譚立龍， 王鵬， 仲啟媛， 張翠

(1.火箭軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈工程學(xué)院, 陜西 西安 710025; 2.西安航光儀器廠, 陜西 西安 710025)

0 引言

陀螺儀上半導(dǎo)體激光器的輸出功率受到溫度等因素的影響，造成位置敏感探測(cè)器(PSD)定位時(shí)產(chǎn)生偏差，從而影響陀螺儀的尋北精度。文獻(xiàn)[1]提出了基于模糊PID技術(shù)的激光器恒功率控制方法，通過模糊控制對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，利用PID技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的控制，進(jìn)而使激光器輸出功率穩(wěn)恒，但是這個(gè)方式在實(shí)現(xiàn)控制之前處理時(shí)間過長(zhǎng)。文獻(xiàn)[2]通過建立負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定輸出激光器功率的目的，但系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，不利于電控系統(tǒng)的簡(jiǎn)化。文獻(xiàn)[3-7]提出通過在大功率激光器內(nèi)部建立穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的穩(wěn)定控制。但是對(duì)于小功率激光器而言，溫度場(chǎng)的控制難度比較大，控制精度不夠，并且建立溫度場(chǎng)的外圍電路復(fù)雜、成本較高。

本文以DSP2812為控制核心，設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體激光器的恒功率控制系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)上，在滿足設(shè)計(jì)要求前提下，利用DSP實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，代替了傳統(tǒng)電路中在激光器PD端口和放大器之間加硬件電路實(shí)現(xiàn)反饋，避免了電阻等元器件參數(shù)性能隨著使用時(shí)間的增加而改變、影響系統(tǒng)可靠性；軟件設(shè)計(jì)上，設(shè)定激光器正常工作時(shí)的電流值，與實(shí)際檢測(cè)到的電流值進(jìn)行對(duì)比，利用二者差值對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的恒功率控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定激光器的輸出功率，改善陀螺儀尋北性能。

1 功率變化造成的影響

1.1 激光器功率變化對(duì)PSD定位精度的影響

對(duì)不同光功率的激光器，PSD接收能量中心不同的主要原因是PSD自身存在非線性，而且沒有準(zhǔn)確的公式可以對(duì)非線性進(jìn)行補(bǔ)償。PSD線性度的主要影響因素有3點(diǎn)：表面擴(kuò)散層、底層材料電阻率的均勻性和有效的感光面積。以器件中心為軸，在2/3的范圍內(nèi)線性度最好，越靠近邊緣、線性度越差[8]。具體原理如圖1所示。圖1中，L為PSD光敏面長(zhǎng)度，x為入射光點(diǎn)與PSD中心的距離。

以一維PSD為例，由于激光器光源的能量一般都不是均勻分布的，可以假設(shè)是多光束共同作用，合成激光器光束[9]。假設(shè)光斑由N個(gè)離散的光束組成，第i個(gè)光束作用在PSD上產(chǎn)生的總光電流為kiIt(ki為第i個(gè)光束電流占總電流的比例，It為總電流)，以雙光束為例，當(dāng)A、B光束分別單獨(dú)作用時(shí)，在輸出電極1、2上產(chǎn)生的光電流為

圖1 激光照射一維PSD位置圖Fig.1 One-dimensional PSD location map of laser irradiation

(1)

(2)

式中：xA、xB分別為A、B光束入射光點(diǎn)與PSD中心的距離；kA、kB分別為A、B光束電流占總電流的比例。

在二者共同作用下，由電流疊加原理，電極1、2上收到的電流分別為

(3)

假設(shè)光束A、B共同作用時(shí)坐標(biāo)為xAB，總光電流為IAB=(kA+kB)It，則(1)式可以改寫為

(4)

由(1)式、(4)式，有I1相等，即

[kA(L-xA)+kB(L-xB)]It/(2L)=
(L-xAB)·(kA+kB)It/(2L)，

(5)

因此：

xAB=kAxA/(kA+kB)+kBxB/(kA+kB).

(6)

由(6)式可知，當(dāng)激光器的能量發(fā)生變化時(shí)，各個(gè)光束所占的比重kA、kB不同，因此總光束合成的位置xAB將發(fā)生變化，導(dǎo)致PSD識(shí)別的能量中心點(diǎn)發(fā)生偏移，造成零位偏差。

1.2 激光器功率變化對(duì)尋北精度的影響

溫度變化造成激光器功率產(chǎn)生變化，導(dǎo)致PSD定位精度產(chǎn)生偏差，表現(xiàn)在陀螺儀中主要是尋北時(shí)零位基準(zhǔn)確定不準(zhǔn)確，造成尋北儀的精度不高。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證由于半導(dǎo)體激光器功率改變?cè)斐傻膶け本鹊淖兓?/p>

為便于比較，首先確定在正常工作溫度25 ℃下，測(cè)得基準(zhǔn)方位角為0°30′37.5″. 在步入式恒溫室中，設(shè)定溫度分別為-20 ℃、0 ℃、20 ℃和40 ℃，為了避免其他因素造成的影響、保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在同一溫度下，利用陀螺儀進(jìn)行多次尋北測(cè)量，測(cè)量結(jié)果利用格羅布斯剔數(shù)法則[10]，將粗大誤差剔除，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于篇幅有限，以40 ℃為例展示，如表1所示(測(cè)試日期2019年3月10日，環(huán)境溫度15 ℃，測(cè)試地點(diǎn)在西安，控制溫度40 ℃)。

表1 改進(jìn)前40 ℃尋北結(jié)果Tab.1 North-seeking results at 40 ℃ before improvement

由表1可知：當(dāng)陀螺尋北儀工作溫度遠(yuǎn)大于自身正常工作溫度25 ℃時(shí)，尋北精度將會(huì)發(fā)生較大衰減。在40 ℃的情況下，尋北精度為11″.

2 半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)恒設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體的激勵(lì)方式大多采用電流注入，在閾值電流以上，注入的電流大小與激光器的輸出功率之間呈正比[11]?；诖?，可以通過控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光功率的穩(wěn)恒控制，消除溫度造成的影響。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

選擇ADL-65053TL半導(dǎo)體激光器，其中LD為發(fā)光器件，PD為光功率探測(cè)器件，其光生電流反映LD功率大小，PD管腳接正電位。在PD上串接電阻，檢測(cè)的反饋電流信號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，反映輸出光功率的大小；在LD上串聯(lián)限流電阻R，當(dāng)檢測(cè)的信號(hào)與設(shè)定值存在差值時(shí)，控制LD的驅(qū)動(dòng)電流ILD，即控制管子的發(fā)光功率。

設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器恒功率控制電路總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖2所示。圖2中，Ir(ki)為設(shè)定電流，Ie(ki)為電流偏差，Ic(ki)為測(cè)量電流，U(ki)為測(cè)量的電壓值，U(t)為D/A轉(zhuǎn)換后的電壓值，Ic(t)為驅(qū)動(dòng)電流。

圖2 半導(dǎo)體激光器輸出功率穩(wěn)定控制方框圖Fig.2 Block diagram of stable output power control of semiconductor laser

整個(gè)系統(tǒng)由DSP2812處理芯片控制，采集的激光器功率信號(hào)為電流信號(hào)，經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，DSP可以對(duì)形成的數(shù)字信號(hào)通過軟件編程進(jìn)行運(yùn)算處理、修正，經(jīng)過修正的數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出，進(jìn)入功率放大器，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器，從而形成光功率穩(wěn)定輸出的負(fù)反饋閉環(huán)控制回路。

2.1.1 電源系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中，外部采用5 V電源供電，DSP2812需要將其轉(zhuǎn)化為1.8 V和3.3 V，分別為CPU(中央處理器)、FLASH(閃存)、ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換電路)和I/O端口供電。為了使各模塊上電時(shí)保持正確復(fù)位狀態(tài)，需要保證先高電平、后低電平供電的上電順序。

考慮到硬件系統(tǒng)對(duì)電源要求具有穩(wěn)壓功能、紋波小、功耗低等特點(diǎn)，選用美國(guó)德州儀器公司REG1117線性穩(wěn)壓器給DSP供電，以滿足系統(tǒng)要求的嚴(yán)格上電順序。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3中：C12、C13和C18為低頻濾波電容，消除電路中的低頻雜波信號(hào)；C21和C11為高頻濾波電容，從而使得輸出為更加平滑的電壓信號(hào)。

圖3 電源系統(tǒng)電路圖Fig.3 Circuit diagram of power supply system

圖4 恒功率控制硬件電路圖Fig.4 Hardware circuit diagram of constant power control

2.1.2 自動(dòng)功率控制電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行激光器自動(dòng)功率控制電路設(shè)計(jì)時(shí)，將環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)穩(wěn)定的激光器工作狀態(tài)下的探測(cè)器光電流作為設(shè)定值。當(dāng)LD隨著溫度變化功率增大(減小)時(shí)，背向光檢測(cè)器PD上感應(yīng)到的電流也會(huì)隨之增大(減小)，將監(jiān)測(cè)的電流與設(shè)定的光電流對(duì)比，利用差值反饋決定注入LD的電流大小，最后通過DSP2812上的軟件編程實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的調(diào)整。同時(shí)考慮到電路振蕩和浪涌等因素，設(shè)計(jì)的自動(dòng)功率控制電路如圖4所示。圖4中：R1為0 Ω電阻，相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)線，用作調(diào)試；R2為限流電阻，用來保護(hù)三極管Q1；R6、R5為反饋電阻，構(gòu)成一個(gè)跟隨器；R8為精密電阻，主要作用是檢測(cè)光電流變化；R9為限流電阻；R10為一個(gè)電流轉(zhuǎn)換電阻。

電路中Laser1連接半導(dǎo)體激光器中的LD，Laser2連接半導(dǎo)體激光器的PD. 在電路設(shè)計(jì)和器件選擇中，需要考慮系統(tǒng)中存在的振蕩和電路的穩(wěn)定性等。Q1選用NPN型三極管s9013，工作溫度為-55 ℃～150 ℃；激光器選用ADL-65053-TL-2型激光器，在5 mW的功率下，工作電流最大為10 mA，如表2所示。

表2 半導(dǎo)體激光器參數(shù)Tab.2 Semiconductor laser parameters

2.1.2.1 確定限流電阻R9的阻值

在半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)恒電路中，供電電壓為5 V，激光器的最大工作電壓為2.5 V，s9013的飽和電壓為0.3 V，因此三極管發(fā)射極的電壓U為5-2.5-0.3=2.2 V. 半導(dǎo)體激光器的電流為10 mA，因此限流電阻最小的取值為

(7)

相應(yīng)地，功率為

(9)

2.1.2.2 確定反相放大器的輸出

穩(wěn)態(tài)時(shí)，三極管的集電極電流Ic的取值范圍為25 mA≤Ic≤35 mA，放大倍數(shù)β值為100，因此能夠得到基極電流Ib為0.25 mA≤Ib≤0.35 mA.

對(duì)半導(dǎo)體激光器的反相輸出端，

UoR8-UiR8=UiR5，

(9)

因此

(10)

式中：Uo、Ui分別為IC1B的輸出和同相輸入端電壓。

電容C3的主要作用是穩(wěn)定電路，當(dāng)輸入端的電壓突然升高時(shí)，由于電容的存在，不會(huì)使得反相放大器的輸出端突然增大。放大器的選擇為L(zhǎng)M158，它的響應(yīng)為0.3 V/μs. 對(duì)于本系統(tǒng)而言，沒有選擇響應(yīng)較快放大器的主要原因有兩點(diǎn)：一是低速放大器能夠滿足設(shè)計(jì)需求；更重要的一點(diǎn)是低速放大器在電路出現(xiàn)毛刺、尖峰時(shí)，不會(huì)馬上響應(yīng)，增強(qiáng)了電路系統(tǒng)的抗干擾能力。

電路采用負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定。當(dāng)Laser2檢測(cè)到通過PD的電流變小時(shí)，與R8相連的點(diǎn)電勢(shì)降低，即反相放大器的反相輸入端電壓減小，因此反相放大器的輸出端增大，這時(shí)三極管基極的電流增大，使得從集電極流過發(fā)射極的電流相應(yīng)增大，即驅(qū)動(dòng)LD的電流增大，補(bǔ)償激光器的功率降低。

電路中IDAC0端口的作用是主動(dòng)改變激光器的功率大小。一種方法是在PD端口和IDAC0端口之間利用硬件實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，但是會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在：當(dāng)PD處檢測(cè)到的電流減小時(shí)，即激光器功率下降，反相輸入端的電壓降低，輸出端的電壓隨之升高，從而使驅(qū)動(dòng)LD的電壓升高，又因?yàn)镮DAC0端口與PD是負(fù)反饋相連，感應(yīng)到PD上的功率變小，IDAC0端口電壓將會(huì)增大，這時(shí)流過LD的電流相應(yīng)增加，使激光器功率上升，這種過程會(huì)一直持續(xù)到激光器的功率達(dá)到飽和才結(jié)束。因此本文直接利用DSP處理芯片中數(shù)模轉(zhuǎn)換之后的引腳控制端口。

2.1.2.3 DSP處理模塊的設(shè)計(jì)

DSP電路作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，主要作用是采集激光器的輸出功率數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再利用D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，利用得到的控制電流進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)。

由DSP電路可以看出：它的接口非常簡(jiǎn)單，通過片內(nèi)的A/D通道實(shí)現(xiàn)模擬量的采集，減少了外圍電路設(shè)計(jì)，不僅使印刷電路板(PCB)的面積減小，而且還提高了系統(tǒng)的可靠性；而利用DSP內(nèi)部的DAC模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的調(diào)節(jié)。進(jìn)行DSP時(shí)鐘設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到低功耗的要求，DSP2812內(nèi)部采用32 kHz的時(shí)鐘信號(hào)，該系統(tǒng)的時(shí)鐘部分采用晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)。

利用Altium Designer[12]軟件設(shè)計(jì)完成電路原理圖后，將原理圖進(jìn)行布線生成PCB圖，得到的PCB如圖5所示。

圖5 恒功率設(shè)計(jì)PCB圖Fig.5 PCB drawing

在PCB圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，制作完成半導(dǎo)體激光器恒功率控制的硬件電路板，如圖6所示。

圖6 恒功率控制硬件電路Fig.6 Constant power control hardware circuit

2.2 恒功率控制原理

恒功率控制的原理是通過監(jiān)測(cè)流過PD的電流，當(dāng)與設(shè)定值相比產(chǎn)生變化時(shí)，通過負(fù)反饋調(diào)整注入激光器的電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出光功率的補(bǔ)償[13-14]。繪制激光器恒功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖7. 圖7中：V(s)為系統(tǒng)期望的參考電壓值；Y(s)為系統(tǒng)實(shí)際的輸出量；K(p)為比例控制器；G(s)為被控對(duì)象LD；H(s)為反饋器件，即封裝在半導(dǎo)體激光器組件中的光電二極管PD；D(s)為干擾信號(hào)，這里主要是指溫度。從激光器芯片的背向激光中檢測(cè)到一部分能線性反映輸出光功率變化的光信號(hào)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)。該信號(hào)與基準(zhǔn)參考電壓V(s)比較，當(dāng)參考電流值小于測(cè)定值時(shí)，二者差值為“-”，比例控制器K(p)控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流減小；當(dāng)參考電流值大于測(cè)定值時(shí)，二者差值為“+”，K(p)控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流增大，從而維持輸出光功率的穩(wěn)定。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖8所示。

圖7 自動(dòng)功率控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Block diagram of automatic power control system

圖8 系統(tǒng)的軟件流程圖Fig.8 Software flow chart of the system

3 半導(dǎo)體激光器恒功率控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路板能否達(dá)到穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器輸出功率的目的，利用光功率計(jì)進(jìn)行改進(jìn)前后激光器輸出功率隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)中激光器額定輸出功率5 mW，工作溫度-20 ℃～50 ℃.

3.1 未加激光器恒功率控制電路

激光器與光功率計(jì)相連，一起置于密閉箱中，改變箱體中的溫度值，觀察光功率計(jì)的示數(shù)。不同溫度下的激光器輸出功率變化情況如圖9所示。

圖9 改進(jìn)前激光器輸出功率Fig.9 Laser output powers before improvement

由圖9可知，激光器輸出功率未加恒定控制時(shí)，隨著溫度的改變，激光器輸出功率會(huì)產(chǎn)生較大變化，溫度越高，激光器的功率反而越低。在-20 ℃～40 ℃之間，激光器的輸出功率最大相差約2.9 mW.

3.2 其他條件不變，將恒功率控制電路板與激光器相連

通過外部人為進(jìn)行溫度控制，得到溫度梯度-20 ℃、0 ℃、20 ℃和40 ℃. 在不同的溫度場(chǎng)下對(duì)半導(dǎo)體激光器的輸出光功率進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

圖10 半導(dǎo)體激光器恒功率控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Control experiment on constant power control of semiconductor lasers

為了更加清晰地反映改進(jìn)之后激光器的輸出光功率與溫度之間的關(guān)系，將得到的數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系下繪制成折線圖，如圖11所示。

圖11 改進(jìn)后不同溫度下激光器輸出功率Fig.11 Output power curves at different temperature after improvement

從圖11中可以看到，雖然溫度發(fā)生了較大變化，但是激光器的輸出功率并沒有發(fā)生較大的跳變，而是始終保持在4.655 mW附近上下波動(dòng)，波動(dòng)區(qū)間范圍為[4.652 mW，4.657 mW]，對(duì)于輸出功率而言這種變化基本上可以視為是一個(gè)恒定值。溫度變化范圍從0 ℃到40 ℃，輸出功率的變化量從未加控制前的2.884 mW減小到0.005 mW.

將設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器恒功率控制電路加載在樣機(jī)陀螺儀中，如圖12所示。在恒溫室中按照正確的尋北步驟架設(shè)陀螺儀并且進(jìn)行尋北實(shí)驗(yàn)。

圖12 陀螺儀尋北精度測(cè)量Fig.12 Precision measurement of gyroscope north-seeking

在恒溫室中架設(shè)陀螺儀，為了驗(yàn)證恒功率控制電路的有效性，恒溫室的溫度梯度設(shè)置同樣為-20 ℃、0 ℃、20 ℃和40 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示(測(cè)試日期2019年3月10日，環(huán)境溫度15 ℃，測(cè)試地點(diǎn)在西安，控制溫度40 ℃)。

表3 改進(jìn)后40 ℃尋北結(jié)果Tab.3 North-seeking results at 40 ℃ after improvement

由表3可知：當(dāng)對(duì)陀螺尋北儀中的半導(dǎo)體激光器增加恒功率控制電路后，尋北儀的尋北精度將顯著提高。在40 ℃溫度下，尋北精度為3″，與改進(jìn)前相比，提高了大約70%.

4 結(jié)論

本文通過分析陀螺儀上激光器功率變化造成的影響，設(shè)計(jì)了基于DSP2812的半導(dǎo)體激光器恒功率控制電路。通過硬件搭建和軟件負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出功率的精準(zhǔn)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的功率穩(wěn)恒電路中激光器輸出功率最大偏差為0.005 mW，尋北精度最大偏差減小為3″，即陀螺儀的尋北精度與未加控制相比大幅提高；同時(shí)也表明，設(shè)計(jì)的激光器恒功率控制系統(tǒng)在改善陀螺儀性能方面具有良好的實(shí)用價(jià)值。