技术领域
[0001] 本
发明涉及一种零差相干探测中宽范围快调谐三级复合轴锁相方法及结构，属于空间激光通信相干探测技术领域。
背景技术
[0002] 对于空间激光通信技术而言，正向着高速率、远距离的方向发展，通信速率从最初的几千比特每秒提升到十几吉比特每秒，通信链路逐渐拓展到星-地、星-星、空-地等远距离信道。针对上述应用背景，传统的直接探测方式已经不能满足需求，而相干探测技术逐渐引起了研究热潮。对于相干探测技术而言，具有探测灵敏度高，通信距离长、容量大、兼容多种调制格式的特点，因此适用于远距离、快速率的通信链路。零差相干探测单元较传统探测单元而言，还需要满足如下变化需求：(1)宽范围
频率捕获：系统依托于卫星平台工作，搭载
载荷的卫星平台处于在轨运行时，发射端和接收端由于相对运动会导致接收端接收到的频率与发射端发射的频率信息不同，该频移量可以达到千兆赫兹级别，速率在每秒兆赫兹量级，因此要求零差相干探测单元需要具有至少10GHz的宽范围调谐能
力。(2)快速频率调谐：零差相干探测机理要求
本振源和
信号源的频差需控制在千赫兹以下，才能够在接收端解调出原始数据，因此同时要求零差相干探测单元的环路带宽达到兆赫兹级别。(3)高
精度位相
跟踪：为保证接收端信号解调
质量并同时拥有较高探测灵敏度，要求锁相后的位相残差在
10°以内，这就需要探测单元具有相对较高的控制精度，至少在千赫兹级别。
[0003] 刘旭东博士在《无线电工程》期刊发表的题为“空间零差相干光通信的锁相技术”中提出，通过模型的建立与优化，搭建二进制
相移键控(BPSK)零差相干光通信系统，当频差范围在±50MHz以内时，
锁相环路可以快速锁定信号光
相位，当频差超过±50MHz时，不仅锁定时间增加而且锁定状态不稳定，该方法的不足在于频差捕获范围小、相位跟踪精度低及系统锁相
稳定性差。
发明内容
[0004] 本发明为了解决
现有技术的初始捕获范围小、相位跟踪精度低及系统锁相稳定性差的问题，提出了一种零差相干探测中宽范围快调谐三级复合轴锁相方法及结构。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 零差相干探测中宽范围快调谐三级复合轴锁相方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤一，
温度跟踪环负责初始状态的大范围频率捕获，捕获范围能达到几十GHz，经过该环路后本振源和信号源的频差量被拉入进PZT跟踪环带宽内；
[0008] 步骤二，PZT跟踪环启动，通过控制本振源的压电陶瓷柱实现频率的偏移，该环路的频移范围为3GHz，环路带宽为几KHz，调谐速度快，调谐范围小于温度跟踪环，将频差拉入进最后一级AOFS跟踪环带宽内；
[0009] 步骤三，AOFS跟踪环启动，通过控制外执行器实现频率的速度、精密调谐，该环路的调谐范围最小为几十兆赫兹，但是调谐速度至最大值，环路带宽能达到兆赫兹量级，控制精度高于KHz。
[0010] 零差相干探测中宽范围快调谐三级复合轴结构，其特征是，其包括温度跟踪环、PZT跟踪环和AOFS跟踪环；
[0011] 所述温度跟踪环由90°光
混频器、平衡探测器一、功分器一、
分频器、现场可编程
门阵列、通信单元和本振
激光器组成；本振激光器输出的本振光与信号光在90°光混频器中进行相干混频，得到频差信号，由平衡探测器一进行光电转换后，输入至功分器一中输出两路等功率信号，A端作为数据恢复用，B端直接接入分频器中做分频，下变频后的信号输入至
现场可编程门阵列中做处理，通过通信单元与本振激光器做通信，完成本振光的控制，实现初始频差的捕获及跟踪；
[0012] PZT跟踪环由90°光混频器、平衡探测器一、平衡探测器二、功分器、功分器、现场可编程门阵列、本振激光器、
模数转换器、延迟单元、异或门、低通
滤波器、
环路滤波器、
放大器和PZT驱动组成；本振激光器输出的本振光与信号光在90°光混频器中进行相干混频，得到温度环锁定后的频差信号，由平衡探测器一和平衡探测器二进行光电转换后，分别输入至功分器一、功分器二中进行功分，其中功分器一的输出A端作为数据恢复用，B端接入延迟单元中做延迟，功分器二的输出C端与延迟单元的
输出信号同时接入异或门中做鉴相，D 端作为测试
相位噪声接口，异或门的输出信号经过
低通滤波器滤波后，E端输入环路滤波器中做整形，输出H端作为反馈信号，经过模数转换器转换后，控制现场可编程门阵列停止温度环跟踪，环路滤波器的输出G端输入至放大器进行放大，放大信号经过PZT驱动控制本振激光器中的PZT执行器完成本振光的移频，实现本振源和信号源的频差进一步拉小，其中现场可编程门阵列和模数转换器作为解耦处理模
块，实时反馈并控制温度跟踪环的开启与关闭；
[0013] AOFS跟踪环由90°光混频器、平衡探测器一、平衡探测器二、功分器一、功分器二、延迟单元、异或门、低通滤波器、环路滤波器、
电压控
振荡器和声光移频器组成；通过声光移频输出的本振光与信号光在90°光混频器中进行相干混频，得到PZT环锁定后的频差信号，由平衡探测器一和平衡探测器二进行光电转换后，分别输入至功分器一和功分器二中进行功分，功分器一的输出信号经过延迟单元做延迟处理输入至异或门中，与功分器二的输出信号做鉴相，异或门的输出信号经过低通滤波器滤波，环路滤波器整形后，输出至电压控振荡器中完成电压到频率的转换，控制声光移频器实现本振光相位快速、精密跟踪。
[0014] 本发明的有益效果：
[0015] 该方法第一阶段当信号激光器和本振激光器的频差较大时，通过控制本振激光器的温度
驱动器实现光频率的移动；第二阶段当频差拉进至快捕获带后，温度驱动器停止工作，本振激光器的压电陶瓷驱动(PZT)开始工作，通过改变本振激光器
谐振腔长实现光频率的进一步移动；第三阶段当频差进入到位相跟踪带宽内时，电压控振荡器(VCO)驱动声光移频器(AOFS)实现间接地改变光频率，直至频差被拉至0Hz，在此工作期间压电陶瓷驱动通过解耦函数实现与AOFS的随动调谐。在这三个阶段中，温度环的调谐速度最缓慢，在赫兹量级，PZT环调谐速度较快在千赫兹量级，AOFS环调谐速度最快在兆赫兹量级。
[0016] (1)本振激光器温度调谐范围宽，可以达到几十GHz,分频后由现场可编程门阵列(FPGA)进行
数据采集，能够获得较为精准的频差执行量，通过
算法控制本振激光器温度完成宽范围调整；
[0017] (2)加入PZT跟踪环节，将温度跟踪环锁定后的频差逐步拉小，直至拉入到AOFS带宽内，此环节执行速度快，调整范围
覆盖温度环锁定带宽和AOFS 环最大调整范围，具有较好地过渡作用；
[0018] (3)采用AOFS外调谐执行器，实现了间接调整本振光，调谐速度快，精度高，且输出
光谱只有单峰，便于与信号光进行相干混频；
[0019] (4)采用模数转换的方式，将PZT环启动状态反馈给温度环决策模块，实现了温度环与PZT环的解耦与切换；
[0020] (5)可以完成几十GHz的大范围频率初始捕获，并可以有效补偿多普勒频移；
[0021] (6)同时实现快速频率调谐，响应时间达到MHz量级，大大减小了复合环路最大锁相时间；
[0022] (7)AOFS环控制精度达到KHz量级，减小了位相残差，提高了环路控制精度。
附图说明
[0023] 图1为零差相干探测中宽范围快调谐三级复合轴结构示意图。
[0024] 其中：1、90°光混频器，2、平衡探测器，3、平衡探测器，4、功分器，5、功分器，6、分频器，7、现场可编程门阵列，8、通信单元，9、本振激光器， 10、模数转换器，11、延迟单元，12、异或门，13、低通滤波器，14、环路滤波器，15、放大器，16、PZT驱动，17、环路滤波器，18、电压控振荡器，19、声光移频器。
[0025] 图2为三级复合轴锁相后残余相位噪声图。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0027] 零差相干探测中宽范围快调谐三级复合轴锁相方法，该方法包括以下步骤：
[0028] 步骤一，温度跟踪环负责初始状态的大范围频率捕获，捕获范围能达到几十GHz，经过该环路后本振源和信号源的频差量被拉入进PZT跟踪环带宽内。
[0029] 步骤二，PZT跟踪环启动，通过控制本振源的压电陶瓷柱实现频率的偏移，该环路的频移范围为3GHz，环路带宽为几KHz，调谐速度快，调谐范围小于温度跟踪环，将频差拉入进最后一级AOFS跟踪环带宽内。
[0030] 步骤三，AOFS跟踪环启动，通过控制外执行器实现频率的速度、精密调谐，该环路的调谐范围最小为几十兆赫兹，但是调谐速度至最大值，环路带宽能达到兆赫兹量级，控制精度优于KHz。
[0031] 通过上述三个步骤的复合工作，可以同时实现大范围、快速率、高精度位相跟踪，为空间激光通信相干探测技术的实现奠定
基础。
[0032] 如图1所示，零差相干探测中宽范围快调谐三级复合轴结构，其包括温度跟踪环、PZT跟踪环和AOFS跟踪环。
[0033] 所述温度跟踪环由90°光混频器1、平衡探测器一2、功分器一4、分频器6、现场可编程门阵列7、通信单元8和本振激光器9组成。激光器9输出的本振光与信号光在90°光混频器1中进行相干混频，得到频差信号，由平衡探测器一2 进行光电转换后，输入至功分器一4中输出两路等功率信号，A端作为数据恢复用，B端直接接入分频器6中做分频，下变频后的信号输入至现场可编程门阵列7中做处理，通过通信单元8与本振激光器9做通信，完成本振光的控制，实现初始频差的捕获及跟踪，其中本振激光器9中温度执行器的范围和调谐速率会直接影响温度环的跟踪性能。
[0034] PZT跟踪环由90°光混频器1，平衡探测器一2，平衡探测器二3，功分器一4，功分器二5，现场可编程门阵列7，本振激光器9，模数转换器10，延迟单元11，异或门12，低通滤波器13，环路滤波器14，放大器15，PZT驱动16 组成。本振激光器9输出的本振光与信号光在90°光混频器1中进行相干混频，得到温度环锁定后的频差信号，由平衡探测器一2和平衡探测器二3进行光电转换后，分别输入至功分器一4、功分器二5中进行功分，其中功分器一4的输出A端作为数据恢复用，B端接入延迟单元11中做延迟，功分器二5的输出C 端与延迟单元11的输出信号同时接入异或门12中做鉴相，D端作为测试相位噪声接口，异或门12的输出信号经过低通滤波器13滤波后，E端输入环路滤波器14中做整形，输出H端作为反馈信号，经过模数转换器10转换后，控制现场可编程门阵列7停止温度环跟踪，环路滤波器14的输出G端输入至放大器 15进行放大，放大信号经过PZT驱动16控制本振激光器9中的PZT执行器完成本振光的移频，实现本振源和信号源的频差进一步拉小，其中现场可编程门阵列7和模数转换器10作为解耦处理模块，实时反馈并控制温度跟踪环的开启与关闭。
[0035] AOFS跟踪环由90°光混频器1，平衡探测器一2，平衡探测器二3，功分器一4，功分器二5，延迟单元11，异或门12，低通滤波器13，环路滤波器17，电压控振荡器18，声光移频器19组成。通过声光移频19输出的本振光与信号光在90°光混频器1中进行相干混频，得到PZT环锁定后的频差信号，由平衡探测器一2和平衡探测器二3进行光电转换后，分别输入至功分器一4、功分器二5中进行功分，功分器一4的输出信号经过延迟单元11做延迟处理输入至异或门12中，与功分器二5的输出信号做鉴相，异或门12的输出信号经过低通滤波器13滤波，环路滤波器17整形后，输出至电压控振荡器18中完成电压到频率的转换，控制声光移频器19实现本振光相位快速、精密跟踪。其中声光移频器19的调谐范围和调谐速率会影响AOFS跟踪环的性能。从上述搭建的三个环路来看，单一环路受到各自执行器的限制，不能同时完成既“宽”又“快”的相位锁定，只有在三级复合轴协同工作下才能实现宽范围捕获、快速率跟踪、高精度锁相，本发明的重点目标就是增加锁相环的捕获范围，提高锁相环的锁相速度和精度。
[0036] 所述的温度跟踪环和PZT跟踪环，其解耦过程通过高精度模数转换器10反馈给现场可编程门阵列7实现；所述的AOFS跟踪环，使用调谐速率较快的声光移频器完成本振
光源的外调谐；根据具体的复合轴控制带宽要求，温度跟踪环带宽设计为1Hz，PZT跟踪环带宽设计为2KHz，AOFS跟踪环带宽设计为2MHz；根据各环路执行器具体实现要求，温度跟踪环控制精度需优于百兆赫兹量级， PZT跟踪环控制精度需优于几兆赫兹量级，AOFS跟踪环控制精度需优于几千赫兹量级。
[0037] 所述的90°光混频器1：它将信号光和本振光进行混频，输出四路
相位差0°、 180°、90°、270°的混频光束，相差0°和180°的混频光组成一个支路，定义为I 支路，相差90°和
270°的混频光组成另一个支路，定义为Q支路，I支路和Q支路除相位差90°外，其他信息均相同，由于输出的为混频光束，故有下变频
光信号的作用。
[0038] 平衡探测器一2：它将I支路的信号接收并完成光电转换，前端包含一个跨阻放大用来放大信号。由于进入到探测器中的两路光束功率相同，所以
直流分量能够相互抵消，并对本振激光器的强度噪声有很好地抑制效果。
[0039] 平衡探测器二3：它将Q支路的信号接收并完成光电转换，前端包含一个跨阻放大用来放大信号。由于进入到探测器中的两路光束功率相同，所以直流分量能够相互抵消，并对本振激光器的强度噪声有很好地抑制效果。
[0040] 功分器一4：它将I支路信号一分为二，I支路分出的信号一路作为数据观测，一路作为锁相信号。
[0041] 功分器二5：它将Q支路的信号一分为二，Q支路分出的信号一路作为相噪测试，一路作为锁相信号。
[0042] 分频器6：它将I支路功分后的信号进行下变频处理，使分频后的信号满足 FPGA采集要求。
[0043] 现场可编程门阵列7：它用来提取I支路的频差信息，用计数的方法完成频率
鉴别，并实现温度跟踪环控制，同时也作为反馈信号的接收器和解耦器，控制温度跟踪环的开启与关闭。
[0044] 通信单元8：为了将执行量反馈给本振源进行
温度控制，需要通信协议完成握手，通信单元8采用RS422传输，直接控制本振激光器频移。
[0045] 本振激光器9：所述的本振激光器9为窄线宽激光器，选用带有PZT控制和温度控制的光纤激光器，线宽优于1KHz，进入PZT跟踪环和AOFS跟踪环后，频差和相差通过延迟单元11和异或门12提取。通过这两种控制方式能够实现频率的改变，其中PZT控制调谐速度较快，但是频移范围小，而温度控制正好相反，调谐速度较慢，但是有足够的频移范围，该模块作为温度跟踪环和PZT 跟踪环的执行器。
[0046] 模数转换器10：作为解耦单元的数据采集模块，主要将模拟量转换为
数字量，当进入到PZT跟踪环时，提供标志位，反馈给FPGA停止温度环跟踪。
[0047] 延迟单元11：它将I支路信号较Q支路信号滞后几皮秒，方便后续鉴相信号的提取以及为锁相过程提供频移方向。
[0048] 异或门12：它将I支路信号和Q支路信号做异或处理后，消除调制码型，倍频频差信息，为PZT跟踪环和AOFS跟踪环提供执行量和移动方向。
[0049] 低通滤波器13：用来滤除高频分量，保留低频分量，并对
波形进行整形。
[0050] 环路滤波器14：环路的第二阶段滤波由环路滤波器14完成，除滤除高频分量，保留低频分量，整形鉴相输出波形外，采用PI滤波器还可以消除静差，校正控制系统。
[0051] 放大器15：放大信号，满足后续处理要求。
[0052] PZT驱动16：是PZT跟踪环执行器的驱动模块，提供0-100V稳定高压电，其执行的步长量与该环路的控制精度相关，直接影响PZT环的性能。
[0053] 环路滤波器17：AOFS环的第二阶段滤波，除滤除高频分量，保留低频分量，整形鉴相输出波形外，采用PI滤波器还可以消除静差，校正控制系统。
[0054] 电压控振荡器18：是AOFS跟踪环执行器的驱动模块，将电压信息转换为频率信息，控制AOFS频移。
[0055] 声光移频器19：它是AOFS跟踪环的执行器，实现本振光的外调谐，尽管移频范围最小，但是却是三个环路中执行速度最快，执行精度最高的一个环节。当光波和
声波满足一定约束条件后，输出的光波仅在0级和+1级边带或者0级和-1级边带产生衍射光，其余衍射光因为相互干涉而抵消，利用此原理实现了 AOFS的频率移动。
[0056] 实施案例：
[0057] 零差相干探测中宽范围快调谐三级复合轴锁相结构包括以下部分：
[0058] 本振激光器9与信号激光器均采用中心频率1550nm波段的光纤激光器，线宽为1KHz，频率调谐稳定，温度调谐范围大于50GHz，响应时间小于10s，PZT 调谐范围大于3GHz，响应时间小于50us；90°光混频器1要求I、Q
相位延迟小于10°，将输入的信号光和本振光进行混频后输出；平衡探测器一2和平衡探测器二3为了保证对残余直流分量的抑制，需要光功率失配比小于5％，并采用双管平衡探测将光信号转换为
电信号；功分器一4和功分器二5由于要响应“中频”信号，响应带宽应大于20GHz；同理分频器6除具备分频功能外，需要响应高速调制信号；现场可编程门阵列7选用XC7VX485T型号，用来采集并完成计数，获取温度执行量；通信单元8采用RS422协议，完成温度执行量的传输，实现对本振激光器的温度调谐，将频差量拉小至3GHz；当进入到PZT环控制时，模数转换器10采集鉴相输出的电压值，反馈给FPGA停止温度环跟踪，其中模数转换器选用16位的A/D提高采集精度。延迟单元11使用不等长布线，精度达到皮秒级别；异或门12选用兼容直流至5GHz的宽带芯片；低通滤波器13 为
无源滤波器；环路滤波器14和环路滤波器17使用PI滤波；放大器15将输出信号放大10倍，以满足PZT驱动输入要求；PZT驱动16使用稳定的高压放大芯片，将控制电压满量程放大到
100V；电压控振荡器18经功放处理后输出信号功率为1W，中心频率定为500MHz，输出频率与输入电压呈近似线性变化；声光移频器19是实现外调谐的关键器件，调谐范围50MHz，中心频率475MHz，响应时间1us，完成频率的快速调谐和位相的精密跟踪。
[0059] 零差相干探测中宽范围快调谐三级复合轴锁相方法包括以下步骤：
[0060] 第一步，设置信号光与本振光初始频差为10GHz，温度跟踪环开启，频差逐渐被拉小至3GHz时，温度跟踪环停止跟踪。
[0061] 第二步，PZT跟踪环开启，反馈信号通过控制本振激光器的压电陶瓷柱实现
频率偏移，当频差被拉小至50MHz时，PZT跟踪环停止跟踪。
[0062] 第三步，AOFS跟踪环开启，反馈信号通过电压控振荡器完成外调谐，实现系统零差锁相，系统环路带宽控制在1.5MHz，残余相位误差优于3°，如图2 所示，相位噪声最大点对应的频率偏移量即为环路带宽，残余相位误差由图中曲线做积分得到。
