CN111462707A - 一种基于建模补偿的液晶稳功率系统温漂抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种基于建模补偿的液晶稳功率系统温漂抑制方法，根据原有系统同步采集的环境温度和液晶稳功率系统输出光功率数据，对两者之间固定规律的关系建立数学模型，将建立的模型加入到闭环控制电路系统中，代入实时温度数据并计算得到输出光功率温漂值。根据温漂值实时修正闭环控制的反馈光功率值，以实时补偿输出光的温漂值，使得系统温漂得到有效抑制。与传统的激光液晶稳功率系统相比，该方法大幅提高液晶稳功率系统的长期温度稳定性，对量子精密测量仪器长期稳定性改善具有重要意义。

Description

一种基于建模补偿的液晶稳功率系统温漂抑制方法
技术领域
本发明涉及基于建模补偿的液晶稳功率系统温漂抑制方法，可用于原子磁强计、原子陀螺激光光源功率稳定系统，以获得更佳的长期温度稳定性。
背景技术
激光光源是原子磁强计、原子陀螺仪实现原子抽运和信号检测的重要工具。激光功率的稳定性直接影响着量子精密测量仪器的灵敏度和长期稳定性。传统的激光功率稳定技术中广泛采用的是利用外部调制器件构成的闭环控制。利用液晶相位延迟片进行闭环控制的激光功率稳定系统，具有频率和功率不相互耦合，功耗低，光路简单，相位连续可变等优点，一直以来都被应用在量子精密测量仪器中。
然而随着量子精密测量研究的深入，对于激光功率稳定性的要求进一步提高。传统液晶激光功率稳定系统，尽管能够大幅衰减光源波动，但系统输出仍会受到环境温度的影响，尤其是在密闭的机箱内部电路器部件的发热造成的温度波动加剧了光路系统的不稳定性，造成光功率输出的温度漂移，从而严重限制量子精密测量仪器的稳定性，甚至成为了发展的短板。并且这样的温漂现象也限制了量子精密测量仪器今后更广泛的场景应用。因此，提出一种抑制液晶激光功率稳定系统的温度漂移方法具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明针对现有液晶激光功率稳定系统的输出光随温度的波动而漂移的问题，基于建模补偿的方法，提供一种可以有效抑制液晶稳功率系统长期温漂的方法。本发明所采用的技术方案是：
一种基于建模补偿的液晶稳功率系统温漂抑制方法，包括以下步骤：
步骤(1)使液晶稳功率系统在不包含温漂补偿功能的PID闭环控制方案下稳定运行预定时间，并利用电路系统同步采集环境温度和液晶稳功率系统输出光功率的数据；重复实验，并当温度与光功率波动之间的关系呈现固定规律时，根据同步采集的数据建立两者之间的数学模型；
步骤(2)将步骤(1)中建立好的温度-系统输出光功率的模型加入到电路系统中，将实时温度数据代入后获得预测的输出光功率值，该预测的输出光功率值与系统输出光功率的初始值作差，计算得到实时的输出温漂值；
步骤(3)根据步骤(2)中计算得到的温漂值，在闭环控制的反馈光功率值上进行修正，使得反馈光功率的变化补偿输出光功率的温漂，从而实现对系统输出光温漂的有效抑制。
进一步的，上述步骤(1)所述数学模型通过二元线性拟合的方法建立，或通过遗传算法，BP算法，神经网络建立和优化更精准的数学模型。
进一步的，上述步骤(1)中的系统输出光与温度之间的数学模型，表示为：
Pout＝f(T)
其中Pout为环外光功率，T为温度，f代表两者之间的函数关系，即建立的T-P模型；
上述步骤(2)中的输出光功率的温漂值计算表达式如下：
Δ＝Pout(T)-Pout0
其中Δ为输出光功率温漂，Pout(T)为将实时温度数据T代入后获得的预测输出光功率值，Pout0为系统输出光功率的初始值；
上述步骤(3)中对闭环控制的反馈光功率值进行修正，经过补偿后的系统输出光功率计算表达式如下：
Figure BDA0002468924210000021
其中Pout′为修正后的输出光功率，K为初始的输出光与反馈光之间的比值，Pin为反馈光功率。
进一步的，上述步骤(2)所采用的闭环控制电路系统为集成的FPGA电路板，包括四通道16位AD转换电路，两通道24位铂电阻测温电路，以及两通道12位的DA转换电路，电路系统获取光电探测器采集的反馈光功率数据，并通过PID控制使反馈光稳定在电路系统的设定值，通过定制的铂Pt1000低温漂电阻监测机箱内部环境温度，经计算得到实时的温漂值并修正电路系统中的闭环控制反馈光设定值，从而实现对输出光功率温漂的有效抑制。
进一步的，所述的液晶稳功率系统包括：激光光源出射的激光先后经过光隔离器，一个由线偏振器件，液晶相位延迟片和格兰棱镜三者组成的光强衰减器，一个由1/2波片和格兰棱镜二者组成的分光比连续可调的分光器，经过分光器分成的两束激光，一束作为输出供后续实验使用，一束作为反馈由光电探测器接收并传送给集成的FPGA电路板，由一个铂Pt1000低温漂电阻，贴在系统外部的机箱上测得系统所处环境的温度，并传送给集成FPGA电路板；电路系统根据建立好的温度-系统输出光功率模型，以及测温电阻传递的温度值，经过计算得到反馈光设定值和对应的液晶相位延迟片的驱动电压，并输出到液晶相位延迟片上，从而实现对输出光功率温漂的有效抑制。
与现有的传统液晶稳功率系统相比，本发明的优点在于：
(1)在不影响系统基本的激光功率稳定功能的前提下，采用建模补偿的方法，实时修正系统的闭环控制以补偿系统输出光的温度漂移，从而有效抑制系统输出的温漂，使得液晶稳功率系统的长期温度稳定性得到大幅提升。
(2)激光功率长期温度稳定性的提升，使得量子精密测量仪器的长期稳定性得到大幅改善，对其在更广泛的温度范围应用具有重要意义。
(3)在液晶稳功率系统的原有光路中没有添加其它波片等光学器件，使得系统输出激光仍然保持线偏振态，这尤其适用于量子精密测量仪器中的原子抽运激光。
(4)通过贴在机箱上的测低温漂铂电阻获取系统所处环境的实时温度，提高了环境温度测量的准确性。
附图说明
图1为本发明温漂抑制方法实现的流程图；
图2为本发明温漂抑制方法实现的光路系统结构示意图。
其中：激光器1、光隔离器2、线偏振器3、液晶相位延迟片4、格兰棱镜一5、线偏振器6、格兰棱镜二7、光电探测器8、FPGA电路系统9、测温铂电阻10、机箱11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明一种可以有效抑制液晶稳功率系统长期温漂的方法的流程图，具体步骤包括：
步骤(1)使液晶稳功率系统在不包含温漂补偿功能的PID闭环控制方案下稳定运行一段时间，并利用系统电路系统同步采集环境温度和系统输出光功率的数据。重复实验，并当温度与光功率波动之间的关系呈现固定规律时，根据同步采集的数据建立两者之间的数学模型。
步骤(2)将步骤(1)中建立好的温度-系统输出光功率的模型加入到电路系统中，将实时温度数据代入后可以获得预测的输出光功率值，该值与系统输出光功率的初始值作差，即可计算得到实时的输出温漂值。
步骤(3)根据步骤(2)中计算得到的温漂值，在闭环控制的反馈光功率值上进行修正，使得反馈光功率的变化补偿输出光功率的温漂，从而可以实现对系统输出光温漂的有效抑制。所述步骤(1)具体如下：
参见图2，为本发明温漂抑制方法实现的光路系统结构示意图，具体是一种运用在原子磁强计、原子陀螺结构中的可实现温漂抑制的液晶激光功率稳定系统结构。为隔绝外部杂散光及震动因素的影响，整个光路和电路系统均置于机箱11内部。由激光器1出射的激光经过光隔离器2隔绝反射光的干扰，再先后经过线偏振器3，液晶相位延迟片4，以及格兰棱镜一5这三者组成的一个光强衰减器，通过改变施加在液晶相位延迟片4上的驱动电压，可以实现出射光强的连续可调。从格兰棱镜一5出射的光先后经过线偏振器6和格兰棱镜二7这两者构成的分光比可调的分光器，一部分光作为输出，另一部分光作为反馈被光电探测器8吸收。集成的FPGA电路系统9一方面采集光电信号，一方面通过贴在机箱11上的测温铂电阻10获取系统所处环境的实时温度。FPGA电路系统9的输出为幅值连续可调的方波电压，用以施加在液晶相位延迟片4上，实现对系统输出光的闭环控制。在传统的液晶稳功率系统方案中，FPGA电路系统9输出的控制电压仅由反馈光决定，此时输出光会随温度的变化而变化。先使系统按传统方案稳定运行一段时间，并通过电路系统9同步采集温度和输出光数据。
所述步骤(2)具体包括：根据步骤(1)中电路系统采集到的温度和同步的输出光数据，当重复实验总是呈现固定规律的线性关系时，通过数学建模工具可以找到两者之间的一个确切的关系：
Pout＝f(T)
其中Pout为环外光功率，T为温度，f代表两者之间的函数关系，即建立的T-P模型。
所述步骤(3)具体包括：根据步骤(2)中建立的T-P模型，把它加入到FPGA电路系统的程序中，在系统开始运行之后，测得的实时温度数据T代入到模型f(T)中，可以实时地得到预测的输出光数据Pout(T)，对比输出光初始值Pout0，可以得到实时温漂Δ：
Δ＝Pout(T)-Pout0
此时输出光只需扣除这个温漂Δ就能保持稳定，于是在闭环控制的反馈光上进行修正。修正后的输出光功率可以表示为：
Figure BDA0002468924210000051
其中K为初始的输出光与反馈光之间的比值，Pin为反馈光功率。在系统闭环控制时，将反馈光功率值进行这样的修正，使得反馈光功率的变化补偿输出光的温漂，从而可以实现系统输出光温漂的有效抑制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种基于建模补偿的液晶稳功率系统温漂抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)使液晶稳功率系统在不包含温漂补偿功能的PID闭环控制方案下稳定运行预定时间，并利用电路系统同步采集环境温度和液晶稳功率系统输出光功率的数据；重复实验，并当温度与光功率波动之间的关系呈现固定规律时，根据同步采集的数据建立两者之间的数学模型；
步骤(2)将步骤(1)中建立好的温度-系统输出光功率的模型加入到电路系统中，将实时温度数据代入后获得预测的输出光功率值，该预测的输出光功率值与系统输出光功率的初始值作差，计算得到实时的输出温漂值；
步骤(3)根据步骤(2)中计算得到的温漂值，在闭环控制的反馈光功率值上进行修正，使得反馈光功率的变化补偿输出光功率的温漂，从而实现对系统输出光温漂的有效抑制。
2.根据权利要求1所述的一种基于建模补偿的液晶稳功率系统温漂抑制方法，其特征在于：
上述步骤(1)所述数学模型通过二元线性拟合的方法建立，或通过遗传算法，BP算法，神经网络建立和优化更精准的数学模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于建模补偿的液晶稳功率系统温漂抑制方法，其特征在于：
上述步骤(1)中的系统输出光与温度之间的数学模型，表示为：
Pout＝f(T)
其中Pout为环外光功率，T为温度，f代表两者之间的函数关系，即建立的T-P模型；
上述步骤(2)中的输出光功率的温漂值计算表达式如下：
Δ＝Pout(T)-Pout0
其中Δ为输出光功率温漂，Pout(T)为将实时温度数据T代入后获得的预测输出光功率值，Pout0为系统输出光功率的初始值；
上述步骤(3)中对闭环控制的反馈光功率值进行修正，经过补偿后的系统输出光功率计算表达式如下：
Figure FDA0002468924200000011
其中Pout′为修正后的输出光功率，K为初始的输出光与反馈光之间的比值，Pin为反馈光功率。
4.根据权利要求1所述的一种基于建模补偿的液晶稳功率系统温漂抑制方法，其特征在于：
上述步骤(2)所采用的闭环控制电路系统为集成的FPGA电路板，包括四通道16位AD转换电路，两通道24位铂电阻测温电路，以及两通道12位的DA转换电路，电路系统获取光电探测器采集的反馈光功率数据，并通过PID控制使反馈光稳定在电路系统的设定值，通过定制的铂Pt1000低温漂电阻监测机箱内部环境温度，经计算得到实时的温漂值并修正电路系统中的闭环控制反馈光设定值，从而实现对输出光功率温漂的有效抑制。
5.根据权利要求1所述的一种基于建模补偿的液晶稳功率系统温漂抑制方法，其特征在于：
所述的液晶稳功率系统包括：激光光源出射的激光先后经过光隔离器，一个由线偏振器件，液晶相位延迟片和格兰棱镜三者组成的光强衰减器，一个由1/2波片和格兰棱镜二者组成的分光比连续可调的分光器，经过分光器分成的两束激光，一束作为输出供后续实验使用，一束作为反馈由光电探测器接收并传送给集成的FPGA电路板，由一个铂Pt1000低温漂电阻，贴在系统外部的机箱上测得系统所处环境的温度，并传送给集成FPGA电路板；电路系统根据建立好的温度-系统输出光功率模型，以及测温电阻传递的温度值，经过计算得到反馈光设定值和对应的液晶相位延迟片的驱动电压，并输出到液晶相位延迟片上，从而实现对输出光功率温漂的有效抑制。
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GR01 Patent grant
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