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(shè)備研究所, 北京 100074)

0 引言

光纖陀螺是慣性導航與控制領(lǐng)域的主流儀表，具有體積小、質(zhì)量小、啟動快、動態(tài)范圍大、耐沖擊振動等優(yōu)點[1-2]。光纖陀螺的快速啟動技術(shù)是應(yīng)急武備系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)等特殊應(yīng)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(fā)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(wěn)定技術(shù)；文獻[6]提到了通過在光纖中參雜介質(zhì)來提高光源光功率并加以穩(wěn)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(yīng)。國內(nèi)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(jiān)測，并將探測器輸出信號用于調(diào)整光源的驅(qū)動電流，進而起到調(diào)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(zhì)量，不利于光纖陀螺的小型化設(shè)計。本文提出了基于SLD光源變流驅(qū)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(yīng)的角速率傳感器，其結(jié)構(gòu)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(huán)圈、光電探測器、光源驅(qū)動溫控電路及陀螺主回路電路等[9]。

圖1 光纖陀螺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of FOG

光纖陀螺工作時，在驅(qū)動溫控電路的控制下，SLD光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器分光后變?yōu)閮墒?，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(diào)制器，經(jīng)過起偏、分束、相位偏置調(diào)制后變成兩束相干光；兩束相干光分別沿光纖傳感環(huán)圈的兩臂進入光纖傳感環(huán)圈中，沿順、逆2個相反的方向傳播；當光纖陀螺旋轉(zhuǎn)時，光纖傳感環(huán)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(jīng)歷的光程會產(chǎn)生差異，導致兩束光重新回到Y(jié)波導處產(chǎn)生干涉時會形成一個正比于旋轉(zhuǎn)角速率的相位差信號(即Sagnac相移)；攜帶Sagnac相移的光信號經(jīng)過光纖耦合器進入光電探測器轉(zhuǎn)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(shù)字閉環(huán)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(shù)穩(wěn)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(wěn)定時間主要包括SLD光源的啟動時間、光電探測器的響應(yīng)時間、Y波導的電光轉(zhuǎn)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(wěn)定光功率的時間，輸出光功率與驅(qū)動電流及管芯發(fā)光芯片的溫度相關(guān)。在驅(qū)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(wěn)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(shè)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(chǎn)生致盲效應(yīng)；而高溫啟動時，SLD光源輸出光功率由小變大，逐步穩(wěn)定，呈現(xiàn)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(diào)制狀態(tài)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(wěn)定后的光源出纖功率，U0為穩(wěn)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

(c) 低溫光源出纖功率曲線 (d) 低溫探測器輸出曲線

(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(wěn)定滯后于驅(qū)動電流穩(wěn)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(wěn)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(qū)動溫控電路將SLD光源內(nèi)部的溫度由環(huán)境溫度調(diào)控到設(shè)定溫度(一般為25℃左右)。溫度的調(diào)控主要通過熱傳導實現(xiàn)，所以調(diào)控時間取決于制冷器的制冷效率以及環(huán)境溫度與設(shè)定溫度的差值，通常需要幾秒。SLD光源驅(qū)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(guān)：激光芯片的耦合、驅(qū)動電流和激光芯片的溫度[13]。光源輸出光功率與光源的驅(qū)動電流正相關(guān)，而與激光芯片的溫度負相關(guān)，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(fā)光二極管的變流調(diào)節(jié)模型

SLD光源輸出光功率與驅(qū)動電流存在如下規(guī)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(qū)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(shè)定溫度，一般為常溫25℃，K0、α、β為常參數(shù)，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(qū)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(wěn)定常溫工作點，出現(xiàn)輸出光功率不穩(wěn)定現(xiàn)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(wěn)定輸出光功率的思路，即放棄恒流驅(qū)動，改用變流調(diào)節(jié)模式。I(P,T)表達式中，將功率P設(shè)定為Ts時刻的溫度對應(yīng)的SLD光源輸出光功率值，通過溫控系統(tǒng)中熱敏電阻反饋的溫度值T，按照I(P，T)表達式調(diào)節(jié)SLD光源的驅(qū)動電流，使光源近似工作于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 SLD光源高溫啟動光功率輸出曲線Fig.7 Startup output curve of SLD light source at high temperature

3 試驗驗證

3.1 SLD光源驗證

在式(5)SLD光源的變流調(diào)節(jié)模型中，未知參數(shù)有K0、α、I0、β，需要通過測試數(shù)據(jù)進行求解。

3.1.1 解出參數(shù)I0、K0

令T=Ts=25℃，則式(4)可以簡化為：P=P0+K0(I-I0)，通過SLD光源的常溫P-I曲線即可解出I0=62mA、K0=5.879(μW/mA)，如圖8所示。

圖8 SLD光源+25℃時的P-I曲線Fig.8 P-I curve of SLD light source at +25℃

3.1.2 解出參數(shù)α、β

為了便于計算和求解，分別取T=0℃、20℃、40℃、60℃，測定P-I曲線，解出α、β，如表1所示。不同溫度下SLD光源P-I曲線如圖9所示。

表1 α、β值的計算取值

圖9 不同溫度下SLD光源P-I曲線Fig.9 P-I curves of SLD light source at different temperature

3.1.3 高低溫啟動試驗驗證

將解出的參數(shù)代入變流調(diào)節(jié)模型中，輸出功率P設(shè)定為常溫100mA電流驅(qū)動時的輸出功率，得出

(6)

選用一只SLD光源，使用高低溫試驗箱，分別進行高溫+85℃啟動和低溫-55℃啟動試驗，試驗結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

圖10 SLD光源+85℃變流驅(qū)動與恒流驅(qū)動對比Fig.10 Comparison of current-change and current- constant modes of SLD light source at +85℃

圖11 SLD光源-55℃變流驅(qū)動與恒流驅(qū)動對比Fig.11 Comparison of current-change and current- constant modes of SLD light source at -55℃

由圖10和圖11可以看出，光源在高低溫啟動時，采用變流驅(qū)動模式的啟動時間比采用恒流驅(qū)動模式的啟動時間快1倍。另外，在低溫啟動時，變流驅(qū)動模式有效降低了光源在上電瞬時的高輸出光功率，有利于光電探測器的正常工作。

3.2 光纖陀螺快速啟動驗證

選用一只FOG4型光纖陀螺，使用高低溫試驗箱進行高低溫驗證試驗，采樣周期為2.5ms。圖12所示為低溫-55℃啟動時光纖陀螺的輸出曲線，圖13所示為高溫+85℃啟動時光纖陀螺的輸出曲線。

圖12 低溫-55℃時光纖陀螺的輸出曲線Fig.12 Output curve of FOG at -55℃

圖13 高溫+85℃啟動時光纖陀螺的輸出曲線Fig.13 Output curve of FOG at +85℃

可以看出，采用SLD光源變流驅(qū)動方法后，光纖陀螺在低溫-55℃時的啟動時間縮短至0.5s，在高溫+85℃時的啟動時間縮短至1s，實現(xiàn)了光纖陀螺的快速啟動。

4 結(jié)論

本文提出了一種變流調(diào)節(jié)模式來驅(qū)動光纖陀螺SLD光源，建立了變流調(diào)節(jié)模型，通過試驗驗證，得出以下結(jié)論：

1)采用光源變流驅(qū)動模式可縮短為恒流模式一半的啟動時間；

2)在低溫啟動時避免了光源瞬時高輸出光功率對光纖陀螺探測器的致盲效應(yīng)，研究結(jié)果對光纖陀螺在高低溫環(huán)境下啟動提供了參考依據(jù)；

3)光纖陀螺在極限高低溫下的啟動時間縮短為1s，實現(xiàn)了光纖陀螺的快速啟動。

今后將在SLD光源管芯結(jié)溫與熱敏電阻溫度一致性及變流調(diào)節(jié)模式下光譜特性對光纖陀螺的性能影響兩方面開展進一步研究。