基于SLD光源變流驅動的光纖陀螺快速啟動研究

2019-07-11 04:59:46吳軍偉繆玲娟吳衍記張向明于曉之

導航定位與授時 2019年4期

吳軍偉,繆玲娟,吳衍記,張向明,于曉之

(1.北京理工大學自動化學院, 北京 100081; 2.北京自動化控制設備研究所, 北京 100074)

0 引言

光纖陀螺是慣性導航與控制領域的主流儀表，具有體積小、質量小、啟動快、動態范圍大、耐沖擊振動等優點[1-2]。光纖陀螺的快速啟動技術是應急武備系統、隨動控制系統等特殊應用場合的首要要求。但是目前受多方面因素的影響，光纖陀螺在極限高低溫條件下的快速啟動問題并沒有得到很好的解決，特別是對采用超輻射發光二極管(Superlumineseent Diode，SLD)光源的中精度光纖陀螺來說，SLD光源的啟動過程對光纖陀螺的快速啟動起決定作用[3-4]。國外的研究重點主要集中在控制方法上，例如文獻[5]介紹了一種基于Fuzzy-PID的光源快速穩定技術；文獻[6]提到了通過在光纖中參雜介質來提高光源光功率并加以穩定。

SLD光源在低溫上電啟動時，光源出纖功率過大將引起探測器飽和，從而導致光纖陀螺無法正常工作，稱為光電探測器的致盲效應。國內外在光纖陀螺的快速啟動方面比較有效的研究成果是采用光控方案[7-8]，其基本原理是：從耦合器的盲端用一個PIN光電探測器對SLD光源的出纖功率進行監測，并將探測器輸出信號用于調整光源的驅動電流，進而起到調整光源出纖功率的目的。采取光控方案，光纖陀螺需增加一個探測器和光控反饋回路，這將增加成本、體積和質量，不利于光纖陀螺的小型化設計。本文提出了基于SLD光源變流驅動的光纖陀螺快速啟動方案，在不增加硬件成本和體積的情況下，可有效解決上述問題。

1 光纖陀螺的原理及啟動特性

1.1 光纖陀螺基本原理

光纖陀螺是基于Sagnac效應的角速率傳感器，其結構示意圖如圖1所示，主要包括： SLD光源、單模耦合器、Y波導、光纖傳感環圈、光電探測器、光源驅動溫控電路及陀螺主回路電路等[9]。

圖1 光纖陀螺結構示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of FOG

光纖陀螺工作時，在驅動溫控電路的控制下，SLD光源發出的光經光纖耦合器分光后變為兩束，一束被光纖耦合器的盲端吸收掉，另一束進入集成光學相位調制器，經過起偏、分束、相位偏置調制后變成兩束相干光；兩束相干光分別沿光纖傳感環圈的兩臂進入光纖傳感環圈中，沿順、逆2個相反的方向傳播；當光纖陀螺旋轉時，光纖傳感環圈中沿順時針方向傳播和沿逆時針方向傳播的兩束光傳播一周后所經歷的光程會產生差異，導致兩束光重新回到Y波導處產生干涉時會形成一個正比于旋轉角速率的相位差信號(即Sagnac相移)；攜帶Sagnac相移的光信號經過光纖耦合器進入光電探測器轉換成電信號，送入主回路電路進行信號解算，即可得到光纖陀螺敏感的角速率信息。

1.2 光纖陀螺啟動影響因素分析

影響快速啟動的因素比較多，光源及其控制電路的性能、數字閉環的方式和效率、軟件的控制算法等,具體如圖2所示。

圖2 光纖陀螺啟動時間影響因素分析Fig.2 Analysis by influential factors of FOG

硬件因素包括電路的上電時間以及光學器件的參數穩定時間。其中電路的上電時間主要取決于電路芯片的上電時間以及電子線路的延遲，該時間通常在毫秒級，對光纖陀螺啟動時間的影響可以忽略。光學器件的性能穩定時間主要包括SLD光源的啟動時間、光電探測器的響應時間、Y波導的電光轉換時間等等。光電探測器的檢測帶寬為幾兆赫茲，Y波導的工作帶寬為幾百兆赫茲，因此二者對光纖陀螺啟動時間的影響可以忽略[10]。SLD光源的啟動時間是指上電到輸出穩定光功率的時間，輸出光功率與驅動電流及管芯發光芯片的溫度相關。在驅動電流不變的情況下，SLD光源管芯溫度越高，光源輸出光功率越小[11-12]。為了穩定SLD光源的輸出光功率，SLD光源采取了溫控方案。但在高低溫條件下啟動，SLD光源受制冷器效率所限，光源不能瞬間工作在設定溫度。在低溫啟動時，SLD光源輸出光功率過大，導致光纖陀螺中的探測器輸出電壓飽和，產生致盲效應；而高溫啟動時，SLD光源輸出光功率由小變大，逐步穩定，呈現一爬升過程。

圖3給出了光纖陀螺常溫、低溫和高溫啟動時，SLD光源輸出光功率的曲線及未加調制狀態下光電探測器輸出直流電壓的曲線。圖3中，t0為上電時間，UM為探測器輸出電壓上限，P0為穩定后的光源出纖功率，U0為穩定后的探測器輸出電壓。

(a) 常溫光源出纖功率曲線 (b) 常溫探測器輸出曲線

(e) 高溫光源出纖功率曲線 (f) 高溫探測器輸出曲線圖3 SLD光源及光電探測器輸出曲線Fig.3 Output curves of SLD and PD

從上述分析可知，SLD光源的工作原理決定了其在高低溫下啟動必然存在溫控電流穩定滯后于驅動電流穩定的問題，導致SLD光源光功率低溫啟動時的過沖過程與高溫啟動時的爬升穩定過程。在恒流源供電情況下，SLD光源在高低溫條件下的啟動時間通常在5s以上，這是影響光纖陀螺快速啟動的主要因素。

1.3 SLD光源啟動特性

SLD光源包括激光芯片、半導體制冷器、熱敏電阻、熱沉、光纖透鏡等，如圖4所示。SLD光源上電啟動時，驅動溫控電路將SLD光源內部的溫度由環境溫度調控到設定溫度(一般為25℃左右)。溫度的調控主要通過熱傳導實現，所以調控時間取決于制冷器的制冷效率以及環境溫度與設定溫度的差值，通常需要幾秒。SLD光源驅動電流由恒流源提供，上電即可輸出，并且溫度變化對其輸出光功率的影響很小。

光源的輸出光功率主要與3個因素有關：激光芯片的耦合、驅動電流和激光芯片的溫度[13]。光源輸出光功率與光源的驅動電流正相關，而與激光芯片的溫度負相關，如圖5所示[14]。激光芯片的耦合對光源輸出光功率的影響非常小。

(a) P-I曲線

(b) P-T曲線

2 超輻射發光二極管的變流調節模型

SLD光源輸出光功率與驅動電流存在如下規律

P=P0+K(I-Ith)

(1)

其中，P為光源輸出光功率，P0為光源P-I曲線線性段起始光功率，I為驅動電流，K為曲線斜率，Ith為閾值電流。

P-I曲線斜率K表達式為

(2)

閾值電流表達式為

(3)

其中，Ts為SLD光源工作設定溫度，一般為常溫25℃，K0、α、β為常參數，I0為Ts溫度下P-I曲線線性段起始電流值。

SLD光源輸出光功率可以表達為

(4)

對式(4)求解得到I(P，T)的表達式為

(5)

通常情況下，SLD光源在高低溫啟動時采用恒流驅動，輔助以制冷器控溫。

由于制冷器控溫具有滯后性，SLD光源無法瞬間穩定常溫工作點，出現輸出光功率不穩定現象，如圖6和圖7所示。

圖6 SLD光源低溫啟動光功率輸出曲線Fig.6 Startup output curve of SLD light source at low temperature

光源的P-I模型解出的I(P,T)表達式給出了另一種控制SLD高低溫啟動時，穩定輸出光功率的思路，即放棄恒流驅動，改用變流調節模式。I(P,T)表達式中，將功率P設定為Ts時刻的溫度對應的SLD光源輸出光功率值，通過溫控系統中熱敏電阻反饋的溫度值T，按照I(P，T)表達式調節SLD光源的驅動電流，使光源近似工作于穩定狀態。