结果均方根误差在400khz左右。
传统的基于模拟锁相环的频差锁定技术要求反馈器件均为模拟控制器件，其控制精度受限于模拟信号的精度。同时用于光纤激光器的常规反馈器件一般为压电陶瓷，该器件受限于自身的蠕变效应和迟滞效应会带来调控的非线性从而影响锁定精度。
技术实现要素：
要解决的技术问题
本发明提出一种用于光纤激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统和方法，其目的是结合声光调制器的线性移频特性来补偿压电陶瓷调节的非线性并提高基于光纤激光器的频差锁定系统的锁定精度。
技术方案
为解决上述技术问题，本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种用于光纤激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统组成包括：参考光源部分，可控单频光纤激光器部分、频差信号探测部分以及预补偿反馈控制部分，所述参考光源部分包括参考单频光纤激光器；所述可控单频光纤激光器部分包括泵浦，环形腔，声光调制器，光纤布拉格光栅，压电陶瓷，其装配结构为：压电陶瓷安装在光纤布拉格光栅下，其输出接入环形腔，声光调制器放置在环形腔输出处；所述频差信号探测部分包括第一光纤耦合器，第二光纤耦合器，50：50光纤耦合器，高速光电探测器，频率计数器，其装配结构为：第一10:90光纤耦合器接参考单频光纤激光器输出，10％激光输出作为参考光，第二10:90光纤耦合器接声光调制器输出，10％激光输出作为被控光，参考光和探测光同时输入50：50光纤耦合器内，50：50耦合器输出接高速光电探测器，高速光电探测器输出接频率计数器；所述预补偿反馈控制部分包括锁频控制模块，压电陶瓷促动器，声光调制器驱动，其装配结构为：锁频控制模块输入接频率计数器输出，压电陶瓷促动器和声光调制器驱动分别接锁频控制模块的两个控制输出口，两者的输出分别接压电陶瓷和声光调制器。
一种用于光纤激光器频差锁定的预补偿反馈控制方法，该方法包括以下步骤：
(1)开启参考单频光纤激光器，经过预热后，激光器输出单个纵模激光，作为参考单频光纤激光器的输出光，其光波频率记为vr，此输出通过第一10:90光纤耦合器分出10％的激光输出作为参考光；
(2)启动声光调制器驱动和泵浦，向环形腔内注入泵浦光，经过光纤布拉格光栅的选模作用后输出单个纵模激光，单纵模激光经过初始驱动频率为f1＝300mhz的声光调制器进行初始化移频，其对应的输出激光的频率记为v1 f1，此激光再通过第二10:90光纤耦合器分出10％的激光输出作为测试光；
(3)将参考光和信号光输入到50：50光纤耦合器中进行光学混频获得光学拍频信号，利用高速光电探测器将光学拍频信号转换为电信号，该电信号的频率数值大小即为参考光和探测光的频率差值，其大小为fd＝v1 f1-vr＝f1 δv由频率计数器测量得到，同时设定锁定目标频率差fb；
(4)锁频控制模块根据频率计数器测量得到的频率差值fd与锁定目标频率差fb比较，并调节压电陶瓷初始电压v使得|fd-fb|＜faom_max，faom_max为声光调制器可控范围上限。当满足关系式后锁定控制模块开始工作；
(5)当锁定控制模块开始工作后，运行预反馈控制算法：利用已经训练好的长短期记忆网络模型预测下一测量时刻的频率差值fd′，并计算两时刻间频率差值的变化量(fd′-fd)，得到变化量后判断是否需要开启慢环反馈，慢环反馈的开启门限是fpzt_open＝11.5mhz。如果不需要启动慢环反馈，则压电陶瓷反馈量δv＝0，声光调制器反馈量δfa＝fd-fb-(fd′-fd) f1＝2fd-fb-fd′ f1，如果需要启动慢环反馈，则压电陶瓷反馈量δv ＝1，声光调制器反馈量
(6)重新测量下一时刻的频率差值并重复步骤(5)直至超出系统锁定范围。
(一)有益效果
(1)本发明提出的一种用于光纤激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统和方法，通过引入声光调制器作为快环反馈器件进行高速频差调整，可以有效抑制外界干扰因素引起的频差波动和跳变，从而提高两台光纤激光器的相干稳定性和环境适用性。
(2)本发明提出的一种用于光纤激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统和方法，通过引入长短期记忆网络模型作为预测模型对于下一时刻的频差变化进行预测，从而实现了频差的预补偿，提高了系统的频差锁定精度。
附图说明
图1是本发明实施例的一种用于光纤激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统结构框图；
图2是本发明实施例中频率差锁定过程的闭环控制功能框图；
图3是本发明实例的一种用于光纤激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统方法的程序流程图；
图中，1参考单频光纤激光器、2第一10:90光纤耦合器、3泵浦、4环形腔、5声光调制器、6第二10:90光纤耦合器、7光纤布拉格光栅、8压电陶瓷、9声光调制器驱动、1050:50光纤耦合器、11压电陶瓷促动器、12锁频控制模块、13频率计数器、14高速光电探测器
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
如图1所示，本发明装置中的预补偿反馈控制系统组成包括：参考光源部分，可控单频光纤激光器部分、频差信号探测部分以及预补偿反馈控制部分，所述参考光源部分包括参考单频光纤激光器(1)；所述可控单频光纤激光器部分包括泵浦(3)，环形腔(4)，声光调制器(5)，光纤布拉格光栅(7)，压电陶瓷(8)，其装配结构为：压电陶瓷(8)安装在光纤布拉格光栅(7)下，其输出接入环形腔(4)，声光调制器(5)放置在环形腔(4)输出处，环形腔(4)输入接泵浦(3)输出；所述频差信号探测部分包括第一10:90光纤耦合器(2)，第二10:90光纤耦合器(6)，50：50光纤耦合器(10)，高速光电探测器(14)，频率计数器(13)，其装配结构为：第一10:90光纤耦合器(2)接参考单频光纤激光器(1)输出，10％激光输出作为参考光，第二10:90光纤耦合器(6)接声光调制器(5)输出，10％激光输出作为被控光，参考光和探测光同时输入50：50光纤耦合器(10)内，50：50耦合器(10)输出接高速光电探测器(14)，高速光电探测器(14)输出接频率计数器(13)；所述预补偿反馈控制部分包括锁频控制模块(12)，压电陶瓷促动器(11)，声光调制器驱动(9)，其装配结构为：锁频控制模块(12)输入接频率计数器(13)输出，压电陶瓷促动器(11)和声光调制器驱动(9)分别接锁频控制模块(12)的两个控制输出口，两者的输出分别接压电陶瓷(8)和声光调制器(5)。
开始工作时，开启参考单频光纤激光器(1)，经过预热后，激光器输出单个纵模激光，作为参考单频光纤激光器的输出光，其光波频率记为vr，此输出通过第一10:90光纤耦合器(2)分出10％的激光输出作为参考光；
启动声光调制器驱动(9)和泵浦(3)，向环形腔(4)内注入泵浦光，经过光纤布拉格光栅(7)的选模作用后输出单个纵模激光，单纵模激光经过初始驱动频率为f1＝300mhz的声光调制器(5)进行初始化移频，其对应的输出激光的频率记为v1 f1，此激光再通过第二10:90光纤耦合器(6)分出10％的激光输出作为测试光；
将参考光和信号光输入到50：50光纤耦合器(10)中进行光学混频获得光学拍频信号，利用高速光电探测器(14)将光学拍频信号转换为电信号，该电信号的频率数值大小即为参考光和探测光的频率差值，其大小为fd＝v1 f1-vr＝f1 δv由频率计数器(13)测量得到，同时设定锁定目标频率差fb；
锁频控制模块(12)根据频率计数器(13)测量得到的频率差值fd与锁定目标频率差fb比较，并调节压电陶瓷(8)初始电压v使得|fd-fb|＜faom_max，faom_max为声光调制器(5)可控范围上限。当满足关系式后锁定控制模块开始工作；
当锁定控制模块开始工作后，运行预反馈控制算法，算法流程如图3所示：利用已经训练好的长短期记忆网络模型预测下一测量时刻的频率差值fd′，并计算两时刻间频率差值的变化量(fd′-fd)，得到变化量后判断是否需要开启慢环反馈，慢环反馈的开启门限是fpzt_open＝11.5mhz。如果不需要启动慢环反馈，则压电陶瓷(8)反馈量δv＝0，声光调制器(5)反馈量δfa＝fd-fb-(fd′-fd) f1＝2fd-fb-fd′ f1，如果需要启动慢环反馈，则压电陶瓷(8)反馈量δv ＝1，声光调制器(5)反馈量
当外界环境变化或其他因素变化导致fd发生变化时，自动循环上述锁定过程，通过调整声光调制器的驱动频率δfa和压电陶瓷的加载电压v δv实现fd始终不变并实现长期稳定工作。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
1.一种用于激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统与方法，包括参考光源部分，可控单频光纤激光器部分、频差信号探测部分以及预补偿反馈控制部分，其特征在于：
所述参考光源部分包括参考单频光纤激光器(1)；
所述可控单频光纤激光器部分包括泵浦(3)，环形腔(4)，声光调制器(5)，光纤布拉格光栅(7)，压电陶瓷(8)；所述光纤布拉格光栅(7)置于压电陶瓷(8)上，并与环形腔(6)相接，所述环形腔(6)输出端与声光调制器输入端(5)相接，输入端与泵浦(3)相接。
所述频差信号探测部分包括光纤耦合器1(2)，光纤耦合器2(6)，50：50光纤耦合器(10)，高速光电探测器(14)，频率计数器(13)；所述光纤耦合器1(2)输入端与参考单频光纤激光器(1)输出相接，所述光纤耦合器2(6)输入端与声光调制器(5)输出相接，所述50：50光纤耦合器(10)的两个输入端分别接光纤耦合器1(2)10％激光输出端和光纤耦合器2(6)10％激光输出端，50：50光纤耦合器(10)输出端接高速光电探测器(14)，所述频率计数器接高速光电探测器(14)交流输出端。
所述预补偿反馈控制部分包括锁频控制模块(11)，压电陶瓷促动器(10)，声光调制器驱动(8)。所述锁频控制模块(11)通过数据线与频率计数器(13)，声光调制器驱动(8)，压电陶瓷促动器(10)相连。
2.按照权利要求1所述的一种用于激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统，其特征在于，所述的高速光电探测器(14)探测光纤耦合器1(2)的10％激光输出和光纤耦合器2(6)的10％激光输出输入到50：50光纤耦合器(10)中得到的频差信号，探测得到的信号的频率数值大小由频率计数器(13)进行计算。
3.按照权利要求1所述的一种用于激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统，其特征在于，所述的锁频控制模块(12)接收频率计数器(13)算出来的频差信号的频率并经过相关数据处理算法得到对应的反馈量的计算值，并分别传输给声光调制器驱动(9)和压电陶瓷促动器(11)。
4.一种基于权利要求1—3所述的一种用于激光器频差锁定的预补偿反馈系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：开始工作时，开启参考单频光纤激光器(1)，经过预热后，激光器输出单个纵模激光，作为参考单频光纤激光器的输出光，其光波频率记为vr，此输出通过第一10:90光纤耦合器(2)分出10％的激光输出作为参考光；
步骤二：启动声光调制器驱动(9)和泵浦(3)，向环形腔(4)内注入泵浦光，经过光纤布拉格光栅(7)的选模作用后输出单个纵模激光，单纵模激光经过初始驱动频率为f1＝300mhz的声光调制器(5)进行初始化移频，其对应的输出激光的频率记为v1 f1，此激光再通过第二10:90光纤耦合器(6)分出10％的激光输出作为测试光；
步骤三：将参考光和信号光输入到50：50光纤耦合器(10)中进行光学混频获得光学拍频信号，利用高速光电探测器(14)将光学拍频信号转换为电信号，该电信号的频率数值大小即为参考光和探测光的频率差值，其大小为fd＝v1 f1-vr＝f1 δv由频率计数器(13)测量得到，同时设定锁定目标频率差fb；
步骤四：锁频控制模块(12)根据频率计数器(13)测量得到的频率差值fd与锁定目标频率差fb比较，并调节压电陶瓷(8)初始电压v使得|fd-fb|＜faom_max，faom_max为声光调制器(5)可控范围上限。当满足关系式后锁定控制模块开始工作；
步骤五：当锁定控制模块开始工作后，运行预反馈控制算法，算法流程如图3所示：利用已经训练好的长短期记忆网络模型预测下一测量时刻的频率差值f′d，并计算两时刻间频率差值的变化量(f′d-fd)，得到变化量后再判断是否需要开启慢环反馈，慢环反馈的开启门限是fpzt_open＝11.5mhz。如果不需要启动慢环反馈，则压电陶瓷(8)反馈量δv＝0，声光调制器(5)反馈量δfa＝fd-fb-(f′d-fd) f1＝2fd-fb-f′d f1，如果需要启动慢环反馈，则压电陶瓷(8)反馈量δv ＝1，声光调制器(5)反馈量
步骤六：重新测量下一时刻的频率差值并重复步骤五直至超出系统锁定范围。
5.根据权利要求4所述的一种用于激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统的方法，其特征在于，采用了基于长短期记忆网络模型的预测算法进行预补偿，所述用于预测计算的长短期记忆网络训练集数据范围应大于或等于声光调制器(5)和压电陶瓷(8)的最大可控范围。
6.根据权利要求4所述的一种用于激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统的方法，其特征在于，所述频差信号的频率范围应小于声光调制器(5)和压电陶瓷(8)的可控最大范围。
7.根据权利要求4所述的一种用于激光器频差锁定的预补偿反馈控制系统的方法，其特征在于，所述的锁频控制模块(12)同时计算了声光调制器驱动(9)的反馈量f1和压电陶瓷促动器(11)的反馈量v，通过判决算法形成了利用声光调制器(5)的快环预反馈和利用压电陶瓷(8)的慢环预反馈有机结合的预反馈闭环控制。
技术总结