一种激光信号自动锁频及失锁检测方法、系统及介质转让专利
申请号 : CN202311672311.8
文献号 : CN117374714B
文献日 : 2024-03-22
发明人 : 王亚宁
申请人 : 湖南国科通导时空科技有限公司 , 长沙量子测量产业技术研究院有限公司
摘要 :
本申请实施例提供了一种激光信号自动锁频及失锁检测方法、系统及介质，该方法包括：通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息；根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；通过优化调制信号参数对鉴频信号区间进行扫描，通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，以信噪比来判断信号的存在性并获取信号特征；判断信号特征是否满足要求；若不满足要求，则调整调制信号的参数信息；若满足要求，获取锁频信息，优化调制参数，条件都满足时启用硬件PID锁定激光器输出频率，进入硬件锁定。
权利要求 :
1.一种激光信号自动锁频及失锁检测方法，其特征在于，包括：通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息；
根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；
通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，并以信噪比来判断信号的存在性并获取信号特征；
判断信号特征是否满足要求；
若不满足要求，则生成修正信息，根据修正信息调整调制信号的参数信息；
若满足要求，则转由硬件稳定当前激光器输出频率，得到锁频信息；并校验锁频效果，进入硬件锁定；
锁定后判断锁频信息是否失效；
若锁频信息失效，则对调制信号的参数信息进行二次调整；
若锁频信息未失效，则进行周期性失锁检测；
通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，得到降噪结果，具体包括：获取三角波参数，将三角波作为调制信号，使用三角波在存在鉴频信号的区间内扫描，得到采样曲线；
使用加权平均与快速傅里叶变换去除高阶项干扰，对采样曲线进行积分，得到积分信息；
根据积分信息确定鉴频信号过零点，并计算鉴频信号斜率；
使用多参数规划的方式优化调制参数，使得鉴频信号斜率最大，并且与三角波信号同相。
2.根据权利要求1所述的激光信号自动锁频及失锁检测方法，其特征在于，通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息，具体为：对激光器的PZT进行扫描，使用调制光束与未调制光束反向入射吸收池，发生四波混频效应，得到饱和吸收光谱信号；
将饱和吸收光谱信号与拍频信号混频后解调，得到鉴频曲线；
根据鉴频曲线进行分析，生成鉴频信号。
3.根据权利要求2所述的激光信号自动锁频及失锁检测方法，其特征在于，根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；还包括：获取频率扫描区间，将频率扫描区间分为有信号区域与无信号区域；
在有信号区域内进行搜寻鉴频信号区间，在无信号区域内搜寻光干扰信息与噪声分布信息；
根据光干扰信息与噪声分布信息计算信噪比；判断所述信噪比是否大于预设的比值；
若大于，则判定所选区间存在误差信号；
若小于，则判定所选区间不存在误差信号。
4.根据权利要求3所述的激光信号自动锁频及失锁检测方法，其特征在于，若不满足要求，则生成修正信息，根据修正信息调整调制信号的参数信息，具体为：获取三角波的参数信息，三角波的参数信息包括三角波的振幅、周期与采样频率；
根据三角波的振幅计算三角波的幅值，设定三角波的周期与采样频率均为固定值；
通过修正信息调整三角波的幅值对环境噪声进行优化，得到噪声优化结果。
5.根据权利要求4所述的激光信号自动锁频及失锁检测方法，其特征在于，通过修正信息调整三角波的幅值对环境噪声进行优化，得到噪声优化结果之后，还包括：鉴频信号区间分布信息提取鉴频信号，并生成鉴频曲线；
将鉴频曲线快速傅里叶变换后的结果划分为多段向量，用于表示不同频率的分量；
在不同频率分量的特征向量中取其范数，组成新的特征向量；
通过对欧氏空间分割，得到鉴频曲线对应的形态，并对控制参数进行相应的调整，得到鉴频曲线调整结果。
6.一种激光信号自动锁频及失锁检测系统，其特征在于，该系统包括：存储器及处理器，所述存储器中包括激光信号自动锁频及失锁检测方法的程序，所述激光信号自动锁频及失锁检测方法的程序被所述处理器执行时实现以下步骤：通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息；
根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；
通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，并以信噪比来判断信号的存在性并获取信号特征；
判断信号特征是否满足要求；
若不满足要求，则生成修正信息，根据修正信息调整调制信号的参数信息；
若满足要求，则转由硬件稳定当前激光器输出频率，得到锁频信息；并校验锁频效果，进入硬件锁定；
锁定后判断锁频信息是否失效；
若锁频信息失效，则对调制信号的参数信息进行二次调整；
若锁频信息未失效，则进行周期性失锁检测；
通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，得到降噪结果，具体包括：获取三角波参数，将三角波作为调制信号，使用三角波在存在鉴频信号的区间内扫描，得到采样曲线；
使用加权平均与快速傅里叶变换去除高阶项干扰，对采样曲线进行积分，得到积分信息；
根据积分信息确定鉴频信号过零点，并计算鉴频信号斜率；
使用多参数规划的方式优化调制参数，使得鉴频信号斜率最大，并且与三角波信号同相。
7.根据权利要求6所述的激光信号自动锁频及失锁检测系统，其特征在于，通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息，具体为：对激光器的PZT进行扫描，使用调制光束与未调制光束反向入射吸收池，发生四波混频效应，得到饱和吸收光谱信号；
将饱和吸收光谱信号与拍频信号混频后解调，得到鉴频曲线；
根据鉴频曲线进行分析，生成鉴频信号。
8.根据权利要求7所述的激光信号自动锁频及失锁检测系统，其特征在于，根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；还包括：获取频率扫描区间，将频率扫描区间分为有信号区域与无信号区域；
在有信号区域内进行搜寻鉴频信号区间，在无信号区域内搜寻光干扰信息与噪声分布信息；
根据光干扰信息与噪声分布信息计算信噪比；判断所述信噪比是否大于预设的比值；
若大于，则判定所选区间存在误差信号；
若小于，则判定所选区间不存在误差信号。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中包括激光信号自动锁频及失锁检测方法程序，所述激光信号自动锁频及失锁检测方法程序被处理器执行时，实现如权利要求1至5中任一项所述的激光信号自动锁频及失锁检测方法的步骤。
说明书 :
一种激光信号自动锁频及失锁检测方法、系统及介质
技术领域
[0001] 本申请涉及激光信号锁频与失锁检测领域，具体而言，涉及一种激光信号自动锁频及失锁检测方法、系统及介质。
背景技术
[0002] MTS(调制转移光谱)技术是基于四波混频效应，使用外调制方法，获得激光器输出频率与铷原子跃迁频率的频差，很容易生成位于平坦背景上的分散状线形，调制转移信号的过零点精准的集中在相应的原子跃迁上，且由于使用外调制，可以有效降低调制残余误差，调制过程中鉴频曲线的斜率更陡，能提高系统稳频性能。PZT压电陶瓷有逆压电效应，可以在施加电信号下产生对应的微小位移，且具有较高的响应速度。将光纤缠绕在PZT上，在对PZT施加电压时即可对激光器频率进行调谐，改变激光器的输出频率和相位，现有的激光信号无法进行自动锁频，造成激光信号频率波动，影响激光器的输出频率，造成较大的误差。
发明内容
[0003] 本申请实施例的目的在于提供一种激光信号自动锁频及失锁检测方法、系统及介质，通过检测时间节点对鉴频信号进行周期检测，得到锁频信息；并进行周期性失锁检测；使激光器的输出频率精确控制在设定的频率上。
[0004] 本申请实施例还提供了一种激光信号自动锁频及失锁检测方法，包括：
[0005] 通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息；
[0006] 根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；
[0007] 通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，并以信噪比来判断信号的存在性并获取信号特征，其中，扫描过程周期性进行，读取的扫描信号为上一周期的控制结果，作为控制参数的反馈；
[0008] 判断信号特征是否满足要求；
[0009] 若不满足要求，则生成修正信息，根据修正信息调整调制信号的参数信息；
[0010] 若满足要求，则转由硬件稳定当前激光器输出频率，得到锁频信息；并校验锁频效果，进入硬件锁定；
[0011] 锁定后判断锁频信息是否失效；
[0012] 若锁频信息失效，则对调制信号的参数信息进行二次调整；
[0013] 若锁频信息未失效，则进行周期性失锁检测。
[0014] 可选地，在本申请实施例所述的激光信号自动锁频及失锁检测方法中，通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息，具体为：
[0015] 对激光器的PZT进行扫描，使用调制光束与未调制光束反向入射吸收池，发生四波混频效应，得到饱和吸收光谱信号；
[0016] 将饱和吸收光谱信号与拍频信号混频后解调，得到鉴频曲线；
[0017] 根据鉴频曲线进行分析，生成鉴频信号。
[0018] 可选地，在本申请实施例所述的激光信号自动锁频及失锁检测方法中,根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；还包括：
[0019] 获取频率扫描区间，将频率扫描区间分为有信号区域与无信号区域；
[0020] 在有信号区域内进行搜寻鉴频信号区间，在无信号区域内搜寻光干扰信息与噪声分布信息；
[0021] 根据光干扰信息与噪声分布信息计算信噪比；判断所述信噪比是否大于预设的比值；
[0022] 若大于，则判定所选区间存在误差信号；
[0023] 若小于，则判定所选区间不存在误差信号。
[0024] 可选地，在本申请实施例所述的激光信号自动锁频及失锁检测方法中，通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，得到降噪结果，具体包括：
[0025] 获取三角波参数，将三角波作为调制信号，使用三角波在存在鉴频信号的区间内扫描，得到采样曲线；
[0026] 使用加权平均与快速傅里叶变换去除高阶项干扰，对采样曲线进行积分，得到积分信息；
[0027] 根据积分信息确定鉴频信号过零点，并计算鉴频信号斜率；
[0028] 使用多参数规划的方式优化调制参数，使得鉴频信号斜率最大，并且与三角波信号同相。
[0029] 可选地，在本申请实施例所述的激光信号自动锁频及失锁检测方法中，若不满足要求，则生成修正信息，根据修正信息调整调制信号的参数信息，具体为：
[0030] 获取三角波的参数信息，三角波的参数信息包括三角波的振幅、周期与采样频率；
[0031] 根据三角波的振幅计算三角波的幅值，设定三角波的周期与采样频率均为固定值；
[0032] 通过修正信息调整三角波的幅值对环境噪声进行优化，得到噪声优化结果。
[0033] 可选地，在本申请实施例所述的激光信号自动锁频及失锁检测方法中，通过修正信息调整三角波的幅值对环境噪声进行优化，得到噪声优化结果之后，还包括：
[0034] 鉴频信号区间分布信息提取鉴频信号，并生成鉴频曲线；
[0035] 将鉴频曲线快速傅里叶变换后的结果划分为多段向量，用于表示不同频率的分量；
[0036] 在不同频率分量的特征向量中取其范数，组成新的特征向量；
[0037] 通过对欧氏空间分割，得到鉴频曲线对应的形态，并对控制参数进行相应的调整，得到鉴频曲线调整结果。
[0038] 第二方面，本申请实施例提供了一种激光信号自动锁频及失锁检测系统，该系统包括：存储器及处理器，所述存储器中包括激光信号自动锁频及失锁检测方法的程序，所述激光信号自动锁频及失锁检测方法的程序被所述处理器执行时实现以下步骤：
[0039] 通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息；
[0040] 根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；
[0041] 通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，并以信噪比来判断信号的存在性并获取信号特征；扫描过程周期性进行，读取的扫描信号为上一周期的控制结果，作为控制参数的反馈；
[0042] 判断信号特征是否满足要求；
[0043] 若不满足要求，则生成修正信息，根据修正信息调整调制信号的参数信息；
[0044] 若满足要求，则转由硬件稳定当前激光器输出频率，得到锁频信息；并校验锁频效果，进入硬件锁定；
[0045] 锁定后判断锁频信息是否失效；
[0046] 若锁频信息失效，则对调制信号的参数信息进行二次调整；
[0047] 若锁频信息未失效，则进行周期性失锁检测。
[0048] 可选地，在本申请实施例所述的激光信号自动锁频及失锁检测系统中，通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息，具体为：
[0049] 对激光器的PZT进行扫描，使用调制光束与未调制光束反向入射吸收池，发生四波混频效应，得到饱和吸收光谱信号；
[0050] 将饱和吸收光谱信号与拍频信号混频后解调，得到鉴频曲线；
[0051] 根据鉴频曲线进行分析，生成鉴频信号。
[0052] 可选地，在本申请实施例所述的激光信号自动锁频及失锁检测系统中，根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；还包括：
[0053] 获取频率扫描区间，将频率扫描区间分为有信号区域与无信号区域；
[0054] 在有信号区域内进行搜寻鉴频信号区间，在无信号区域内搜寻光干扰信息与噪声分布信息；
[0055] 根据光干扰信息与噪声分布信息计算信噪比；判断所述信噪比是否大于预设的比值；
[0056] 若大于，则判定所选区间存在误差信号；
[0057] 若小于，则判定所选区间不存在误差信号。
[0058] 第三方面，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中包括激光信号自动锁频及失锁检测方法程序，所述激光信号自动锁频及失锁检测方法程序被处理器执行时，实现前述如激光信号自动锁频及失锁检测方法的步骤。
[0059] 由上可知，本申请实施例提供的一种激光信号自动锁频及失锁检测方法、系统及介质，通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息；根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，得到降噪结果；获取鉴频信号的零点对应的激光器的频率，并将激光器的频率进行锁频；设定检测时间节点，通过检测时间节点对鉴频信号进行周期检测，得到锁频信息；并进行周期性失锁检测；使激光器的输出频率精确控制在设定的频率上。
[0060] 本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述。
附图说明
[0061] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0062] 图1为本申请实施例提供的激光信号自动锁频及失锁检测方法的流程图；
[0063] 图2为本申请实施例提供的激光信号自动锁频及失锁检测方法的鉴频信号获取流程图；
[0064] 图3为本申请实施例提供的激光信号自动锁频及失锁检测方法的误差信号判断流程图；
[0065] 图4为本申请实施例提供的激光信号自动锁频及失锁检测系统的结构示意图。
具体实施方式
[0066] 下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0067] 应注意到，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0068] 请参照图1，图1是本申请一些实施例中的一种激光信号自动锁频及失锁检测方法的流程图。该激光信号自动锁频及失锁检测方法用于终端设备中，该激光信号自动锁频及失锁检测方法，包括以下步骤：
[0069] S101，通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息；
[0070] S102，根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；
[0071] S103，通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，并以信噪比来判断信号的存在性并获取信号特征；扫描过程周期性进行，读取的扫描信号为上一周期的控制结果，作为控制参数的反馈；
[0072] S104，判断信号特征是否满足要求；若不满足要求，则生成修正信息，根据修正信息调整调制信号的参数信息；若满足要求，则转由硬件稳定当前激光器输出频率，得到锁频信息；并校验锁频效果，进入硬件锁定；
[0073] S105，锁定后判断锁频信息是否失效；若锁频信息失效，则对调制信号的参数信息进行二次调整；若锁频信息未失效，则进行周期性失锁检测。
[0074] 需要说明的是，激光信号自动锁频及失锁检测方法包括：
[0075] 扫频阶段：对激光器PZT频率可行区间进行扫描，找出鉴频信号可能存在的区间；
[0076] 获取噪声：在无鉴频信号的区间进行随机采样，获得环境中噪声的均值及标准差；
[0077] 粗调阶段：使用三角波在存在鉴频信号的区间内扫描，使用加权平均的方式减少噪声的干扰，使用快速傅里叶变化去除高阶项干扰，对采样曲线进行积分找到鉴频信号过零点。
[0078] 优化阶段：使用多参数规划的方式优化调制参数，使得鉴频信号斜率最大，并且与三角波信号同相，便于硬件PID稳定。
[0079] 其中，PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(differential))控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。
[0080] PZT中文表示锆钛酸铅压电陶瓷（英文名为：piezoelectric ceramic transducer）：其中P是铅元素Pb的缩写，Z是锆元素Zr的缩写，T是钛元素Ti的缩写。
[0081] 精调阶段：逐步缩小三角波振幅并保持鉴频信号的居中对称直至鉴频信号恰好在三角波整个周期之内都存在。
[0082] 锁定阶段：使用硬件PID将激光器频率稳定在鉴频信号的零点处，以控制激光器频率稳定在所需频率处。
[0083] 失锁检测：通过周期性对信号进行检测，判断是否失锁，并在失锁后重复上述阶段。
[0084] 请参照图2，图2是本申请一些实施例中的一种激光信号自动锁频及失锁检测方法的鉴频信号获取流程图。根据本发明实施例，通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息，具体为：
[0085] S201，对激光器的PZT进行扫描，使用调制光束与未调制光束反向入射吸收池，发生四波混频效应，得到饱和吸收光谱信号；
[0086] S202，将饱和吸收光谱信号与拍频信号混频后解调，得到鉴频曲线；
[0087] S203，根据鉴频曲线进行分析，生成鉴频信号。
[0088] 具体的，在扫频阶段，对激光器的PZT进行扫描，采集到鉴频曲线，所述鉴频信号为调制光束与未调制光束入射吸收池后，由于非线性四波混频效应，发生边带转移，探测光与边带拍频信号经过鉴频器后的信号。
[0089] 请参照图3，图3是本申请一些实施例中的一种激光信号自动锁频及失锁检测方法的误差信号判断流程图。根据本发明实施例，根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；还包括：
[0090] S301，获取频率扫描区间，将频率扫描区间分为有信号区域与无信号区域；
[0091] S302，在有信号区域内进行搜寻鉴频信号区间，在无信号区域内搜寻光干扰信息与噪声分布信息；
[0092] S303，根据光干扰信息与噪声分布信息计算信噪比；判断信噪比是否大于预设的比值；
[0093] S304，若大于，则判定所选区间存在误差信号；
[0094] S305，若小于，则判定所选区间不存在误差信号。
[0095] 需要说明的是，使用信噪比是判断信号区域内信号的具体所在位置，当存在误差信号时，通过调制转移光谱法获得激光信号与原子跃迁频率的误差，通过对鉴频曲线进行信号处理，优化控制参数，并使得误差信号过零点尽可能在三角波偏置处，从而将激光器的输出频率与铷原子的跃迁频率相对应，实现较佳的锁频效果。
[0096] 根据本发明实施例，通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，得到降噪结果，具体包括：
[0097] 获取三角波参数，将三角波作为调制信号，使用三角波在存在鉴频信号的区间内扫描，得到采样曲线；
[0098] 使用加权平均与快速傅里叶变换去除高阶项干扰，对采样曲线进行积分，得到积分信息；
[0099] 根据积分信息确定鉴频信号过零点，并计算鉴频信号斜率；
[0100] 使用多参数规划的方式优化调制参数，使得鉴频信号斜率最大，并且与三角波信号同相。
[0101] 需要说明的是，精调阶段使用复合求积对鉴频曲线进行积分，使用插值法获得过零点，依据曲线形态使得锁定点尽可能的居中，并使用硬件PID维持输出电压在铷原子跃迁频率上。
[0102] 根据本发明实施例，若不满足要求，则生成修正信息，根据修正信息调整调制信号的参数信息，具体为：
[0103] 获取三角波的参数信息，三角波的参数信息包括三角波的振幅、周期与采样频率；
[0104] 根据三角波的振幅计算三角波的幅值，设定三角波的周期与采样频率均为固定值；主要目的是改变三角波的偏置，振幅是为了缩减信号区间的长度，周期和采样率为硬件固定值；
[0105] 通过修正信息调整三角波的幅值对环境噪声进行优化，得到噪声优化结果。
[0106] 根据本发明实施例，通过修正信息调整三角波的幅值对环境噪声进行优化，得到噪声优化结果之后，还包括：
[0107] 鉴频信号区间分布信息提取鉴频信号，并生成鉴频曲线；
[0108] 将鉴频曲线快速傅里叶变换后的结果划分为多段向量，用于表示不同频率的分量；
[0109] 在不同频率分量的特征向量中取其范数，组成新的特征向量；
[0110] 通过对欧氏空间分割，得到鉴频曲线对应的形态，并对控制参数进行相应的调整，得到鉴频曲线调整结果。
[0111] 需要说明的是，将快速傅里叶变换后的结果按不同的频率分成多段，比如，直流（零频）分量表示鉴频信号过零点实际上存在偏置而不是实际零点，若低频信号存在两个峰值则说明相位信号极差；并且实际划分时并不完全是按相同长度取的，所以在频率分段的基础上，再取其范数组成一个新的向量进行判断。
[0112] 根据本发明实施例，MTS稳频的原理是使用调制光束与未调制光束反向入射吸收池，发生四波混频效应，得到饱和吸收谱信号,经过与拍频信号混频后解调，得到鉴频曲线，公式如下：
[0113]
[0114] 上式中的 进行计算；
[0115] 上式中的 进行计算，其中n的取值为{‑1,‑1/2,1/2,1}；
[0116] 为谱线的自然线宽，为频率失谐量， 为泵浦光调制场的探测相位,FDS表示鉴频曲线，G表示修正常数。
[0117] 当激光器的输出频率 与铷原子跃迁频率相近时，会出现误差信号，当激光频率与铷原子跃迁频率一致时，体现为鉴频曲线的过零点。为使误差信号便于使用硬件电路PID进行稳定，应使得其调制相位在 =0或 =0处，避免另一项的干扰。
[0118] 根据本发明实施例，通过将鉴频曲线FFT后的结果划分为数段，在每段向量中取其范数，组成新的向量，通过对欧氏空间分割，可以得到鉴频曲线对应的形态，并对控制参数进行相应的调整，以获得最优效果。
[0119] 由于PZT存在机械回程误差，使得三角波相位超前于鉴频信号相位，在使用硬件PID将激光器频率稳定在鉴频信号的零点处，以控制激光器频率稳定在所需频率处，使用相对调节的方式进行调节，并计算硬件PID的控制电压。
[0120] 请参照图4，图4是本申请一些实施例中的一种激光信号自动锁频及失锁检测系统的结构示意图。第二方面，本申请实施例提供了一种激光信号自动锁频及失锁检测系统4，该系统包括：存储器41及处理器42，存储器41中包括激光信号自动锁频及失锁检测方法的程序，激光信号自动锁频及失锁检测方法的程序被处理器执行时实现以下步骤：
[0121] 通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息；
[0122] 根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；
[0123] 通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，并以信噪比来判断信号的存在性并获取信号特征；扫描过程周期性进行，读取的扫描信号为上一周期的控制结果，作为控制参数的反馈；
[0124] 判断信号特征是否满足要求；
[0125] 若不满足要求，则生成修正信息，根据修正信息调整调制信号的参数信息；
[0126] 若满足要求，则转由硬件稳定当前激光器输出频率，得到锁频信息；并校验锁频效果，进入硬件锁定；
[0127] 锁定后判断锁频信息是否失效；
[0128] 若锁频信息失效，则对调制信号的参数信息进行二次调整；
[0129] 若锁频信息未失效，则进行周期性失锁检测。
[0130] 需要说明的是，激光信号自动锁频及失锁检测方法包括：
[0131] 扫频阶段：对激光器PZT频率可行区间进行扫描，找出鉴频信号可能存在的区间；
[0132] 获取噪声：在无鉴频信号的区间进行随机采样，获得环境中噪声的均值及标准差；
[0133] 粗调阶段：使用三角波在存在鉴频信号的区间内扫描，使用加权平均的方式减少噪声的干扰，使用快速傅里叶变化去除高阶项干扰，对采样曲线进行积分找到鉴频信号过零点。
[0134] 优化阶段：使用多参数规划的方式优化调制参数，使得鉴频信号斜率最大，并且与三角波信号同相，便于硬件PID稳定。
[0135] 其中，PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(differential))控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。
[0136] PZT中文表示锆钛酸铅压电陶瓷（英文名为：piezoelectric ceramic transducer）：其中P是铅元素Pb的缩写，Z是锆元素Zr的缩写，T是钛元素Ti的缩写。
[0137] 精调阶段：逐步缩小三角波振幅并保持鉴频信号的居中对称直至鉴频信号恰好在三角波整个周期之内都存在。
[0138] 锁定阶段：使用硬件PID将激光器频率稳定在鉴频信号的零点处，以控制激光器频率稳定在所需频率处。
[0139] 失锁检测：通过周期性对信号进行检测，判断是否失锁，并在失锁后重复上述阶段。
[0140] 根据本发明实施例，通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息，具体为：
[0141] 对激光器的PZT进行扫描，使用调制光束与未调制光束反向入射吸收池，发生四波混频效应，得到饱和吸收光谱信号；
[0142] 将饱和吸收光谱信号与拍频信号混频后解调，得到鉴频曲线；
[0143] 根据鉴频曲线进行分析，生成鉴频信号。
[0144] 具体的，在扫频阶段，对激光器的PZT进行扫描，采集到鉴频曲线，所述鉴频信号为调制光束与未调制光束入射吸收池后，由于非线性四波混频效应，发生边带转移，探测光与边带拍频信号经过鉴频器后的信号。
[0145] 根据本发明实施例，根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；还包括：
[0146] 获取频率扫描区间，将频率扫描区间分为有信号区域与无信号区域；
[0147] 在有信号区域内进行搜寻鉴频信号区间，在无信号区域内搜寻光干扰信息与噪声分布信息；
[0148] 根据光干扰信息与噪声分布信息计算信噪比；判断信噪比是否大于预设的比值；
[0149] 若大于，则判定所选区间存在误差信号；
[0150] 若小于，则判定所选区间不存在误差信号。
[0151] 需要说明的是，使用信噪比是判断信号区域内信号的具体所在位置，当存在误差信号时，通过调制转移光谱法获得激光信号与原子跃迁频率的误差，通过对鉴频曲线进行信号处理，优化控制参数，并使得误差信号过零点尽可能在三角波偏置处，从而将激光器的输出频率与铷原子的跃迁频率相对应，实现较佳的锁频效果。
[0152] 根据本发明实施例，通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，得到降噪结果，具体包括：
[0153] 获取三角波参数，将三角波作为调制信号，使用三角波在存在鉴频信号的区间内扫描，得到采样曲线；
[0154] 使用加权平均与快速傅里叶变换去除高阶项干扰，对采样曲线进行积分，得到积分信息；
[0155] 根据积分信息确定鉴频信号过零点，并计算鉴频信号斜率；
[0156] 使用多参数规划的方式优化调制参数，使得鉴频信号斜率最大，并且与三角波信号同相。
[0157] 需要说明的是，精调阶段使用复合求积对鉴频曲线进行积分，使用插值法获得过零点，依据曲线形态使得锁定点尽可能的居中，并使用硬件PID维持输出电压在铷原子跃迁频率上。
[0158] 根据本发明实施例，若不满足要求，则生成修正信息，根据修正信息调整调制信号的参数信息，具体为：
[0159] 获取三角波的参数信息，三角波的参数信息包括三角波的振幅、周期与采样频率；
[0160] 根据三角波的振幅计算三角波的幅值，设定三角波的周期与采样频率均为固定值；主要目的是改变三角波的偏置，振幅是为了缩减信号区间的长度，周期和采样率为硬件固定值；
[0161] 通过修正信息调整三角波的幅值对环境噪声进行优化，得到噪声优化结果。
[0162] 根据本发明实施例，通过修正信息调整三角波的幅值对环境噪声进行优化，得到噪声优化结果之后，还包括：
[0163] 鉴频信号区间分布信息提取鉴频信号，并生成鉴频曲线；
[0164] 将鉴频曲线快速傅里叶变换后的结果划分为多段向量，用于表示不同频率的分量；
[0165] 在不同频率分量的特征向量中取其范数，组成新的特征向量；
[0166] 通过对欧氏空间分割，得到鉴频曲线对应的形态，并对控制参数进行相应的调整，得到鉴频曲线调整结果。
[0167] 需要说明的是，将快速傅里叶变换后的结果按不同的频率分成多段，比如，直流（零频）分量表示鉴频信号过零点实际上存在偏置而不是实际零点，若低频信号存在两个峰值则说明相位信号极差；并且实际划分时并不完全是按相同长度取的，所以在频率分段的基础上，再取其范数组成一个新的向量进行判断。
[0168] 根据本发明实施例，MTS稳频的原理是使用调制光束与未调制光束反向入射吸收池，发生四波混频效应，得到饱和吸收谱信号,经过与拍频信号混频后解调，得到鉴频曲线，公式如下：
[0169]
[0170] 上式中的 进行计算；
[0171] 上式中的 进行计算，其中n的取值为{‑1,‑1/2,1/2,1}；
[0172] 为谱线的自然线宽，为频率失谐量， 为泵浦光调制场的探测相位，FDS表示鉴频曲线，G表示修正常数。
[0173] 当激光器的输出频率 与铷原子跃迁频率相近时，会出现误差信号，当激光频率与铷原子跃迁频率一致时，体现为鉴频曲线的过零点。为使误差信号便于使用硬件电路PID进行稳定，应使得其调制相位在 =0或 =0处，避免另一项的干扰。
[0174] 根据本发明实施例，通过将鉴频曲线FFT后的结果划分为数段，在每段向量中取其范数，组成新的向量，通过对欧氏空间分割，可以得到鉴频曲线对应的形态，并对控制参数进行相应的调整，以获得最优效果。
[0175] 由于PZT存在机械回程误差，使得三角波相位超前于鉴频信号相位，在使用硬件PID将激光器频率稳定在鉴频信号的零点处，以控制激光器频率稳定在所需频率处，使用相对调节的方式进行调节，并计算硬件PID的控制电压。
[0176] 第三方面，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中包括激光信号自动锁频及失锁检测方法程序，所述激光信号自动锁频及失锁检测方法程序被处理器执行时，实现前述如激光信号自动锁频及失锁检测方法的步骤。
[0177] 由上可知，本申请实施例提供的一种激光信号自动锁频及失锁检测方法、系统及介质，通过对激光器进行频率可行区间扫描，生成频率扫描区间，在频率扫描区间内搜寻鉴频信号的存在区间，记为鉴频信号区间，得到鉴频信号区间分布信息；根据鉴频信号区间分布信息生成频率扫描区间内噪声区间，在噪声区间内进行随机采样，获取环境噪声特征；通过调制信号对鉴频信号区间进行扫描，并通过加权平均系数对环境噪声进行降噪处理，得到降噪结果；获取鉴频信号的零点对应的激光器的频率，并将激光器的频率进行锁频；设定检测时间节点，通过检测时间节点对鉴频信号进行周期检测，得到锁频信息；并进行周期性失锁检测；使激光器的输出频率精确控制在设定的频率上。
[0178] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
[0179] 上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0180] 另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
[0181] 本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器（ROM，Read‑Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0182] 或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。