CN105352490A - 一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频系统及方法，通过驱动激光器的TEC进行温度控制，可对激光器频率进行粗调。对激光器的驱动电流进行微小的调制，并利用光电探测器接收激光器通过陀螺后的光信号并进行信号处理即可得到反馈的激光器电流值，实现精确的频率控制。由于核磁共振陀螺需要在高温下工作，需要用PWM脉冲发生器生成加热信号控制陀螺温度，加热信号会影响激光信号，使得频率稳定精度下降，因此可在每生成完一段加热脉冲信号后，额外延迟一段非加热时间。在加热信号时间段，对核磁共振陀螺仪进行温度控制，在非加热时间段对其进行激光稳频控制。采用此方法，可避免加热信号产生的磁场影响光电探测器的输出结果，进而影响激光的稳频精度。

Description

一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频系统及方法

技术领域

本发明涉及核磁共振陀螺仪的激光稳频领域。特别时一种降低加热磁场对激光稳频精度产生影响的系统及方法。

背景技术

微型核磁共振陀螺仪具有小体积、低功耗、高性能、大动态范围等特性，已成为新型惯性器件的研究重点和热点。核磁共振陀螺仪的性能受原子核自旋宏观磁矩的影响，且直接与被极化的碱金属原子密度相关。激光器的频率稳定性直接影响被极化的碱金属原子的密度，如果激光器频率波动较大，将导致碱金属原子极化率出现较大的波动，进而影响最终的测量精度。

为了实现激光频率的稳定度，可采用主动稳频和被动稳频的方法。被动稳频主要采用温度控制、机械防震等手段实现，其虽然可达到较高的精度，但仍不满足要求。主动稳频采用伺服控制系统，通过鉴频器，测量激光频率的变化，调整谐振腔或驱动电流动态稳定激光的频率，可实现较高的精度。

核磁共振陀螺仪采用饱和吸收伺服稳频技术，对激光器电流增加一个微小的调制信号，通过检测这一微小调制信号的变化来动态的调整电流或谐振腔以校准激光频率。由于核磁共振陀螺仪的气室需要在120℃的高温环境下工作，因此必须用电磁加热的方式提高气室的温度。气室对外界磁场非常敏感，当外界磁场变化时会影响激光的吸收比率，进而影响光电探测器的输出信号。因此当加热电流通过加热片时，会产生较大的加热磁场，使得检测到的信号累加一个加热磁场噪声，降低稳频的精度，一般精度(即频率稳定度)只能达到10^-7以下。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种用于温度控制的高精度分段脉冲产生系统及方法，解决了在核磁共振陀螺加热磁场影响下的高精度频率控制问题。

本发明解决的技术方案为：一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频系统，包括：PID温度控制器、PWM脉冲发生器、TEC温控模块、信号发生器、激光驱动恒流源、激光器、核磁共振陀螺、光电探测器、滤波放大模块、信号选择器、信号处理模块；驱动激光器为半导体激光器，内部设置有TEC；

TEC温控模块，产生温控电流，驱动激光器内部的TEC，控制激光器的温度，使激光器产生激光的频率在⁸⁷Rb第一线附近；

激光驱动恒流源，产生用于驱动激光器的恒定电流，驱动激光器的激光二级管，使激光器的频率进一步接近⁸⁷Rb第一线；

信号发生器，产生一个正弦波电压信号，调制激光驱动恒流源，使激光驱动恒流源产生的驱动电流产生微小变化；进而使得激光器的出光强度产生微小变化。

激光器产生的光通过核磁共振陀螺后，被陀螺后端的光电探测器接收，光电探测器接收到激光后，根据激光的强度产生微小的电流信号。电流信号经过滤波放大模块放大后转换为电压信号，输出给信号选择器。

PID温度控制器，根据设定的温度，产生一个加热信号，该信号用于控制PWM脉冲发生器产生脉冲信号的占空比，根据脉冲信号的占空比，实现对核磁共振陀螺温度调节；

PWM脉冲发生器根据PID温度控制器输出的加热信号，产生一组用于温度控制的脉冲信号，脉冲信号分为有效加热脉冲和无效加热脉冲，总脉冲长度为N。有效加热脉冲存在时，加热片中通入加热电流，产生热量和磁场；无效加热脉冲存在时，加热片中不存在电流，不产生磁场。PID控制器通过控制有效加热脉冲在总脉冲长度中所占的比例来实现温度控制。

PWM脉冲信号发生器在发生完一组用于温度控制的脉冲信号后，再额外产生一组与用于温度控制的脉冲信号长度相等的无效加热脉冲，使得每次温度控制脉冲发生后，都会存在一段无效加热的时间，这段时间与温度控制脉冲信号的持续时间相等。

PWM脉冲信号发生器产生一控制信号驱动信号选择器。使得用于温度控制的脉冲信号存在时，不采集滤波放大模块滤输出的电压信号，信号选择器输出为0送至信号处理模块，即不进行激光稳频；而额外无效加热脉冲存在时采集滤波放大模块输出的电压信号，进行激光稳频。通过周期性的采集和不采集光电探测器产生的信号，实现分时激光稳频。

信号处理模块将信号信号发生器产生的正弦波电压信号，和信号选择器输出的电压信号相乘，并进行积分运算，输出电流调节信号给激光驱动恒流源，调整激光器产生的恒定电流，即驱动电流，实现激光稳频。

所述N＝64，加热脉冲频率为100kHz-250kHz。

激光调制频率为10-20kHz，激光器的电流调节范围为50-100mA。

PWM脉冲信号发生器在发生完一组用于温度控制的脉冲信号后，再额外产生一组与用于温度控制的脉冲信号长度相等的无效加热脉冲，这段无效加热脉冲的持续时间与温度控制脉冲信号的持续时间相等。

信号处理模块的积分时间为64个加热脉冲的持续时间。

一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频方法，步骤如下

步骤(一)PID控制器驱动PWM信号发生器产生一段用于温度控制的脉冲信号，脉冲信号分为有效加热脉冲和无效加热脉冲，总脉冲长度为N。有效加热脉冲存在时，加热片中通入加热电流，产生热量和磁场；无效加热脉冲存在时，加热片中不存在电流，不产生磁场。PID控制器通过控制有效加热脉冲在总脉冲长度中所占的比例来实现温度控制。

步骤(二)PWM信号发生器在发生完一组用于温度控制的脉冲信号后，再额外产生一段与用于温度控制的脉冲信号长度相等的无效加热脉冲，使得每次温度控制脉冲发生后，都会存在一段无效加热的时间，这段时间与温度控制脉冲信号长度相等。

步骤(三)当核磁共振陀螺仪温度稳定后，对激光器驱动电流进行频率为F的正弦调制，在额外生成无效加热脉冲的时间，用光电探测器采集激光通过核磁共振陀螺仪的信号，对信号进行相位检测，根据检测结果调整激光器电流值，实现激光稳频。

步骤(四)重复(一)(二)(三)步骤，使得加热脉冲存在时，不采集光电探测器的信号进行激光稳频，而额外无效加热脉冲存在时采集光电探测器信号进行激光稳频，实现一种分时激光稳频方式，避免加热磁场影响光电探测器采集信号，影响激光稳频精度。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)将加热脉冲进行分段，并且在相邻两段加热脉冲之间插入一段无效加热脉冲，在无效加热脉冲存在时用光电探测器采集信号进行激光稳频。分段后加热脉冲存在的情况下，不对激光器进行稳频，可降屏蔽加热脉冲产生磁场带来的干扰，提高激光器的稳频精度。

(2)通过信号选择器来控制是否进行激光稳频，当信号选择器不开启时，其输出为0V，0V和信号发生器电路相乘并积分后仍为0V，其不对激光器进行电流调节，相反则输出光电探测器信号，对激光器电流进行调节。可不必额外加入PID控制器，提高系统的复杂程度。

(3)本发明中的PWM脉冲发生器可生成高频加热信号，降低对核磁共振陀螺的影响，进而提高激光稳频的精度。

(4)为了得到较高的闭环控制反馈频率，PWM脉冲发生器每段加热信号的持续时间很短，信号发生的调制频率很高，以满足闭环控制的频率要求，解决激光器短期频率巨变带来的频率控制不及时问题。

附图说明

图1为本发明一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频方法结构示意图；

图2为本发明加热脉冲和激光稳频分时进行的阶段转换图。

具体实施方式

本发明的基本思路为：一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频系统及方法，通过驱动激光器的TEC进行温度控制，可对激光器频率进行粗调。对激光器的驱动电流进行微小的调制，并利用光电探测器接收激光器通过陀螺后的光信号并进行信号处理即可得到反馈的激光器电流值，实现精确的频率控制。由于核磁共振陀螺需要在高温下工作，需要用PWM脉冲发生器生成加热信号控制陀螺温度，加热信号会影响激光信号，使得频率稳定精度下降，因此可在每生成完一段加热脉冲信号后，额外延迟一段非加热时间。在加热信号时间段，对核磁共振陀螺仪进行温度控制，在非加热时间段对其进行激光稳频控制。采用此方法，可避免加热信号产生的磁场影响光电探测器的输出结果，进而影响激光的稳频精度。

本发明的一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频系统，包括：PID温度控制器、PWM脉冲发生器、TEC温控模块、信号发生器、激光驱动恒流源、激光器、核磁共振陀螺、光电探测器、滤波放大模块、信号选择器、信号处理模块；驱动激光器为半导体激光器，内部设置有TEC；

TEC温控模块，产生温控电流，驱动激光器内部的TEC，控制激光器的温度，使激光器产生激光的频率在⁸⁷Rb第一线附近，即795nm附近，±0.5nm；

激光驱动恒流源，产生用于驱动激光器的恒定电流，驱动激光器的激光二级管，使激光器的频率进一步接近⁸⁷Rb第一线，即795nm附近，±0.1nm；

信号发生器，产生一个正弦波电压信号，调制激光驱动恒流源，使激光驱动恒流源产生的驱动电流产生微小变化；进而使得激光器的出光强度产生微小变化。

激光器产生的光通过核磁共振陀螺后，被陀螺后端的光电探测器接收，光电探测器接收到激光后，根据激光的强度产生微小的电流信号。电流信号经过滤波放大模块放大后转换为电压信号，输出给信号选择器；激光调制频率优选为10-20kHz，激光器的电流调节范围为50-100mA。

PID温度控制器，根据设定的温度，产生一个加热信号，该信号用于控制PWM脉冲发生器产生脉冲信号的占空比，根据脉冲信号的占空比，实现对核磁共振陀螺温度调节；

PWM脉冲发生器根据PID温度控制器输出的加热信号，产生一组用于温度控制的脉冲信号，脉冲信号分为有效加热脉冲和无效加热脉冲，总脉冲长度为N,优选N＝64。有效加热脉冲存在时，加热片中通入加热电流，产生热量和磁场；无效加热脉冲存在时，加热片中不存在电流，不产生磁场。PID控制器通过控制有效加热脉冲在总脉冲长度中所占的比例来实现温度控制。

PWM脉冲信号发生器在发生完一组用于温度控制的脉冲信号后，再额外产生一组与用于温度控制的脉冲信号长度相等的无效加热脉冲，使得每次温度控制脉冲发生后，都会存在一段无效加热的时间，这段时间与温度控制脉冲信号的持续时间相等，加热脉冲频率优选为100kHz-250kHz。

PWM脉冲信号发生器产生一控制信号驱动信号选择器。使得用于温度控制的脉冲信号存在时，不采集滤波放大模块滤输出的电压信号，信号选择器输出为0送至信号处理模块，即不进行激光稳频；而额外无效加热脉冲存在时采集滤波放大模块输出的电压信号，进行激光稳频。通过周期性的采集和不采集光电探测器产生的信号，实现分时激光稳频。

信号处理模块将信号发生器产生的正弦波电压信号，和信号选择器输出的电压信号相乘，并进行积分运算，积分后的输出信号给激光驱动恒流源，调整激光器产生的恒定电流，即驱动电流，实现激光稳频。信号积分时间等于调制信号的周期(即10～20kHz)，积分后的结果为电压信号，积分后信号的符号正负代表激光器恒定电流偏移的方向，即当积分后信号电压为正值时，需要减小驱动电流；当积分后信号电压为负值时，需要增加驱动电流。增加或减小的电流大小由积分信号的幅度决定，即每一伏电压代表一毫安的电流，当积分信号为0时，代表激光器信号已经稳定，不需要进行电流调节。通过这方方式，实现了激光器的闭关控制，能够使激光器的出光频率自动锁定到需要的频率位置。

激光器的电流调节范围为50-100mA。

PWM脉冲信号发生器在发生完一组用于温度控制的脉冲信号后，再额外产生一组与用于温度控制的脉冲信号长度相等的无效加热脉冲，这段无效加热脉冲的持续时间与温度控制脉冲信号的持续时间相等。

信号处理模块的积分时间为64个加热脉冲的持续时间。

本发明提出一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频方法，将加热脉冲信号分段，并在相邻两段加热信号之间填充入无效加热信号，在此无效加热信号的时间，用光电探测器采集通过核磁共振陀螺仪的激光信号，进行饱和吸收稳频。

下面结合附图进行详细说明。如图1、图2所示，本发明的工作过程包括：

步骤(一)、温度会导致激光器内部的谐振腔发生形变，导致激光器的频率产生较大的变化，因此要实现高精度的频率稳定控制，必须将激光器的温度限制到一定的范围，以免温度波动太大，导致调节电流无法将激光器的频率调整到最佳值。本发明通过TEC温控模块驱动激光器内的TEC控制激光器温度，通过光谱仪测量激光的频率，确保激光器频率在⁸⁷Rb的第一线频率附近，即795nm附近，优选±0.5nm。

步骤(二)采用恒流源为激光器提供驱动电流，通过信号发生器对驱动恒流源的电流进行10kHz-20kHz的小幅正弦调制，使得激光器的驱动电流在某一电流值附近进行1～2mA的正弦震荡，最终实现对激光器的出光强度进行调制。采用10kHz-20kHz的信号进行调制可实现1kHz的闭环控制频率，并且可降低信号发生器的波形产生压力，实现较好的控制效果。

步骤(三)PID温度控制器控制PWM脉冲发生器生成加热脉冲信号。为了降低加热脉冲对陀螺性能的影响，脉冲信号频率要求在100kHz-250kHz。通过限定每段加热脉冲的脉冲数N＝64，可实现闭环控制频率在1kHz左右，达到较高的闭环控制频率，防止激光器频率突变带来的调整不及时问题，提高频率控制精度。

步骤(四)PWM脉冲发生器接收到PID温度控制器的输入后，产生图2中的加热脉冲1和非加热脉冲2，加热脉冲1和非加热脉冲2的总数为64。通过调整加热脉冲1和非加热脉冲2的比例，实现核磁共振陀螺的温度控制。在生成完脉冲1和脉冲2后，额外生成无效的加热脉冲3。脉冲3的总数与脉冲1和脉冲2的总数相等。在脉冲3的持续过程内，PWM脉冲发生器打开信号选择器，让信号选择器输出光电探测器经滤波放大后的信号，打开激光稳频。而在脉冲1和脉冲2的持续时间内，PWM脉冲发生器关闭信号选择器，关闭激光稳频。采用此方式，可将有加热磁场影响的脉冲1和脉冲2时间段屏蔽，不进行激光稳频，防止加热噪声导致激光稳频不稳定。

步骤(五)信号处理模块接收到输入后，通过将光电探测器经滤波放大后的信号与信号发生器的调制信号相乘并积分，得出电流调整的偏移量，输出给恒流源调整激光器的驱动电流，实现激光频率的校准。当信号选择器关闭时，其输出为0。0和信号发生器的输出信号相乘并积分后仍为0，即不对激光器驱动电流进行调节。积分时间为64个加热脉冲的持续时间，积分时间过短导致信号积分不彻底，积分时间过长会导致引入加热噪声。

如图2所示为加热脉冲和激光稳频分时进行的阶段转换图，加热脉冲1和非加热脉冲2组成用于温度控制的脉冲信号；额外的无效加热脉冲3与温度控制脉冲信号长度相等，用于激光稳频。采用分时稳频的方式，可避免加热磁场对光电探测器信号带来的干扰，降低稳频精度，精度(即频率稳定度)可以达到10^-8。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频系统，其特征在于包括：PID温度控制器、PWM脉冲发生器、TEC温控模块、信号发生器、激光驱动恒流源、激光器、核磁共振陀螺、光电探测器、滤波放大模块、信号选择器、信号处理模块；驱动激光器为半导体激光器，内部设置有TEC；

TEC温控模块，产生温控电流，驱动激光器内部的TEC，控制激光器的温度，使激光器产生激光的频率在⁸⁷Rb第一线附近；

激光驱动恒流源，产生用于驱动激光器的恒定电流，驱动激光器的激光二级管，使激光器的频率进一步接近⁸⁷Rb第一线；

信号发生器，产生一个正弦波电压信号，调制激光驱动恒流源，使激光驱动恒流源产生的驱动电流产生微小变化；进而使得激光器的出光强度产生微小变化。

激光器产生的光通过核磁共振陀螺后，被陀螺后端的光电探测器接收，光电探测器接收到激光后，根据激光的强度产生微小的电流信号。电流信号经过滤波放大模块放大后转换为电压信号，输出给信号选择器。

PID温度控制器，根据设定的温度，产生一个加热信号，该信号用于控制PWM脉冲发生器产生脉冲信号的占空比，根据脉冲信号的占空比，实现对核磁共振陀螺温度调节；

PWM脉冲发生器根据PID温度控制器输出的加热信号，产生一组用于温度控制的脉冲信号，脉冲信号分为有效加热脉冲和无效加热脉冲，总脉冲长度为N。有效加热脉冲存在时，加热片中通入加热电流，产生热量和磁场；无效加热脉冲存在时，加热片中不存在电流，不产生磁场。PID控制器通过控制有效加热脉冲在总脉冲长度中所占的比例来实现温度控制。

PWM脉冲信号发生器在发生完一组用于温度控制的脉冲信号后，再额外产生一组与用于温度控制的脉冲信号长度相等的无效加热脉冲，使得每次温度控制脉冲发生后，都会存在一段无效加热的时间，这段时间与温度控制脉冲信号的持续时间相等。

PWM脉冲信号发生器产生一控制信号驱动信号选择器。使得用于温度控制的脉冲信号存在时，不采集滤波放大模块滤输出的电压信号，信号选择器输出为0送至信号处理模块，即不进行激光稳频；而额外无效加热脉冲存在时采集滤波放大模块输出的电压信号，进行激光稳频。通过周期性的采集和不采集光电探测器产生的信号，实现分时激光稳频。

信号处理模块将信号信号发生器产生的正弦波电压信号，和信号选择器输出的电压信号相乘，并进行积分运算，输出电流调节信号给激光驱动恒流源，调整激光器产生的恒定电流，即驱动电流，实现激光稳频。

2.根据权利要求1所述的一种用于温度控制的高精度分段脉冲产生系统，其特征在于：所述N＝64，加热脉冲频率为100kHz-250kHz。

3.根据权利要求1所述的一种用于温度控制的高精度分段脉冲产生系统，其特征在于：激光调制频率为10-20kHz，激光器的电流调节范围为50-100mA。

4.根据权利要求1所述的一种用于温度控制的高精度分段脉冲产生系统，其特征在于：PWM脉冲信号发生器在发生完一组用于温度控制的脉冲信号后，再额外产生一组与用于温度控制的脉冲信号长度相等的无效加热脉冲，这段无效加热脉冲的持续时间与温度控制脉冲信号的持续时间相等。

5.根据权利要求1所述的一种用于温度控制的高精度分段脉冲产生系统，其特征在于：信号处理模块的积分时间为64个加热脉冲的持续时间。

6.一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频方法，其特征在于：步骤如下

步骤(一)PID控制器驱动PWM信号发生器产生一段用于温度控制的脉冲信号，脉冲信号分为有效加热脉冲和无效加热脉冲，总脉冲长度为N。有效加热脉冲存在时，加热片中通入加热电流，产生热量和磁场；无效加热脉冲存在时，加热片中不存在电流，不产生磁场。PID控制器通过控制有效加热脉冲在总脉冲长度中所占的比例来实现温度控制。

步骤(二)PWM信号发生器在发生完一组用于温度控制的脉冲信号后，再额外产生一段与用于温度控制的脉冲信号长度相等的无效加热脉冲，使得每次温度控制脉冲发生后，都会存在一段无效加热的时间，这段时间与温度控制脉冲信号长度相等。

步骤(三)当核磁共振陀螺仪温度稳定后，对激光器驱动电流进行频率为F的正弦调制，在额外生成无效加热脉冲的时间，用光电探测器采集激光通过核磁共振陀螺仪的信号，对信号进行相位检测，根据检测结果调整激光器电流值，实现激光稳频。

步骤(四)重复(一)(二)(三)步骤，使得加热脉冲存在时，不采集光电探测器的信号进行激光稳频，而额外无效加热脉冲存在时采集光电探测器信号进行激光稳频，实现一种分时激光稳频方式，避免加热磁场影响光电探测器采集信号，影响激光稳频精度。