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1、10申请公布号CN104065375A43申请公布日20140924CN104065375A21申请号201410271921122申请日20140618H03L7/00200601H04B10/54820130171申请人武汉滨湖电子有限责任公司地址430205湖北省武汉市江夏区流芳大道51号72发明人李万昌沈金成徐晓杨振74专利代理机构武汉帅丞知识产权代理有限公司42220代理人朱必武54发明名称一种激光光束相位一致性控制方法及控制电路57摘要本发明属于激光光束相位一致性控制领域，具体涉及到的是激光光束相位一致性的控制电路和控制方法。本发明提出了一种激光光束相位控制电路及控制方法，本发明提。
2、取多路光束并通过相位控制电路提取激光光束相位差信息，产生激光光束相位调制信号，形成激光光束相位控制信号。本发明能够实现多路光束相位一致性的控制，使光束合成达到最优光强。本发明具有在工程上容易实现，容易批量生产等特点，本发明能根据实际需求对系统扩展，容易操作，效果明显。51INTCL权利要求书2页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图2页10申请公布号CN104065375ACN104065375A1/2页21一种激光光束相位一致性控制的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一多路光束形成，激光源经过激光分束器后，形成N路光束，将其中N1路光束。
3、经光纤送至相位调制补偿器，另外一路作为参考光束，其中N大于等于2；步骤二探测信号的获取，将相位调制补偿器输出的从光束和参考光束采集光束样本并送至光束合成器，样本光束经光束合成器后，再经过光电转换器形成含有从光束和参考光束之间相位差信息的电信号，即探测信号；步骤三数据处理获取中频信号；解调本振和回波中频率相同的信号混频时，产生直流相位差信息；解调本振和探测信号中频率不同的信号混频时产生交流信号、各次谐波、杂散和干扰信号；由于混频电路的非线性特性和探测信号非单一性，接收解调电路的输出是含有直流相位差信息和各种干扰成分的中频信号；步骤四滤除中频信号中的交流干扰成分分离出直流相位差信息，再经过加权放大。
4、，形成直流的相位补偿信号；并通过激光光束的相位调制信号和相位补偿信号合成相位控制信号；相位控制信号为；其中D为直流的相位补偿信号，A为相位调制信号；，L是接收解调电路输出的相位差信息；步骤五相位调制信号通过相位调制补偿器对从光束的相位进行调制。2如权利要求1所述的激光光束相位一致性控制的方法，其特征在于，所述的步骤二中探测信号的成分用公式为，其中，和分别是参考光束和第束信号光的振幅，是激光频率，和分别是主光束和第束信号光的初始相位，代表第束光被调制的振幅，表示射频调制频率。3如权利要求1所述的激光光束相位一致性控制的方法，其特征在于，所述的步骤三中频信号公式为其中L为直流信号，是参考光束和从光。
5、束之间的相位差信息，随从光束和参考光束之间相位差变化而变化；是解调电路和其它参考光束形成的交流干扰信息，N为是白噪声。4一种控制激光光束相位一致性控制电路，包括N路独立的相位控制电路，每路相位控制电路包括模拟电路、数字电路和偏置电路；模拟电路包括接收解调电路和频率产生电路，接收解调电路和回波信号通过混频实现相位差信息的解调，解调出从光束和参考光束间的相位差信息；频率产生电路主要产生频点可以控制的相位调制信号和数字信号处理时钟信号；数字电路包括信号从单端向差分转换、模拟信号向数字信号转换、积分滤波、加权放权利要求书CN104065375A2/2页3大、数模转换；偏置电路把直流的相位补偿信号和交流。
6、的相位调制信号合成为相位控制信号；其特征在于模拟信号输出的含有相位差信息的中频信号经过模数转化，进入FPGA进行积分运算，通过积分滤除杂波，加权放大，再经过数模转变和信号放大形成相位差补偿信号；通过数字信号积分，完成直流相位补偿信号中交流干扰信号的滤除；相位补偿信号的放大倍数根据激光相位调制补偿器的参数灵活调节，其中N大于等于2。5如权利要求4所述的激光光束相位一致性控制电路，其特征在于所述的每路模拟电路、数字电路和偏置电路的设计、指标、结构形状完全一致。权利要求书CN104065375A1/5页4一种激光光束相位一致性控制方法及控制电路技术领域0001本发明属于激光光束相位一致性控制领域，具。
7、体涉及到的是激光光束相位一致性的控制电路和控制方法。背景技术0002随着科学技术的飞速发展，激光的应用己成为现实。激光现在已经应用于激光无缝焊接、激光高温切割、激光测距、激光定向、激光雷达探测等行业，涉及军用、民用、工业、临床医学等多个领域。0003激光在实际应用中必须充分利用光束的方向性和高能量才能更好的实现各种功能。高能量和方向性优势的实现需要通过激光光束相位一致性的控制提高光束合成有效性。鉴于激光光束相位一致性在激光应用中的重要性，本发明介绍一种激光光束相位一致性控制的实现方法和控制电路。发明内容0004针对背景技术的需求，本发明提出了一种激光光束相位控制电路及控制方法，本发明提取多路光。
8、束并通过相位控制电路提取激光光束相位差信息，产生激光光束相位调制信号，形成激光光束相位控制信号。本发明能够实现多路光束相位一致性的控制，使光束合成达到最优光强。本发明具有在工程上容易实现，容易批量生产等特点，本发明能根据实际需求对系统扩展，容易操作，效果明显。0005本发明的技术方案是一种激光光束相位一致性控制的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一多路光束形成，激光源经过激光分束器后，形成N路光束，将其中N1路光束经光纤送至相位调制补偿器，另外一路作为参考光束，其中N大于等于2；步骤二探测信号的获取，将相位调制补偿器输出的从光束和参考光束采集光束样本并送至光束合成器，样本光束经光束合成器后，再。
9、经过光电转换器形成含有从光束和参考光束之间相位差信息的电信号，即探测信号；步骤三数据处理获取中频信号；解调本振和回波中频率相同的信号混频时，产生直流相位差信息；解调本振和探测信号中频率不同的信号混频时产生交流信号、各次谐波、杂散和干扰信号；由于混频电路的非线性特性和探测信号非单一性，接收解调电路的输出是含有直流相位差信息和各种干扰成分的中频信号；步骤四滤除中频信号中的交流干扰成分分离出直流相位差信息，再经过加权放大，形成直流的相位补偿信号；并通过激光光束的相位调制信号和相位补偿信号合成相位控制信号；相位控制信号为其中D为直流的相位补偿信号，A为相位调制信号；，L是接收解调电路输出的相位差信息；。
10、说明书CN104065375A2/5页5步骤五相位调制信号通过相位调制补偿器对从光束的相位进行调制。0006如上所述的激光光束相位一致性控制的方法，其特征在于，所述的步骤二中探测信号的成分用公式为，其中，和分别是参考光束和第束信号光的振幅，是激光频率，和分别是主光束和第束信号光的初始相位，代表第束光被调制的振幅，表示射频调制频率。0007如上所述的激光光束相位一致性控制的方法，其特征在于，所述的步骤三中频信号公式为其中L为直流信号，是参考光束和从光束之间的相位差信息，随从光束和参考光束之间相位差变化而变化；是解调电路和其它参考光束形成的交流干扰信息，N为是白噪声。0008一种控制激光光束相位一。
11、致性控制电路，包括N路独立的相位控制电路，每路相位控制电路包括模拟电路、数字电路和偏置电路；模拟电路包括接收解调电路和频率产生电路，接收解调电路和回波信号通过混频实现相位差信息的解调，解调出从光束和参考光束间的相位差信息；频率产生电路主要产生频点可以控制的相位调制信号和数字信号处理时钟信号；数字电路包括信号从单端向差分转换、模拟信号向数字信号转换、积分滤波、加权放大、数模转换；偏置电路把直流的相位补偿信号和交流的相位调制信号合成为相位控制信号；其特征在于模拟信号输出的含有相位差信息的中频信号经过模数转化，进入FPGA进行积分运算，通过积分滤除杂波，加权放大，再经过数模转变和信号放大形成相位差补。
12、偿信号；通过数字信号积分，完成直流相位补偿信号中交流干扰信号的滤除；相位补偿信号的放大倍数根据激光相位调制补偿器的参数灵活调节，其中N大于等于2。0009如上所述的激光光束相位一致性控制电路，其特征在于所述的每路模拟电路、数字电路和偏置电路的设计、指标、结构形状完全一致。附图说明0010图1相位控制系统框图；图2相位控制电路信号流程图；图3模拟电路原理框图；图4数字电路原理框图；图5数字信号处理示意图；图6偏置电路示意图；说明书CN104065375A3/5页6具体实施方式0011名称解释激光分束器把激光光束从一束分成多束的设备；参考光束相位不需要调整且被作为参考的光束；从光束经过激光分束器后。
13、相位需要调整、要与参考光束保持一致的光束；光电转换器把光信号转换为电信号的设备；相位调制补偿器可以调制、补偿激光光束相位的设备。0012以下结合附图，对本发明做进一步的说明。0013本发明公开了一种激光光束相位一致性控制的方法，结合图1，介绍整个系统的工作流程。0014主要包括以下步骤1多路光束形成激光源经过激光分束器后，形成五路光束，五路光束的相位各有差异。把四路光束经光纤送至相位调制补偿器，第五路光束作为相位补偿的参考光束。00152探测信号为了获取各路光束与参考光束之间的相位差信息，从相位调制补偿器输出的从光束和参考光束采集光束样本并送至光束合成器。样本光束经光束合成器后，再经过光电转换。
14、器形成含有从光束和参考光束之间相位差信息的电信号，即探测信号。探测信号的成分用公式（3）表示。0016参考光束用公式（1）表示，从光束用（2）表示，参考光束和从光束在空间相互交迭形成的探测信号如公式（3）所示。0017（1）（2）（3）其中，和分别是参考光束和第束信号光的振幅，是激光频率，和分别是主光束和第束信号光的初始相位。代表第束光被调制的振幅，表示射频调制频率。0018探测信号即公式（3）表示的信号。探测信号根据参考光束和从光束的作用关系可分为三个部分。公式中的只与参考光束有关，含有参考光束和从光束之间的相位信息，含有从光束之间的相位差信息。00193中频信号探测信号进入功分器的输出信号。
15、称为回波。回波进入相位控制电路后，在模拟接收解调电路作用下，通过相干解调，获得光束的相位差信息。当解调本振和回波中频率相同的信说明书CN104065375A4/5页7号混频时，产生直流相位差信息；当解调本振和探测信号中频率不同的信号混频时产生交流信号、各次谐波、杂散和干扰信号（每一路解调电路的解调本振和相位调制频率一致，不同的解调电路解调本振和相位调制频率各不相同，可以手动调整）。由于混频电路的非线性特性和探测信号非单一性，接收解调电路的输出是含有直流相位差信息和各种干扰成分的中频信号。中频信号可以用公式（4）表示。0020（4）公式（4）中的L为直流信号，是参考光束和从光束之间的相位差信息，。
16、随从光束和参考光束之间相位差变化而变化。是解调电路和其它参考光束形成的交流干扰信息，N为是白噪声。00214相位补偿信号滤除中频信号中的交流干扰成分分离出直流相位差信息，再经过加权放大，形成直流的相位补偿信号。0022相位补偿信号在数字电路中形成。00235相位控制信号相位控制信号包括激光光束的相位调制信号和相位补偿信号。数字信号处理产生的相位补偿信号和频率产生电路输出的相位调制信号在偏置电路作用下形成相位控制信号，并送至相位调制补偿器，对从光束的相位进行调制和补偿。相位调制信号和相位补偿信号合成相位控制信号的数学公式如（5）所示。其中，I为合成后的相位控制信号，D为直流的相位补偿信号，A为相。
17、位调制信号。0024（5）其中，L是接收解调电路输出的相位差信息，即公式（4）中的L，K和C是相位差信息在数字电路中加权放大的相关参数。0025相位调制信号的作用是调制从光束相位，把每一路从光束进行标记，实现解调电路区分不同从光束与参考光束的相位差。0026相位补偿信号的作用是通过相位调制补偿器补偿上一周期计算出的相位差，补偿相位差，缩小相位差。0027本方法可以根据实际需求对任意N路的光束进行相位一致性控制，其中N大于等于2。0028本发明还公开了相位一致性控制电路设计方案，以下结合附图和实施实例对相位一致性控制电路进行说明。0029相位控制电路的输入是含有从光束和参考光束之间相位差信息的回。
18、波信号，输出是四路从光束的相位控制信号。0030本发明包括4路独立的相位控制电路，可以对四路从光束的相位进行调制补偿，实现四路从光束和参考光束的相位一致性控制。每一路相位控制电路包括模拟电路、数字电路和偏置电路。模拟电路、数字电路和偏置电路的设计、指标、结构形状完全一致，具有互换性。相位控制电路信号流程如图2所示。下面以一路为例说明相位控制电路的主要功能说明书CN104065375A5/5页8和信息处理过程。0031模拟电路主要包括接收解调电路和频率产生电路。接收解调电路和回波信号通过混频实现相位差信息的解调，解调出从光束和参考光束间的相位差信息；频率产生电路主要产生频点可以控制的相位调制信号。
19、和50MHZ数字信号处理时钟信号。模拟电路单路工作原理框图如图3所示。由于进入接收解调电路的回波中含有各路从光束的相位差信息，模拟电路的中频输出是含有直流相位差信息和其它交流干扰的混合信号。根据实际环境通过手动调节相位调制信号的功率，调节回波信号的相位，以达到最好的解调效果。0032数字电路主要包括信号从单端向差分转换、模拟信号向数字信号转换、积分滤波、加权放大、数模转换。数子电路的工作原理框图如图4所示。模拟信号输出的含有相位差信息的中频信号经过模数转化，进入FPGA进行积分运算，通过积分滤除杂波，加权放大，再经过数模转变和信号放大形成相位差补偿信号。通过数字信号积分，完成直流相位补偿信号中。
20、交流干扰信号的滤除。相位补偿信号的放大倍数根据激光相位调制补偿器的参数灵活调节。相对于传统的直流运算放大和介质滤波器处理过程，数字信号的加权放大和滤波处理更为灵活，更容易操作。0033积分滤波过程中积分时间和积分模式直接影响杂波滤除的效果和相位补偿信号的精度和及时性。0034FPGA对数据积分滤波有两种模式。结合图5，进一步说明两种积分模式对数据处理的过程。传统的积分模式，收到一个积分周期的数据开始积分运算，在本实例中持续收到500个数据开始积分，一个积分周期输出一个积分结果。滑窗模式，采集一个数据积分一次，但进行积分的数据可以根据实际情况灵活调整。传统的积分方式存在着积分时间选取的问题，滑窗。
21、模式则不存在积分时间选取的问题。滑窗模式积分结果的准确性取决于积分数据的多少，补偿频率取决于A/D的采样时钟。在本发明实际应用中根据实际积分效果最终选择滑窗模式。在本发明实际应用中A/D的采样时钟50MHZ。积分周期内对500个采样数据积分，每隔20输出一次积分结果。每一个积分周期的数据由两部分组成，一部分是上一周期积分数据后边的499个数据，第二部分是本积分周期内采样得到的一个新数据，共计500个数据。0035偏置电路的主要作用是把直流的相位补偿信号和交流的相位调制信号合成为相位控制信号。该功能通过无源器件偏置BIASTREE型号为SHXBT3S实现。BIASTREE共三个端口射频输入端，直流输入端，合成输出端。偏置电路如图6所示。偏置电路的功能可由公式（5）表示。说明书CN104065375A1/2页9图1图2图3说明书附图CN104065375A2/2页10图4图5图6说明书附图CN104065375A10。