CN108287504A - 一种激光器驱动信号发生器自动校准的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器驱动信号发生器自动校准的装置及方法，该装置包括激光器驱动信号发生器、高精度数字万用表和计算机，该方法是由设置的直接数字合成器件寄存器的数值和由通信接口读取高精度数字万用表测量的电压值构成的对应函数关系，通过线性最小二乘拟合的方法求解出对应函数关系的斜率和截距，并存储于非易失储存器内。激光器驱动信号发生器每次开机运行时，首先从非易失存储器里读出函数关系的斜率和截距，重新计算并写入设置直接数字合成器件的寄存器数值，输出的信号经过信号放大及滤波模块后输出高精度的电压波形。本发明不需要人工参与，在算法的控制下自动完成，具有方便、快捷、智能化、精度高等优点。

Description

一种激光器驱动信号发生器自动校准的装置及方法

技术领域

本发明涉及脉冲激光器领域，尤其是涉及一种激光器驱动信号发生器自动校准的装置及方法。

背景技术

光纤脉冲激光器的光路由光纤和光纤元件构成，光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接。激光器的整个光路完全封闭在光纤波导中，具有光束质量好、效率高、阈值低、结构紧凑等优点。高度的集成、体积小，全封闭性光路与外界环境隔离，使得激光器的运转更加可靠，具有更长的稳定性，可以在比较恶劣的环境下工作。光纤脉冲激光器可以实现主振荡放大高功率激光脉冲的输出，在光通讯、激光遥感、激光医疗、工业加工、航空航天、材料科学、光谱学以及非线性光学领域得到了广泛的应用，是激光领域研究的热点之一。

在光纤激光器中，调Q技术是一种获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的技术。它的工作原理如下：在光泵浦初期设法将谐振腔的Q值调高，从而抑制激光振荡的产生，使工作物质的上能量粒子数得到积累。随着光泵的继续激励，上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时突然将谐振腔的Q值调低，那么积累在上能级的大量粒子便雪崩式地跃迁到激光下能级，在极短的时间内将储存的能量释放出来，从而获得峰值功率极高的激光脉冲输出。调Q技术在脉冲激光器中的应用，使我们能够获得峰值功率在兆瓦以上而脉宽仅为纳秒量级的激光脉冲，使激光成为非常强的相干光源，并由此产生了非线性光学等新的光学分支。同时，也推动了诸如激光雷达、激光测距、高速摄影、核聚变等应用技术的发展。

根据采用的介质及其工作方式的不同，脉冲激光器可分为电光调制、声光调制、可饱和吸收调制、机械转镜调制四类。其中，电光调制和声光调制是目前应用较为广泛的调制技术。比如声光调制技术，它是一种外调制技术，通常把控制激光束强度变化的声光器件称作声光调制器。调制信号是以电信号(调幅)形式作用于电声换能器上，再转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。在激光雷达、激光测距等的应用中，都要求为激光器提供一个调制信号，即驱动信号。该驱动信号通常是由函数发生器等装置给出，但这样的函数发生器的体积会比较大、功耗比较高，不易于激光雷达、激光测距仪等系统的集成和小型化。另外一种常用的方法是使用直接数字合成器件输出脉冲激光器需要的驱动信号，在这种方法中会用到大量的电阻、电容和电感等元器件，这些元器件都存在一定的精度误差，为了给激光雷达、激光测距仪等系统提供高精度、高质量的驱动信号，这类的驱动信号发生器通常需要高精度地校准。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种方便快捷、智能化、自动化、精度高的激光器驱动信号发生器自动校准的装置。

本发明的第二个目的是提供一种激光器驱动信号发生器自动校准的方法，该方法不需要人工参与，完全由计算机自动完成。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种激光器驱动信号发生器自动校准的装置，特征是：包括激光器驱动信号发生器、高精度数字万用表和计算机，激光器驱动信号发生器由控制电路、电源模块、电压基准、时钟模块、ARM(Advanced RISC Machines)处理器、直接数字合成器件、信号放大及滤波模块构成，计算机通过通信接口向激光器驱动信号发生器的控制电路发送命令，包括设置数字输出接口、模拟输出接口输出电压的波形参数的命令，控制电路与ARM处理器连接，负责把计算机发送的命令转换和解析后发送给ARM处理器，ARM处理器根据波形参数计算出完整的波形数据，通过通信接口发送给直接数字合成器件，电源模块为ARM处理器、时钟模块、直接数字合成器件以及信号放大及滤波模块提供高精度的稳压电源，电压基准为直接数字合成器件提供稳定的参考电压，时钟模块为直接数字合成器件提供稳定的时钟信号；直接数字合成器件输出的电压波形通过信号放大及滤波模块的运放、波形整形后输出至高精度数字万用表，高精度数字万用表测量直接数字合成器件输出的电压信号并得到输出电压，计算机通过通信接口读出高精度数字万用表测量的电压值，同时记录设置激光器驱动信号发生器的电压值和高精度数字万用表测量的电压值。

本发明的第二个目的是这样实现的：

一种激光器驱动信号发生器的自动校准的方法，特征是：具体步骤如下：

A、连接激光器驱动信号发生器和计算机的通信接口，连接激光器驱动信号发生器和高精度数字万用表，连接高精度数字万用表和计算机的通信接口；

B、启动计算机，使激光器驱动信号发生器进行自动校准；

C、计算机通过通信接口向激光器驱动信号发生器的控制电路发送命令，包括设置数字输出接口、模拟输出接口输出电压的波形参数的命令，设置直接数字合成器件的寄存器数值，计算机记录该数值；

D、ARM处理器接收到寄存器数值后写入直接数字合成器件的寄存器，使直接数字合成器件输出直流电压，输出的直流电压经过信号放大及滤波模块的信号放大及滤波后输出；

E、使用高精度数字万用表高精度地测量激光器驱动信号发生器的信号放大及滤波模块输出的电压值；

F、计算机通过通信接口读取并记录高精度数字万用表测量的电压值；

G、重复步骤C～F，直到完成直接数字合成器件寄存器数值的设置；

H、由计算机记录的设置直接数字合成器件内部的寄存器的数值和由通信接口读取高精度数字万用表测量的电压值构成对应函数关系，通过线性最小二乘拟合的方法求解出对应函数关系的斜率和截距；

I、计算机通过通信接口把求解出的对应函数关系的斜率和截距通过通信接口发送到激光器驱动信号发生器的控制电路，并记录在激光器驱动信号发生器中ARM处理器内部的非易失存储器内。

激光器驱动信号发生器每次开机运行时，首先从ARM处理器的非易失存储器里读出对应函数关系的斜率和截距，遇到计算机通过通信接口向激光器驱动信号发生器中控制电路发送设置直接数字合成器件电压的命令时，利用对应函数关系的斜率和截距重新计算出设置直接数字合成器件的寄存器数值，并写入直接数字合成器件并输出电压波形，经过信号放大及滤波模块后输出。

本发明的工作原理：

本发明利用具有测量精度高的高精度数字万用表，先由计算机通过通信接口发送命令的方式设置激光器驱动信号发生器的直接数字合成器件的寄存器数值，使得直接数字合成器件输出电压值，然后由高精度数字万用表测量出，并经由通信接口由计算机读出。由设置的直接数字合成器件寄存器的数值和由通信接口读取高精度数字万用表测量的电压值构成的对应函数关系，通过线性最小二乘拟合的方法求解出对应函数关系的斜率和截距，并存储于激光器驱动信号发生器的ARM处理器内部的非易失储存器内。激光器驱动信号发生器每次开机运行时，首先从ARM处理器内部的非易失存储器里读出函数关系的斜率和截距，遇到计算机通过通信接口向控制电路发送设置直接数字合成器件电压的命令时，利用函数关系的斜率和截距重新计算出设置直接数字合成器件的寄存器数值，并写入直接数字合成器件并输出电压波形，并经过信号放大及滤波模块后输出。

本发明利用具有测量精度高的高精度数字万用表、可以灵活编程的直接数字合成器件以及计算机程序自动化控制的优点，因此可以提高激光器驱动信号发生器输出电压波形的精度。本发明不需要人工参与，完成由计算机程序的控制下自动完成，本发明具有方便、快捷、智能化、精度高等优点。

附图说明

图1为本发明的原理框图，图中：1控制电路，2ARM处理器，3直接数字合成器件，4电源模块，5电压基准，6时钟模块，7信号放大及滤波模块，8高精度数字万用表，9计算机，10激光器驱动信号发生器；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

一种激光器驱动信号发生器自动校准的装置，包括激光器驱动信号发生器 10、高精度数字万用表8、计算机9，激光器驱动信号发生器10由控制电路1、 ARM处理器2、直接数字合成器件3、电源模块4、电压基准5、时钟模块6、信号放大及滤波模块7构成，计算机9通过通信接口向激光器驱动信号发生器的控制电路1发送命令，包括设置数字输出接口、模拟输出接口输出电压的波形参数的命令，控制电路1与ARM处理器2连接，负责把计算机9发送的命令转换和解析后发送给ARM处理器2，ARM处理器2根据波形参数计算出完整的波形数据，通过通信接口发送给直接数字合成器件3，电源模块4为ARM 处理器2、时钟模块6、直接数字合成器件3以及信号放大及滤波模块7提供高精度的稳压电源，电压基准5为直接数字合成器件3提供稳定的参考电压，时钟模块6为直接数字合成器件3提供稳定的时钟信号；直接数字合成器件3 输出的电压波形通过信号放大及滤波模块7的运放、波形整形后输出至高精度数字万用表8，高精度数字万用表8测量直接数字合成器件3输出的电压信号并得到输出电压，计算机9通过通信接口读出高精度数字万用表8测量的电压值，同时记录设置激光器驱动信号发生器10的电压值和高精度数字万用表8 测量的电压值。

一种激光器驱动信号发生器自动校准的方法，具体步骤如下：

A、连接激光器驱动信号发生器10的控制电路1和计算机9的通信接口，连接激光器驱动信号发生器10的信号放大及滤波模块7和高精度数字万用表 8，连接高精度数字万用表8和计算机9的通信接口；

B、启动计算机9进行激光器驱动信号发生器10的自动校准；

C、计算机9通过通信接口向激光器驱动信号发生器的控制电路1发送命令，包括设置数字输出接口、模拟输出接口输出电压的波形参数的命令，设置直接数字合成器件3的寄存器数值，计算机9记录该数值；

D、ARM处理器2接收到寄存器数值后写入直接数字合成器件3的寄存器，使直接数字合成器件3输出直流电压，输出的直流电压经过信号放大及滤波模块7的信号放大及滤波后输出；

E、使用高精度数字万用表8高精度地测量激光器驱动信号发生器10的信号放大及滤波模块7输出的电压值；

F、计算机9通过通信接口读取并记录高精度数字万用表8测量的电压值；

G、重复步骤C～F，直到完成直接数字合成器件3寄存器数值的设置；

H、由计算机9记录的设置直接数字合成器件3内部的寄存器的数值和由通信接口读取高精度数字万用表8测量的电压值构成对应函数关系，

y＝kx+b (1)

通过线性最小二乘拟合的方法求解出对应函数关系的斜率和截距；具体如下：计算机9向控制电路1发送命令，设置了N次直接数字合成器件3的寄存器值，分别记为α₀,α₁,L,α_N-1，并且计算机9通过通信接口读取高精度数字万用表8测量的电压值共有N组，分别记为β₀,β₁,L,β_N-1。设置的直接数字合成器件3寄存器的数值α₀,α₁,L,α_N-1和由通信接口读取高精度数字万用表8测量的电压值β₀,β₁,L,β_N-1满足线性关系，

β_i＝kα_i+b,i＝0,1,L,N-1 (2) 使用线性最小二乘拟合的方法求解出对应线性函数关系的斜率和截距

于是，可以得到，

因此，可以得到设置的直接数字合成器件3寄存器的数值α和由通信接口读取高精度数字万用表8测量的电压值γ的函数关系，

I、计算机9把线性最小二乘的拟合参数——斜率和截距发送给激光器驱动信号发生器10的控制电路1，保存于ARM处理器2内部的非易失存储器。

激光器驱动信号发生器10每次开机运行时，首先从ARM处理器2的非易失存储器里读出函数关系的斜率和截距根据计算机9发送的电压数值v利用函数关系式自动计算出设置直接数字合成器件3的寄存器值r，

ARM处理器2把寄存器值r写入直接数字合成器3，直接数字合成器3经过信号放大及滤波模块7后输出高精度的电压波形。

Claims (2)

1.一种激光器驱动信号发生器自动校准的装置，其特征在于：包括激光器驱动信号发生器、高精度数字万用表和计算机，激光器驱动信号发生器由控制电路、电源模块、电压基准、时钟模块、ARM处理器、直接数字合成器件、信号放大及滤波模块构成，计算机通过通信接口向激光器驱动信号发生器的控制电路发送命令，包括设置数字输出接口、模拟输出接口输出电压的波形参数的命令，控制电路与ARM处理器连接，负责把计算机发送的命令转换和解析后发送给ARM处理器，ARM处理器根据波形参数计算出完整的波形数据，通过通信接口发送给直接数字合成器件，电源模块为ARM处理器、时钟模块、直接数字合成器件以及信号放大及滤波模块提供高精度的稳压电源，电压基准为直接数字合成器件提供稳定的参考电压，时钟模块为直接数字合成器件提供高稳定的时钟信号；直接数字合成器件输出的电压波形通过信号放大及滤波模块的运放、波形整形后输出至高精度数字万用表，高精度数字万用表测量直接数字合成器件输出的电压信号并得到输出电压，计算机通过通信接口读出高精度数字万用表测量的电压值，同时记录设置激光器驱动信号发生器的电压值和高精度数字万用表测量的电压值。

2.一种激光器驱动信号发生器的自动校准的方法，其特征在于：具体步骤如下：

A、连接激光器驱动信号发生器和计算机的通信接口，连接激光器驱动信号发生器和高精度数字万用表，连接高精度数字万用表和计算机的通信接口；

B、启动计算机，使激光器驱动信号发生器进行自动校准；

C、计算机通过通信接口向激光器驱动信号发生器的控制电路发送命令，包括设置数字输出接口、模拟输出接口输出电压的波形参数的命令，设置直接数字合成器件的寄存器数值，计算机记录该数值；

D、ARM处理器接收到寄存器数值后写入直接数字合成器件的寄存器，使直接数字合成器件输出直流电压，输出的直流电压经过信号放大及滤波模块的信号放大及滤波后输出；

E、使用高精度数字万用表高精度地测量激光器驱动信号发生器的信号放大及滤波模块输出的电压值；

F、计算机通过通信接口读取并记录高精度数字万用表测量的电压值；

G、重复步骤C~F，直到完成直接数字合成器件寄存器数值的设置；

H、由计算机记录的设置直接数字合成器件内部的寄存器的数值和由通信接口读取高精度数字万用表测量的电压值构成对应函数关系，通过线性最小二乘拟合的方法求解出对应函数关系的斜率和截距；

I、计算机通过通信接口把求解出的对应函数关系的斜率和截距通过通信接口发送到激光器驱动信号发生器的控制电路，并记录在激光器驱动信号发生器中ARM处理器内部的非易失存储器内。