光纖陀螺儀第三閉環(huán)回路控制研究

作者簡介：王雅（1995—），女，陜西渭南人，碩士。研究方向：主要從事光纖陀螺儀電路與系統(tǒng)的研究。

0   引言

光纖陀螺儀是當前導(dǎo)航與制導(dǎo)領(lǐng)域廣泛使用的慣性器件，具有尺寸小、牢固穩(wěn)定、啟動時間短等特點[1]。為擴大動態(tài)測量范圍、提高測試性能，信號解調(diào)過程中通常構(gòu)建數(shù)字階梯波反饋相移以及階梯波復(fù)位控制雙重閉環(huán)回路，保證全溫條件下的控制精度。目前光纖陀螺儀普遍采用超輻射發(fā)光二極管（Super-luminescent Diode，SLD）作為光源，SLD 性能的不穩(wěn)定會對光 纖陀螺儀的精度產(chǎn)生極大影響。隨著使用時間的增長，SLD 光源輸出光功率會逐漸降低；且光源的輸出光功率以及光波長易受溫度變化影響，復(fù)雜的環(huán)境因素會對陀螺儀性能造成較大的干擾^[2]。

為減小光源不穩(wěn)定造成的誤差影響，對SLD 光源的驅(qū)動控制進行研究。光源驅(qū)動控制多采用恒流驅(qū)動與溫度控制相結(jié)合的方式來間接穩(wěn)定光功率，這種方法并不能保證光源工作的穩(wěn)定性與可靠性^[3]。因此，本文提出光源光功率控制技術(shù)，在陀螺儀內(nèi)部增加第三閉環(huán)回路反饋，以此提高SLD 光源的控制精度，滿足系統(tǒng)要求。

1   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 光源的作用與選擇

光源的主要作用是為光纖陀螺儀提供產(chǎn)生Sagnac效應(yīng)所需的合適光信號，因此要求使用的光源可靠性高、體積小、壽命長，同時還具備短相干長度、窄的光束發(fā)散角及較高的輸出功率。SLD 光源是自發(fā)輻射的單路光放大器件，發(fā)射部分偏振光，光波輸出波長穩(wěn)定、偏振度適宜，這些優(yōu)點使其成為當前光纖陀螺儀使用的理想光源^[4]。

1.2 SLD光源對光纖陀螺儀性能的影響

SLD 光源作為光纖陀螺儀光路結(jié)構(gòu)中唯一的有源功率元件，探測器探測到的光功率取決于光源的輸出功率和整個光學(xué)系統(tǒng)的總損耗。散粒噪聲引起的隨機游走與返回探測器的光功率的平方根成反比，為提高光纖陀螺儀的性能，必須提高光源的輸出光功率。

干涉型光纖陀螺儀檢測器的輸出為：

式中：I 為檢測光強；K0 為比例系數(shù)；I0 為初始光強；φS為Sagnac 相移。目前，對干涉式光纖陀螺儀的研究普遍采用方波偏置方案，對正、負半周期信號相減并化簡之后可得出：

式中：L 為光纖總長度；D 為光纖環(huán)直徑； λ 為光在真空中的波長；c 為光在真空中的速度；Ω 為陀螺轉(zhuǎn)動角速率。由式(2) 可知：光源輸出功率I0 的不穩(wěn)定將影響光纖陀螺儀的測量精度，而平均波長λ 的波動也將導(dǎo)致光纖環(huán)的非互易相移產(chǎn)生漂移，即影響光纖陀螺儀標度因數(shù)的穩(wěn)定性。

目前，對SLD 光源的驅(qū)動普遍采用恒流源，光源輸出光信號的功率由光源驅(qū)動電路獨立控制，該電路在全溫條件下或長時間工作周期內(nèi)始終保持恒定的驅(qū)動電流輸出。隨著SLD 光源使用時間的增長，SLD 光源在恒定的電流驅(qū)動下輸出的光功率會逐漸降低；不同溫度條件下，注入相同的驅(qū)動電流，輸出光功率也會發(fā)生波動，這些因素將直接影響光纖陀螺儀的整機性能和指標參數(shù)。

光功率控制技術(shù)是以光源輸出光功率為對象，實現(xiàn)直接控制?；舅枷胧峭ㄟ^數(shù)字解調(diào)電路對PIN-FET 檢測到的光信號進行解調(diào)，根據(jù)光功率的波動變化，提高或降低光源的驅(qū)動電流，摒除其他環(huán)境因素造成的干擾，實現(xiàn)光纖陀螺儀光路內(nèi)傳輸光信號的閉環(huán)穩(wěn)定，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示^[5]。

2   系統(tǒng)硬件設(shè)計

要實現(xiàn)對光源輸出信號的動態(tài)控制，光源驅(qū)動電路必須采用數(shù)字電流源電路，該電流源的輸出電流由數(shù)字解調(diào)電路控制。動態(tài)調(diào)節(jié)第一步是實現(xiàn)對陀螺光路輸出的實時監(jiān)測，光纖陀螺儀的組成結(jié)構(gòu)中，PIN-FET 組件是實現(xiàn)將陀螺光路中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能模塊，通過對PIN-FET 輸出的電信號進行采樣、解調(diào)等處理之后可以實現(xiàn)對光功率的實時監(jiān)測。光纖陀螺儀在閉環(huán)控制下的PIN-FET 輸出信號為典型的梳妝波信號，對該信號進行模擬/ 數(shù)字轉(zhuǎn)換，將信號當中的直流信號（即平坦區(qū)間信號）進行采樣和解調(diào)，通過相應(yīng)的濾波算法即可得到輸入PIN-FET 的光信號功率，據(jù)此得到光纖陀螺儀整個光路的實時光功率波動情況。通過數(shù)字電流源對光源驅(qū)動電流進行實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)陀螺整個光路的光功率穩(wěn)定。

2.1 數(shù)字電流源電路設(shè)計

數(shù)字電流源電路可采用的技術(shù)方案主要有基于數(shù)字D/A 的模擬電流源電路、基于模擬輸入的集成電流源電路和集成數(shù)字D/A 的數(shù)字電流源電路方案三種，對三種技術(shù)方案的整體性能、技術(shù)水平、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、電路復(fù)雜度等各方面綜合考慮，選取集成數(shù)字D/A 的數(shù)字恒流源電路作為數(shù)字電流源電路的設(shè)計方案，原理框圖如圖2 所示。

電路主要由基準電壓芯片和數(shù)字電流源芯片組成。基準電壓芯片提供基準電壓，該電壓值與電路的輸出電流的范圍有關(guān)。數(shù)字恒流源芯片內(nèi)部集成了D/A 轉(zhuǎn)換模塊，通過控制邏輯接口（例如三線串行接口）實現(xiàn)輸出電流的外部控制，其滿量程輸出電流可以調(diào)節(jié)。其輸出電流的表達式為：

式中： Code 為控制器輸入的數(shù)字量；N 為其內(nèi)部集成的D/A 轉(zhuǎn)換模塊的位數(shù)；V_REF 為基準電壓，K 為放大倍數(shù)。

該方案的優(yōu)勢是可以實現(xiàn)集成化和全數(shù)字化。電路核心為數(shù)字電流源芯片，輔助電路為電壓基準電路，電路的集成度較高，且電路的外圍配置簡單明確，實現(xiàn)容易，為最優(yōu)數(shù)字恒流電路的技術(shù)方案。

2.2 電路板設(shè)計

光源數(shù)字電流源電路采用基于集成數(shù)字D/A 的數(shù)字電流源電路方案，核心器件為ADI 公司的ADN8810 數(shù)字電流源。ADN8810 是一個可調(diào)節(jié)的最大輸出電流高達300 mA 的12 位高精度電流源，通過兩個外部檢測電阻來設(shè)置最大輸出電流值。

ADN8810 的輸出電流由下式?jīng)Q定：

式中：I_OUT 為輸出電流；Code 為數(shù)字量；V_REF 為基準電壓； R_S 為采樣電阻。

數(shù)字電流源電路原理如圖3 所示。

ADN8810 具有三個輸入信號引腳SDI、SCLK、CS與外部進行連接，圖4 顯示了這三個信號的時序圖，其中地址A3 必須是低電平。

圖4 信號時序圖

3   系統(tǒng)軟件設(shè)計

光源光控算法通過數(shù)字解調(diào)電路中的FPGA 實現(xiàn)，主要對PIN-FET 的輸出光信號的光功率實施閉環(huán)控制，軟件算法流程如圖5 所示。

光功率閉環(huán)控制軟件基于Altera 公司（編者注：Altera于2015 年被Intel 收購）的FPGA 器件EP2C20F256I8，采用Verilog 語音設(shè)計實現(xiàn)。系統(tǒng)具體軟件設(shè)計主要是針對光功率控制算法及其A/D 程序編寫：FPGA 在SLD光源驅(qū)動系統(tǒng)上電工作后首先完成對各模塊的初始化，然后驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D 模塊采集光電探測器的輸出電壓值并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)處理后與基準設(shè)置值進行對比。根據(jù)偏差值計算是否達到目標后，進行算法處理，其結(jié)果重新賦值更新。程序主要由控制模塊（control）和驅(qū)動模塊（driver）組成?？刂颇K主要實現(xiàn)PIN-FET 輸入光功率的閉環(huán)控制算法；驅(qū)動模塊主要實現(xiàn)將目標數(shù)字量通過SPI 接口傳輸?shù)綌?shù)字恒流電路，實現(xiàn)驅(qū)動電流的數(shù)字化驅(qū)動^[6]。

4   實驗結(jié)果與分析

4.1 光功率穩(wěn)定時間與穩(wěn)定性測試

實驗?zāi)康模簻y試陀螺在全溫條件下（-45~+70 ℃）的光功率穩(wěn)定時間和穩(wěn)定性采用光功率控制和恒流控制的光纖陀螺儀在全溫范圍啟動時的光功率穩(wěn)定時間如表1 所示，采用光功率控制技術(shù)時光功率穩(wěn)定性如表2 所示。

4.2 陀螺穩(wěn)定性測試

試驗?zāi)康模簻y試陀螺在全溫范圍內(nèi)（-45~+60 ℃）的偏值穩(wěn)定性。采用光功率控制和恒流控制的光纖陀螺儀的偏值和穩(wěn)定性如表3 所示。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，采用光功率控制技術(shù)的光纖陀螺儀的光功率在全溫范圍內(nèi)的穩(wěn)定時間在0.437 s 左右，而采用恒流控制的光纖陀螺儀的光功率的穩(wěn)定時間最大需要13.6 s。由此可以看出，光功率控制可以極大地縮短光纖陀螺儀的光功率穩(wěn)定時間，從而加快陀螺儀的快速啟動；在陀螺性能指標上，整體上采用光功率控制的陀螺性能要優(yōu)于采用恒流控制的陀螺性能。

5   結(jié)語

傳統(tǒng)的恒流驅(qū)動加溫度控制方案僅考慮影響光功率的兩大因素：電流、溫度 ，而光功率控制則實現(xiàn)了對動態(tài)光功率的直接穩(wěn)定控制，包括對未知影響因素的補償，提高了控制精度；此外，在陀螺上電后快速地穩(wěn)定了光功率，減少陀螺系統(tǒng)的啟動時間。光功率控制的另一個特點就是數(shù)字化，可以通過SPI 數(shù)字接口動態(tài)調(diào)節(jié)恒流電路的輸出驅(qū)動電流，既方便電流調(diào)試，又可以在使用過程中根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整輸出電流，光功率控制技術(shù)的研究可有效提高光纖陀螺儀的工作壽命和技術(shù)水平，經(jīng)過試驗驗證后已進行實際推廣。

參考文獻：

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[3] 殷建玲,魯軍,陳玉丹,等.驅(qū)動電路一致性對光纖陀螺用SLD光源特性的影響[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2017,25(04):518-522.

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期）