基于SLD光源变流驱动的光纤陀螺快速启动研究

吴军伟,缪玲娟,吴衍记,张向明,于晓之

(1.北京理工大学自动化学院, 北京 100081; 2.北京自动化控制设备研究所, 北京 100074)

0 引言

光纤陀螺是惯性导航与控制领域的主流仪表，具有体积小、质量小、启动快、动态范围大、耐冲击振动等优点[1-2]。光纤陀螺的快速启动技术是应急武备系统、随动控制系统等特殊应用场合的首要要求。但是目前受多方面因素的影响，光纤陀螺在极限高低温条件下的快速启动问题并没有得到很好的解决，特别是对采用超辐射发光二极管(Superlumineseent Diode，SLD)光源的中精度光纤陀螺来说，SLD光源的启动过程对光纤陀螺的快速启动起决定作用[3-4]。国外的研究重点主要集中在控制方法上，例如文献[5]介绍了一种基于Fuzzy-PID的光源快速稳定技术；文献[6]提到了通过在光纤中参杂介质来提高光源光功率并加以稳定。

SLD光源在低温上电启动时，光源出纤功率过大将引起探测器饱和，从而导致光纤陀螺无法正常工作，称为光电探测器的致盲效应。国内外在光纤陀螺的快速启动方面比较有效的研究成果是采用光控方案[7-8]，其基本原理是：从耦合器的盲端用一个PIN光电探测器对SLD光源的出纤功率进行监测，并将探测器输出信号用于调整光源的驱动电流，进而起到调整光源出纤功率的目的。采取光控方案，光纤陀螺需增加一个探测器和光控反馈回路，这将增加成本、体积和质量，不利于光纤陀螺的小型化设计。本文提出了基于SLD光源变流驱动的光纤陀螺快速启动方案，在不增加硬件成本和体积的情况下，可有效解决上述问题。

1 光纤陀螺的原理及启动特性

1.1 光纤陀螺基本原理

光纤陀螺是基于Sagnac效应的角速率传感器，其结构示意图如图1所示，主要包括： SLD光源、单模耦合器、Y波导、光纤传感环圈、光电探测器、光源驱动温控电路及陀螺主回路电路等[9]。

图1 光纤陀螺结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram of FOG

光纤陀螺工作时，在驱动温控电路的控制下，SLD光源发出的光经光纤耦合器分光后变为两束，一束被光纤耦合器的盲端吸收掉，另一束进入集成光学相位调制器，经过起偏、分束、相位偏置调制后变成两束相干光；两束相干光分别沿光纤传感环圈的两臂进入光纤传感环圈中，沿顺、逆2个相反的方向传播；当光纤陀螺旋转时，光纤传感环圈中沿顺时针方向传播和沿逆时针方向传播的两束光传播一周后所经历的光程会产生差异，导致两束光重新回到Y波导处产生干涉时会形成一个正比于旋转角速率的相位差信号(即Sagnac相移)；携带Sagnac相移的光信号经过光纤耦合器进入光电探测器转换成电信号，送入主回路电路进行信号解算，即可得到光纤陀螺敏感的角速率信息。

1.2 光纤陀螺启动影响因素分析

影响快速启动的因素比较多，光源及其控制电路的性能、数字闭环的方式和效率、软件的控制算法等,具体如图2所示。

图2 光纤陀螺启动时间影响因素分析Fig.2 Analysis by influential factors of FOG

硬件因素包括电路的上电时间以及光学器件的参数稳定时间。其中电路的上电时间主要取决于电路芯片的上电时间以及电子线路的延迟，该时间通常在毫秒级，对光纤陀螺启动时间的影响可以忽略。光学器件的性能稳定时间主要包括SLD光源的启动时间、光电探测器的响应时间、Y波导的电光转换时间等等。光电探测器的检测带宽为几兆赫兹，Y波导的工作带宽为几百兆赫兹，因此二者对光纤陀螺启动时间的影响可以忽略[10]。SLD光源的启动时间是指上电到输出稳定光功率的时间，输出光功率与驱动电流及管芯发光芯片的温度相关。在驱动电流不变的情况下，SLD光源管芯温度越高，光源输出光功率越小[11-12]。为了稳定SLD光源的输出光功率，SLD光源采取了温控方案。但在高低温条件下启动，SLD光源受制冷器效率所限，光源不能瞬间工作在设定温度。在低温启动时，SLD光源输出光功率过大，导致光纤陀螺中的探测器输出电压饱和，产生致盲效应；而高温启动时，SLD光源输出光功率由小变大，逐步稳定，呈现一爬升过程。

图3给出了光纤陀螺常温、低温和高温启动时，SLD光源输出光功率的曲线及未加调制状态下光电探测器输出直流电压的曲线。图3中，t0为上电时间，UM为探测器输出电压上限，P0为稳定后的光源出纤功率，U0为稳定后的探测器输出电压。

(a) 常温光源出纤功率曲线 (b) 常温探测器输出曲线

(c) 低温光源出纤功率曲线 (d) 低温探测器输出曲线

(e) 高温光源出纤功率曲线 (f) 高温探测器输出曲线图3 SLD光源及光电探测器输出曲线Fig.3 Output curves of SLD and PD

从上述分析可知，SLD光源的工作原理决定了其在高低温下启动必然存在温控电流稳定滞后于驱动电流稳定的问题，导致SLD光源光功率低温启动时的过冲过程与高温启动时的爬升稳定过程。在恒流源供电情况下，SLD光源在高低温条件下的启动时间通常在5s以上，这是影响光纤陀螺快速启动的主要因素。

1.3 SLD光源启动特性

SLD光源包括激光芯片、半导体制冷器、热敏电阻、热沉、光纤透镜等，如图4所示。SLD光源上电启动时，驱动温控电路将SLD光源内部的温度由环境温度调控到设定温度(一般为25℃左右)。温度的调控主要通过热传导实现，所以调控时间取决于制冷器的制冷效率以及环境温度与设定温度的差值，通常需要几秒。SLD光源驱动电流由恒流源提供，上电即可输出，并且温度变化对其输出光功率的影响很小。

光源的输出光功率主要与3个因素有关：激光芯片的耦合、驱动电流和激光芯片的温度[13]。光源输出光功率与光源的驱动电流正相关，而与激光芯片的温度负相关，如图5所示[14]。激光芯片的耦合对光源输出光功率的影响非常小。

(a) P-I曲线

(b) P-T曲线

2 超辐射发光二极管的变流调节模型

SLD光源输出光功率与驱动电流存在如下规律

P=P0+K(I-Ith)

(1)

其中，P为光源输出光功率，P0为光源P-I曲线线性段起始光功率，I为驱动电流，K为曲线斜率，Ith为阈值电流。

P-I曲线斜率K表达式为

(2)

阈值电流表达式为

(3)

其中，Ts为SLD光源工作设定温度，一般为常温25℃，K0、α、β为常参数，I0为Ts温度下P-I曲线线性段起始电流值。

SLD光源输出光功率可以表达为

(4)

对式(4)求解得到I(P，T)的表达式为

(5)

通常情况下，SLD光源在高低温启动时采用恒流驱动，辅助以制冷器控温。

由于制冷器控温具有滞后性，SLD光源无法瞬间稳定常温工作点，出现输出光功率不稳定现象，如图6和图7所示。

图6 SLD光源低温启动光功率输出曲线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)表达式给出了另一种控制SLD高低温启动时，稳定输出光功率的思路，即放弃恒流驱动，改用变流调节模式。I(P,T)表达式中，将功率P设定为Ts时刻的温度对应的SLD光源输出光功率值，通过温控系统中热敏电阻反馈的温度值T，按照I(P，T)表达式调节SLD光源的驱动电流，使光源近似工作于稳定状态。

图7 SLD光源高温启动光功率输出曲线Fig.7 Startup output curve of SLD light source at high temperature

3 试验验证

3.1 SLD光源验证

在式(5)SLD光源的变流调节模型中，未知参数有K0、α、I0、β，需要通过测试数据进行求解。

3.1.1 解出参数I0、K0

令T=Ts=25℃，则式(4)可以简化为：P=P0+K0(I-I0)，通过SLD光源的常温P-I曲线即可解出I0=62mA、K0=5.879(μW/mA)，如图8所示。

图8 SLD光源+25℃时的P-I曲线Fig.8 P-I curve of SLD light source at +25℃

3.1.2 解出参数α、β

为了便于计算和求解，分别取T=0℃、20℃、40℃、60℃，测定P-I曲线，解出α、β，如表1所示。不同温度下SLD光源P-I曲线如图9所示。

表1 α、β值的计算取值

图9 不同温度下SLD光源P-I曲线Fig.9 P-I curves of SLD light source at different temperature

3.1.3 高低温启动试验验证

将解出的参数代入变流调节模型中，输出功率P设定为常温100mA电流驱动时的输出功率，得出

(6)

选用一只SLD光源，使用高低温试验箱，分别进行高温+85℃启动和低温-55℃启动试验，试验结果分别如图10和图11所示。

图10 SLD光源+85℃变流驱动与恒流驱动对比Fig.10 Comparison of current-change and current- constant modes of SLD light source at +85℃

图11 SLD光源-55℃变流驱动与恒流驱动对比Fig.11 Comparison of current-change and current- constant modes of SLD light source at -55℃

由图10和图11可以看出，光源在高低温启动时，采用变流驱动模式的启动时间比采用恒流驱动模式的启动时间快1倍。另外，在低温启动时，变流驱动模式有效降低了光源在上电瞬时的高输出光功率，有利于光电探测器的正常工作。

3.2 光纤陀螺快速启动验证

选用一只FOG4型光纤陀螺，使用高低温试验箱进行高低温验证试验，采样周期为2.5ms。图12所示为低温-55℃启动时光纤陀螺的输出曲线，图13所示为高温+85℃启动时光纤陀螺的输出曲线。

图12 低温-55℃时光纤陀螺的输出曲线Fig.12 Output curve of FOG at -55℃

图13 高温+85℃启动时光纤陀螺的输出曲线Fig.13 Output curve of FOG at +85℃

可以看出，采用SLD光源变流驱动方法后，光纤陀螺在低温-55℃时的启动时间缩短至0.5s，在高温+85℃时的启动时间缩短至1s，实现了光纤陀螺的快速启动。

4 结论

本文提出了一种变流调节模式来驱动光纤陀螺SLD光源，建立了变流调节模型，通过试验验证，得出以下结论：

1)采用光源变流驱动模式可缩短为恒流模式一半的启动时间；

2)在低温启动时避免了光源瞬时高输出光功率对光纤陀螺探测器的致盲效应，研究结果对光纤陀螺在高低温环境下启动提供了参考依据；

3)光纤陀螺在极限高低温下的启动时间缩短为1s，实现了光纤陀螺的快速启动。

今后将在SLD光源管芯结温与热敏电阻温度一致性及变流调节模式下光谱特性对光纤陀螺的性能影响两方面开展进一步研究。