一种用于激光相干合成的全数字式锁相控制器的制作方法

1.本发明涉及锁相控制技术领域，具体涉及一种用于激光相干合成的全数字式锁相控制器。


背景技术：

2.基于主振荡功率放大(mopa，master oscillator power amplifier)结构的相干合成锁相技术是获得高亮度、高功率、高光束质量激光输出的重要途径。目前，已经有多种锁相技术可以实现相干合成，比如：外差探测法、电子频标法、爬山法、spgd法、方波微扰法等。其中，爬山法、spgd法、方波微扰法为全数字式锁相技术，其在硬件结构上有极大的相似性，主要在软件层面通过不同的调制方式和解调方法实现相位补偿。目前的全数字式锁相技术通常基于fpga平台实现单一锁相技术，由于fpga代码的编译和综合时间较长，因此无法方便快捷地切换锁相技术或调整锁相参数。


技术实现要素：

3.为解决现有的全数字式锁相技术通常基于fpga平台实现单一锁相技术，由于fpga代码的编译和综合时间较长，因此无法方便快捷地切换锁相技术或调整锁相参数的技术问题，本发明提供一种用于激光相干合成的全数字式锁相控制器。
4.本发明通过下述技术方案实现：
5.本方案提供一种用于激光相干合成的全数字式锁相控制器，包括：反馈输入模块、参数调节模块、数据处理模块和补偿输出模块；
6.参数调节模块用于输入激光相干合成技术参数和计算模式；
7.反馈输入模块将表示光强信号的模拟电信号转化为数据处理模块可以处理的数字电信号；
8.数据处理模块基于参数调节模块中的激光相干合成技术参数和计算模式对反馈输入光强信号进行计算，并将计算结果作为补偿相位量发往补偿输出模块；
9.补偿输出模块依据补偿相位量换算为对应的输出电压值，并进行补偿输出。
10.本方案工作原理：现有的全数字式锁相技术通常基于fpga平台实现单一锁相技术，由于fpga代码的编译和综合时间较长，因此无法方便快捷地切换锁相技术或调整锁相参数的技术问题，本方案的全数字式锁相控制器，事先写入基于多种全数字式锁相技术的计算模式，用户可依真实场景自行选择计算模式；并在锁相控制各个模式的计算过程中，通过参数调节模块可以及时调节参数来更好的实现相干合成锁相控制。
11.进一步优化方案为，还包括相位调制器和光电探测器，所述相位调制器通过bnc接口或sma接口连接补偿输出模块，所述光电探测器采用bnc接口或sma接口连接反馈输入模块。
12.进一步优化方案为，所述参数调节模块包括参数设置主芯片和参数存储芯片；
13.所述参数设置主芯片用于实时配置控制器运行参数，采用arm芯片；
14.所述参数存储芯片用于保存数据处理模块运行参数，采用flash芯片。
15.进一步优化方案为，所述参数调节模块还包括参数设置窗口，采用人机交互界面窗口。
16.进一步优化方案为，所述激光相干合成技术参数包括：锁相通道数、调制幅度、调制延时、增益系数和半波电压。
17.进一步优化方案为，所述计算模式包括：方波微扰模式，随机并行梯度下降模式和爬山模式。
18.进一步优化方案为，所述爬山模式计算过程为：
19.a1.初始化激光相干合成技术参数；
20.a2.向补偿输出模块不施加扰动，并读取光强信号效果反馈j0，
21.a3.向补偿输出模块发送多路正向扰动，并读取光强信号效果反馈j+；
22.a4.当j+＞j0时，更新相位补偿量后返回步骤a2，直至j+≤j0时进行步骤a5；
23.a5.向补偿输出模块发送多路负向扰动，并读取光强信号效果反馈j
‑
；
24.a6.当j
‑
＞j0时，更新相位补偿量后返回步骤a2；当j
‑
≤j0时直接返回步骤a2，直至锁相控制结束。
25.所述随机并行梯度下降模式计算过程为：
26.b1.初始化激光相干合成技术参数；
27.b2.向补偿输出模块发送多路正向扰动，并读取光强信号效果反馈k+；
28.b3.向补偿输出模块发送多路正向扰动，并读取光强信号效果反馈k
‑
；
29.b4.基于效果反馈k+和效果反馈k
‑
计算相位补偿量，并更新相位补偿量；
30.b5.返回步骤b2，直至锁相控制结束。
31.所述方波微扰模式计算过程为：
32.c1.初始化激光相干合成技术参数；
33.c2.向补偿输出模块发送单路正向扰动，并读取光强信号效果反馈l+；
34.c3.向补偿输出模块发送单路正向扰动，并读取光强信号效果反馈l
‑
；
35.c4.基于效果反馈l+和效果反馈l
‑
计算相位补偿量，并更新相位补偿量；
36.c5.返回步骤c2，直至锁相控制结束。
37.进一步优化方案为，所述数据处理模块中包括锁相控制主芯片；锁相控制主芯片用于实现锁相控制，采用fpga芯片。
38.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
39.1、本发明一种用于激光相干合成的全数字式锁相控制器，事先写入基于多种全数字式锁相技术的计算模式，用户可依真实场景自行选择计算模式，并在计算过程中可以及时调节参数来更好的实现相干合成锁相控制。
40.2、本发明一种用于激光相干合成的全数字式锁相控制器，采用“fpga芯片+arm芯片+flash芯片”的基本硬件框架，可以基于fpga平台实现多种锁相技术，应用环境更广泛。
附图说明
41.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
42.图1为用于激光相干合成的全数字式锁相控制器结构示意图；
43.图2为本发明参数设置窗口示意图；
44.图3为本发明爬山模式计算过程示意图；
45.图4为本发明随机并行梯度下降模式计算过程示意图；
46.图5为本发明方波微扰模式计算过程示意图。
具体实施方式
47.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
48.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
49.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
51.实施例1
52.如图1所示，一种用于激光相干合成的全数字式锁相控制器，包括：反馈输入模块、参数调节模块、数据处理模块和补偿输出模块；
53.参数调节模块用于输入激光相干合成技术参数和计算模式；
54.反馈输入模块将表示光强信号的模拟电信号转化为数据处理模块可以处理的数字电信号；
55.数据处理模块基于参数调节模块中的激光相干合成技术参数和计算模式对反馈输入光强信号进行计算，并将计算结果作为补偿相位量发往补偿输出模块；
56.补偿输出模块依据补偿相位量换算为对应的输出电压值，并进行补偿输出。
57.还包括相位调制器和光电探测器，所述相位调制器通过bnc接口或sma接口连接补偿输出模块，所述光电探测器采用bnc接口或sma接口连接反馈输入模块。
58.所述参数调节模块包括参数设置主芯片和参数存储芯片；
59.所述参数设置主芯片用于实时配置控制器运行参数，采用arm芯片；
60.所述参数存储芯片用于保存数据处理模块运行参数，采用flash芯片。
61.如图3所示，所述参数调节模块还包括参数设置窗口，采用人机交互界面窗口。
62.如图2所示，所述激光相干合成技术参数包括：锁相通道数、调制幅度、调制延时、增益系数和半波电压。
63.所述计算模式包括：方波微扰模式，随机并行梯度下降模式和爬山模式。
64.如图3所示，所述爬山模式计算过程为：
65.a1.初始化激光相干合成技术参数；
66.a2.向补偿输出模块不施加扰动，并读取光强信号效果反馈j0，
67.a3.向补偿输出模块发送多路正向扰动，并读取光强信号效果反馈j+；
68.a4.当j+＞j0时，更新相位补偿量后返回步骤a2，直至j+≤j0时进行步骤a5；
69.a5.向补偿输出模块发送多路负向扰动，并读取光强信号效果反馈j
‑
；
70.a6.当j
‑
＞j0时，更新相位补偿量后返回步骤a2；当j
‑
≤j0时直接返回步骤a2，直至锁相控制结束。
71.如图4所示，所述随机并行梯度下降模式计算过程为：
72.b1.初始化激光相干合成技术参数；
73.b2.向补偿输出模块发送多路正向扰动，并读取光强信号效果反馈k+；
74.b3.向补偿输出模块发送多路正向扰动，并读取光强信号效果反馈k
‑
；
75.b4.基于效果反馈k+和效果反馈k
‑
计算相位补偿量，并更新相位补偿量；
76.b5.返回步骤b2，直至锁相控制结束。
77.如图5所示，所述方波微扰模式计算过程为：
78.c1.初始化激光相干合成技术参数；
79.c2.向补偿输出模块发送单路正向扰动，并读取光强信号效果反馈l+；
80.c3.向补偿输出模块发送单路正向扰动，并读取光强信号效果反馈l
‑
；
81.c4.基于效果反馈l+和效果反馈l
‑
计算相位补偿量，并更新相位补偿量；
82.c5.返回步骤c2，直至锁相控制结束。
83.所述数据处理模块中包括锁相控制主芯片；锁相控制主芯片用于实现锁相控制，采用fpga芯片。
84.实施例2
85.基于上一实施例，本实施例提供一种用于激光相干合成的全数字式锁相控制方法，包括以下步骤：
86.s1、获取激光相干合成技术参数和计算模式；
87.s2、基于参数调节模块中的激光相干合成技术参数和计算模式对反馈输入信号进行计算得到相位补偿量；
88.s3、根据相位补偿量，由补偿输出模块换算为对应的输出电压值，并进行补偿输出。
89.s4、循环步骤s2
‑
s3直至锁相控制结束。
90.具体实施操作过程为：
91.1.选择需要的锁相技术计算模式；
92.2.启动闭环；
93.3.设置“锁相通道数”为实际光束数；
94.4.设置“调制幅度”为0.5rad；
95.5.设置“调制延时”为1.0μs，具体值根据光路长度设置；
96.6.调节“增益系数”的大小，直至实现相位锁定；
97.7.依次对“增益系数”、“调制延时”、“调制幅度”进行优化，使相位锁定效果最优。
98.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。