谐振式光纤陀螺光源驱动的研究

论文摘要

谐振式光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的高精度惯性传感器。光源是其中的关键器件之一,具有无可替代的作用,同时半导体激光器又是一种敏感元件,注入电流和控制温度的微小变化都会引起激光器输出的波动。此外,国外发达国家的激光器驱动普遍体积大、价格高,不利于目前谐振式光纤陀螺的产品化发展。因此设计研制一种性能好、体积小、价格低的半导体激光器驱动系统具有重要意义。本论文对激光器驱动系统的设计主要是针对电流驱动和温度控制两个方面。首先从激光器的原理和工作特性上分析了半导体激光器具体工作过程及影响激光器输出稳定性的两个主要因素:电流和温度。其次分析基本的激光器驱动原理及恒温原理,在电流控制方面,对比恒流驱动、恒功率驱动、脉冲驱动三种驱动方式后选择了适合本项目的恒流驱动控制。在温度控制方面对比了主流研究机构常用的几种温度控制方案,选择了基于MAX1978芯片的温度控制设计方案。本文针对半导体激光器的特性设计了电流控制和温度控制电路,并使用FPGA对系统进行了数字闭环控制,提高了系统的稳定性。在电流驱动过程中,通过FPGA控制D/A模块输出控制电压信号,偏置信号、调谐信号、扫描信号三种信号通过加法电路可以单独作用于激光器也可叠加作用于激光器。在恒流输出控制部分,采用深度负反馈和PID双重控制,提高输出电流稳定性,使得恒流输出是电流稳定度得到69ppm。在恒温控制方面,使用成熟的温控芯片MAX1978,可以使温度最大波动在0.003℃内,稳定度达到0.0125%。基于激光器驱动控制系统,测量功率最大偏差0.0024mW,稳定性为0.073%,相比于购买的RIO激光器模块提升了约13倍,在输入电压为1V到3V之间,输出功率和输入电压之间有很好的线性关系。通过DA输出精度近似代表调谐精度,可到7×105-,输出上升沿时间近似代表调谐,调谐时间1.15μs。输出的激光器波长稳定在1550nm附近,波动误差在0.001nm以内,稳定度为0.645ppm,相比于购买的模块提升了4倍,在1V到3.5V的输入电压之间,输出波长和输入电压线性度好。将本系统与实验室现有陀螺系统对接,通过谐振曲线判断系统性能,半高全宽约为351kHz,自由谱宽15.5MHz,精细度45,谐振深度0.96。可知本文设计驱动很好地满足了谐振式光纤陀螺的设计需求。通过最后的系统验证,本文设计的应用于谐振式光纤陀螺光源驱动能有效的驱动RIO激光器,最终输出的电流和温度的稳定性好,在满足谐振式光纤陀螺性能要求的同时还能满足小型化、集成化的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 论文研究的背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 论文研究的主要内容
•   1.4 本章小结
• 第2章 激光器的原理及光源整体方案
•   2.1 半导体激光器的原理与特性
•     2.1.1 半导体激光器原理
•     2.1.2 半导体激光器P-I、V-I特性分析
•     2.1.3 半导体激光器的温度特性
•   2.2 激光器驱动方案
•     2.2.1 恒电流控制
•     2.2.2 恒功率控制
•     2.2.3 脉冲驱动方式
•   2.3 本论文总体方案
•   2.4 本章小结
• 第3章 激光器驱动硬件设计
•   3.1 激光器驱动方案
•     3.1.1 恒流驱动控制
•     3.1.2 电流调谐控制电路
•     3.1.3 电路优化
•   3.2 激光器驱动温度控制
•     3.2.1 激光器驱动温度控制方案
•     3.2.2 恒温控制电路设计
•   3.3 激光器驱动保护电路
•     3.3.1 慢启动慢关闭电路
•     3.3.2 限流保护电路
•     3.3.3 静电保护电路
•   3.4 本章小结
• 第4章 激光器驱动软件设计
•   4.1 软件控制整体方案
•   4.2 电流驱动部分软件设计
•     4.2.1 调谐信号发生
•     4.2.2 扫描信号发生
•   4.3 激光器谐振频率锁定
•     4.3.1 PID控制原理
•     4.3.2 激光器锁定实现
•   4.4 数据处理和抗干扰设计
•   4.5 本章小结
• 第5章 实验结果与分析
•   5.1 驱动电流线性度测试
•   5.2 驱动电流稳定度测试
•     5.2.1 恒流源稳定性分析
•   5.3 激光器输出测试
•     5.3.1 激光器输出功率测试
•     5.3.2 激光器输出光谱测试
•   5.4 激光器在陀螺中的应用
•   5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张功申

导师: 刘承香

关键词: 谐振式光纤陀螺,半导体激光器,激光器驱动,温度控制,电流控制

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 深圳大学

分类号: TP212;TN248

DOI: 10.27321/d.cnki.gszdu.2019.000224

总页数: 63

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