CN109507874A - 一种提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，设计掺铒超荧光光纤光源整体结构；设计光源TEC温度控制模块和LD驱动电路；在光源的输出端通过光耦合器分束的光到电路的反馈控制模块，光电检测器作为反馈控制模块的核心器件，接收返回光并将光信号转换为电信号；编写增量式微分先行PID控制算法，编译完成后将控制程序下载到光源系统中总控制器中，进行光源的输出光功率控制，输出稳定性功率的光源。本发明将该控制算法应用到掺铒光纤光源功率反馈控制模块中，可以得到在‑40℃～+60℃百摄氏度范围内功率稳定性好、随功率温度呈线性变化的掺铒超荧光光纤光源，更重要的是为高精度光纤陀螺的研究奠定了坚实的基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高光源功率稳定性的方法，尤其涉及一种提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，属于光电传感领域。
背景技术
掺铒超荧光光纤光源有着极好的平均波长热稳定性和功率稳定性，且输出光谱平坦，被广泛应用到光纤陀螺领域。随着导航精度要求的提高，对光纤陀螺上每个重要组成部件的要求也随之提高。掺铒光纤光源作为光纤陀螺的源头部件，直接影响陀螺的输出性能，平均波长热稳定性和功率稳定性是光源的两个重要输出特性。光源的平均波长热稳定性可以通过设计光路结构、加光栅滤波器等技术，将其稳定到2ppm/℃之内，而功率稳定性可以通过在反馈控制模块中加入PID控制算法来稳定。PID控制算法在光功率控制方面具有极好的鲁棒性和准确性。PID控制算法的经典离散表达式如下所示：
上式中，e(k)＝r(k)-c(k)为PID控制器的输入值(实际光功率数字量和设定光功率数字量的差)，r(k)和c(k)分别代表光功率的设定数字量大小和实际数字量大小；u0为光功率的初始值，T为光源系统的采样时间。KP、TI和TD分别为PID控制器的比例增益、积分时间和微分时间。比例P是一个可调增益放大器，它只改变调制信号即光功率反馈信号的幅度，而不改变其相位，P控制算法可以提高系统的开环增益并及时响应偏差，但并不能消除光源系统中的稳态误差，最终会影响光源的输出光功率稳定，然而积分I可以消除此类稳态误差，微分D可以对输出光功率进行提前控制，控制速度较快。
位置式PID控制算法的输出与过去整个状态有关，在算法中使用的是偏差的累加值，而增量式PID控制算法只与最近两个时刻的误差值有关，由此可知位置式PID控制算法累积误差相对较大。
发明内容
本发明的目的是为了在-40℃～+60℃百摄氏度变温过程中提高光源的功率稳定性而提供一种提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，包括如下步骤：
步骤一：设计掺铒超荧光光纤光源整体结构；
步骤二：设计光源TEC温度控制模块和LD驱动电路；
步骤三：在光源的输出端通过光耦合器分束的光到电路的反馈控制模块，光电检测器作为反馈控制模块的核心器件，接收返回光并将光信号转换为电信号；
步骤四：编写增量式微分先行PID控制算法，编译完成后将控制程序下载到光源系统中总控制器中，进行光源的输出光功率控制，输出稳定性功率的光源。
本发明还包括这样一些特征：
1、所述步骤一中的掺铒超荧光光纤光源整体结构包括光路结构和电路结构；
所述光路结构选用单程后向结构，波分复用器、掺饵光纤依次连接，光隔离器、增益平坦滤波器、光耦合器依次连接，波分复用器还与光隔离器连接；
所述电路结构包括电源模块、系统控制模块、LD驱动模块、反馈控制模块和TEC温度控制模块；所述电源模块分别连接系统控制模块、LD驱动模块、反馈控制模块和TEC温度控制模块，所述系统控制模块通过TEC温度控制模块与LD驱动模块连接，系统控制模块还与LD驱动模块直接连接；
所述光路结构和电路结构通过光电部分连接，所述光隔离器与反馈控制模块连接；
2、所述光电部分由激光二极管LD和光电探测器组成；
3、所述步骤二中：设计光源TEC温度控制模块具体为：采用4个高精度、相同温漂系数的电阻组成桥式测温电路，对光源的内部温度进行实时监测；采用LTC2053和LTC1923芯片作为主要温度控制芯片进行温度控制，控制精度达0.0001℃；
设计光源LD驱动电路具体为：光源LD驱动电路采用大功率三极管和场效应管串联的方式进行二极管的驱动，STM32作为总控制器控制场效应管的开闭，大功率三极管的基级(B级)由运算放大器构成的比较器的形式控制其关断；
4、所述步骤三步骤四具体为：
(1)初始化光源光功率，通过光电部分将掺铒光纤输出的光功率转换为单片机接受的电压信号；
(2)STM32单片机将电压信号在其内部的模数转换器中转换为数字量，并根据反馈量的大小进行增量式微分先行PID控制算法解算；
(3)增量式微分先行PID控制算法将过去两次实际值与设定值之间误差的累积值进行相减操作，带入下面公式进行增量式微分先行PID控制算法计算；
(4)单片机给出输出稳定的功率值，并通过SPI写入数模转换器，输出稳定的光功率；
(5)将光路进行光纤熔接，电路进行PCB焊接，留出程序下载端口；
(6)调试光源系统每个模块，调试完成后，将光源光路和电路安装到带有热沉的金属外壳内进行固定；
(7)在Keil软件中编写程序并编译，编译完成后通过J-Link下载器将预先编译完成的增量式微分先行PID控制算法下载到STM32总控制器中。
5、所述步骤三中分束的光为光源的5％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明适用于设定点功率变化的场合，可以避免给定值变化引起的光源系统不稳定，明显提高系统的动态性能，实现对输出光功率的精确控制。实时的调整输出，给数模转换器的输入端重写数字量，模数转换器将数字量转换为模拟电压信号输出，从而控制光源输出光功率稳定；
光源的功率稳定性是一个评价掺铒光纤光源温度特性的一个重要指标。本发明旨在提出一种有效控制光源输出光功率的算法，即增量式微分先行PID控制算法，并将该控制算法应用到掺铒光纤光源功率反馈控制模块中，可以得到在-40℃～+60℃百摄氏度范围内功率稳定性好、随功率温度呈线性变化的掺铒超荧光光纤光源，更重要的是为高精度光纤陀螺的研究奠定了坚实的基础。
附图说明
图1是掺铒光纤光源整体结构；
图2是掺铒光纤光源TEC温度控制模块；
图3是掺铒光纤光源LD驱动电路图；
图4是光源输出光功率控制流程图；
图5是本发明的试验温度历程；
图6是带位置式PID控制算法掺铒光纤光源的光功率变化；
图7是带增量式PID控制算法掺铒光纤光源的光功率变化；
图8是带增量式微分先行PID控制算法掺铒光纤光源的光功率变化；
图9是不同算法输出功率效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的是提出一种稳定光源输出功率的PID控制算法，并将此控制算法应用于光源系统反馈控制模块中来提高光功率稳定性。该方法通过设计光源温度TEC控制回路、LD驱动电路并提出增量式微分先行PID控制算法，得到输出光功率稳定的掺铒光纤光源，带增量式微分先行PID控制算法光源的功率稳定性在-40℃～+60℃百摄氏度变温过程中得到大大提高。
步骤一：掺铒光纤光源整体结构设计
设计光源的光路结构和电路结构，掺铒光纤光源光路采用单程后向结构，其中包括泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、光电探测器、光隔离器、增益平坦器这几种光无源器件；电路包括电源模块、TEC温度控制模块、LD驱动电路、带PID控制算法的反馈控制模块等几个重要部分组成。
步骤二：设计增量式微分先行PID控制算法
如图4所示，首先初始化光源光功率，通过光电转换电路将掺铒光纤输出的光功率转换为单片机可以接受的电压信号，STM32单片机将电压信号在其内部的模数转换器中转换为数字量，并根据反馈量的大小进行增量式微分先行PID控制算法解算，增量式微分先行PID控制算法将过去两次实际值与设定值之间误差的累积值进行相减操作后，带入公式(2)，进行增量式微分先行PID控制算法计算，随后单片机给出输出稳定的功率值，并通过SPI写入数模转换器，输出稳定的光功率。该算法适用于设定点功率变化的场合，可以避免给定值变化引起的光源系统不稳定，明显提高系统的动态性能，实现对输出光功率的精确控制。实时的调整输出，给数模转换器的输入端重写数字量，模数转换器将数字量转换为模拟电压信号输出，从而控制光源输出光功率稳定；
将光路和电路分别进行光纤熔接和PCB的焊接，留出下载程序端口以便向STM32单片机中下载程序；对光源系统每个模块分别进行调试完成后，将光源光路和电路安装到带有热沉的金属外壳内进行固定，在Keil软件中编写程序并编译，编译通过后通过J-Link下载器将预先编译完成的增量式微分先行PID控制算法下载到STM32总控制器中。
步骤三：光源输出光功率的温度性能测试
光源输出光功率温度性能测试设置温度范围为-40℃～+60℃，将光源尾纤连接到光功率计的输入端口，通过GPIB接口将光功率计采集到的功率实时的发送到计算机内，并由光功率接收软件进行接收。最后画出光功率随温度的变化曲线，观察温度变化趋势并计算出百摄氏度范围内光源输出光的功率稳定性。
光功率反馈控制模块中功率变化的范围非常小，功率在给定的初始值附近以一定频率变化，通过上述方程分析可知，这种增量式微分先行PID控制算法正适用于设定点频率变化的场合，可以避免给定值变化引起的光源系统不稳定，明显提高系统的动态性能，实现对输出光功率的精确控制。
光源光功率稳定性是评价光源变温性能的一个重要指标，要求光功率稳定性在百摄氏度范围内变化在3％以内，且随温度呈线性变化。位置式PID控制算法和增量式PID控制算法表现出线性度差、功率稳定性差的特点，与其他形式的PID控制算法相比，增量式微分先行PID控制算法在光功率稳定控制方面有着明显优于其他两种控制算法的优势，可以将光源输出光功率稳定在3％之内，并且在升降温过程中，光源输出功率随温度呈线性变化。
图中：模块1为电源模块、模块2为系统控制模块、模块3为LD驱动模块、模块4为反馈控制模块、模块5为TEC温度控制模块、1为激光二极管LD、2为波分复用器、3为掺铒光纤、4为光隔离器、5为增益平坦滤波器、6为光耦合器。
请参阅图1，为本发明提供的掺铒光纤光源的具体整体结构框图，由电路部分、光电部分、光路部分三部分组成。电路部分由电源模块、系统控制模块、LD驱动模块、反馈控制模块组成；光电部分由集成激光二极管LD和光电检测二极管组成；光路部分由980/1550波分复用器、19.5米掺铒光纤、光隔离器、增益平坦滤波器、光耦合器五部分组成。电源模块是整个光源电路正常工作的基础，提供±5、+3.3V三种电压；系统控制模块，即STM32单片机产生控制信号控制LD驱动模块中场效应管栅极的开闭；温控模块为LD驱动电路的正常工作提供恒温保证；LD驱动电路控制激光二极管LD输出980nm的泵浦光。
参阅图2，为本发明提供的掺铒光纤光源TEC温度控制模块图。在TEC温度控制模块中，首先需要设计桥式测温电路，利用泵浦源内部的负温度系数热敏电阻进行光源的温度测量。热敏电阻将光源的温度变化转换为其两端电压的变化，并将该电压输入到前置运算放大器LTC2053的同相输入端，该电压信号与前置运放反向端预先设定好的参考电压值的差值经过运放后，输入到LTC1923误差放大器的同相端进一步进行放大。放大后的信号一部分从EAOUT输出，另一部分进入1923内部的PWM比较器，与RC振荡器输出的三角波进行大小比较，输出具有一定占空比的PWM控制信号。该控制信号进入LTC1923内部的逻辑电路判定器，最后在LTC1923的逻辑电平端口输出4个PWM控制信号。控制信号通过控制全桥电路的门级开关进行全桥电路的两侧轮流导通，使得LTC1923可以在单一电源供电的情况下提供双向TEC控制电流，不同的电流方向可以实现加热或制冷两种状态；
参阅图3，为本发明提供的LD驱动电路图。泵浦源恒流LD驱动电路由大功率三极管、P沟道增强型场效应管、两个大功率阻值相同的保护电阻、一个大功率采样电阻、运算放大器、数模转换器以及激光器二极管组成。LD驱动电路采用大功率三极管和场效应管串联的方式控制激光二极管LD的发光，通过改变写入数模转换器DAC7512中的数字量大小来控制运算放大器AD823正相输入端的参考电压值，从而控制LD的发光功率，同时控制三极管的开闭；通过STM32总控制器输出控制信号控制场效应管的栅极电平，进而控制激光二极管LD是否导通。
参阅图4，为本发明的光源输出光功率算法控制流程图，首先初始化光源光功率，通过光电转换电路将掺铒光纤输出的光功率转换为单片机可以接受的电压信号，STM32单片机将电压信号在其内部的模数转换器中转换为数字量，并根据反馈量的大小进行PID控制算法解算，实时的调整输出，给数模转换器的输入端重写数字量，模数转换器将数字量转换为模拟电压信号输出，从而控制光源输出光功率稳定；
本发明采用的温度曲线图如图5所示，具体试验过程操作如下所示：
步骤一：温度首先由常温升高到+60℃保温2小时，使光源或者光纤陀螺内部的温度均匀，再以1℃/min的速率将温度降至-40℃，该过程将持续1小时40分钟，在-40℃温度点处保持2小时，随后继续升温至+60℃保持2小时，设置升温速率与降温速率相同，最后将温箱内的温度恢复至常温；
步骤二：光源供电采用外接+5V直流电源供电，同时设置该电源的最大输出电流为3A，以免电路故障引起的电流突变对光源造成损害。如图所示采用EXPO公司型号PM-1600光功率计进行光源输出光功率的采集，设置功率的采集间隔为1秒，平滑时间为2秒，并通过GPIB接口将功率数据实时的发送到计算机的数据接收上位机内，以便后续的数据处理。
步骤三：将带增量式微分先行PID控制算法的掺铒光纤光源完成性能测试后，画出光源在整个温度历程下的输出光功率，并进行光功率稳定性的数据处理，即PSB＝(2·(Pmax-Pmin)/Pmax+Pmin)·100％，其中Pmax(Pmin)为光功率输出的最大值(最小值)，保存数据；
步骤四：将位置式PID控制算法和增量式PID控制算法分别下载到STM32单片机中进行功率温度测试，测试条件和测试装置如步骤一和步骤二所示，数据处理方法参考步骤三。
采用位置式PID控制算法和增量式PID控制算法进行光源输出光功率控制时，光源具有较差的光功率稳定性和线性度，如图6和图7所示。而采用本发明提出的这种增量式微分先行PID控制算法可以提高光源在全温过程中的功率稳定性，并且光输出功率随温度呈线性变化，如图8所示，提高了光源的鲁棒性和稳定性；由上面计算公式可以得到，光源输出光功率大小和其稳定性分别为10.1mW、2％。满足光纤陀螺用掺铒超荧光光源的功率稳定性的要求，为光纤陀螺的高精度研究奠定了坚实的基础。
以上所述的具体实施方式与具体实验过程操作用来解释说明本发明，仅为本发明提出的较佳的实施例而已，而不是对本发明进行限制，应当指出，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等等，均应该包含在本发明的保护范围之内。对于本技术领域的人员来说，在不脱离本发明方法的前提下，还可以提出若干的改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
综上所述：本发明公开了一种利用增量式微分先行PID控制算法提高掺铒超荧光光纤光源功率稳定性的方法。掺铒光纤光源作为光纤陀螺的源头部分起着至关重要的地位，平均波长热稳定性、功率稳定性、带宽等输出特性是评价光源输出性能优劣的重要指标。本专利从设计高精度TEC温度控制回路和恒流LD驱动控制电路出发，实现了利用增量式微分先行PID控制算法来提高光源输出光功率稳定性的方法。包括步骤：(1)掺铒光纤光源整体结构设计；(2)掺铒光纤光源高精度TEC温度控制回路设计；(3)恒流LD驱动电路设计；(4)PID控制算法编译；(5)光源输出光功率稳定性测试。本发明提出的方法可以提高光源输出光功率的稳定性和随温度变化的线性度，满足中精度光纤陀螺对光源的要求，同时也为高精度光纤陀螺的实现奠定了基础。
Claims (10)
1.一种提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一：设计掺铒超荧光光纤光源整体结构；
步骤二：设计光源TEC温度控制模块和LD驱动电路；
步骤三：在光源的输出端通过光耦合器分束的光到电路的反馈控制模块，光电检测器作为反馈控制模块的核心器件，接收返回光并将光信号转换为电信号；
步骤四：编写增量式微分先行PID控制算法，编译完成后将控制程序下载到光源系统中总控制器中，进行光源的输出光功率控制，输出稳定性功率的光源。
2.根据权利要求1所述的提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，其特征是，所述步骤一中的掺铒超荧光光纤光源整体结构包括光路结构和电路结构；
所述光路结构选用单程后向结构，波分复用器、掺饵光纤依次连接，光隔离器、增益平坦滤波器、光耦合器依次连接，波分复用器还与光隔离器连接；
所述电路结构包括电源模块、系统控制模块、LD驱动模块、反馈控制模块和TEC温度控制模块；所述电源模块分别连接系统控制模块、LD驱动模块、反馈控制模块和TEC温度控制模块，所述系统控制模块通过TEC温度控制模块与LD驱动模块连接，系统控制模块还与LD驱动模块直接连接；
所述光路结构和电路结构通过光电部分连接，所述光隔离器与反馈控制模块连接。
3.根据权利要求2所述的提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，其特征是，所述光电部分由激光二极管LD和光电探测器组成。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，其特征是，所述步骤二中：
设计光源TEC温度控制模块具体为：采用4个高精度、相同温漂系数的电阻组成桥式测温电路，对光源的内部温度进行实时监测；采用LTC2053和LTC1923芯片作为主要温度控制芯片进行温度控制，控制精度达0.0001℃；
设计光源LD驱动电路具体为：光源LD驱动电路采用大功率三极管和场效应管串联的方式进行二极管的驱动，STM32作为总控制器控制场效应管的开闭，大功率三极管的基级(B级)由运算放大器构成的比较器的形式控制其关断。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，其特征是，所述步骤三步骤四具体为：
(1)初始化光源光功率，通过光电部分将掺铒光纤输出的光功率转换为单片机接受的电压信号；
(2)STM32单片机将电压信号在其内部的模数转换器中转换为数字量，并根据反馈量的大小进行增量式微分先行PID控制算法解算；
(3)增量式微分先行PID控制算法将过去两次实际值与设定值之间误差的累积值进行相减操作，带入下面公式进行增量式微分先行PID控制算法计算；
(4)单片机给出输出稳定的功率值，并通过SPI写入数模转换器，输出稳定的光功率；
(5)将光路进行光纤熔接，电路进行PCB焊接，留出程序下载端口；
(6)调试光源系统每个模块，调试完成后，将光源光路和电路安装到带有热沉的金属外壳内进行固定；
(7)在Keil软件中编写程序并编译，编译完成后通过J-Link下载器将预先编译完成的增量式微分先行PID控制算法下载到STM32总控制器中。
6.根据权利要求4任意一项所述的提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，其特征是，所述步骤三步骤四具体为：
(1)初始化光源光功率，通过光电部分将掺铒光纤输出的光功率转换为单片机接受的电压信号；
(2)STM32单片机将电压信号在其内部的模数转换器中转换为数字量，并根据反馈量的大小进行增量式微分先行PID控制算法解算；
(3)增量式微分先行PID控制算法将过去两次实际值与设定值之间误差的累积值进行相减操作，带入下面公式进行增量式微分先行PID控制算法计算；
(4)单片机给出输出稳定的功率值，并通过SPI写入数模转换器，输出稳定的光功率；
(5)将光路进行光纤熔接，电路进行PCB焊接，留出程序下载端口；
(6)调试光源系统每个模块，调试完成后，将光源光路和电路安装到带有热沉的金属外壳内进行固定；
(7)在Keil软件中编写程序并编译，编译完成后通过J-Link下载器将预先编译完成的增量式微分先行PID控制算法下载到STM32总控制器中。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，其特征是，所述步骤三中分束的光为光源的5％。
8.根据权利要求4任意一项所述的提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，其特征是，所述步骤三中分束的光为光源的5％。
9.根据权利要求5任意一项所述的提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，其特征是，所述步骤三中分束的光为光源的5％。
10.根据权利要求6任意一项所述的提高掺铒光纤光源功率稳定性的方法，其特征是，所述步骤三中分束的光为光源的5％。
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