一种SLD光源光功率温补模型的智能建模装置和方法与流程

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种sld光源光功率温补模型的智能建模装置和方法。

背景技术

光纤陀螺作为现代惯性导航系统中关键的角速度敏感单元，具有体积小、质量轻、全固态、适应性强等优点，在航空、航天、航海等领域中发挥了重要的作用。

sld(超辐射发光二极管)光源是光纤陀螺的核心光电器件，宽谱光源的稳定性直接影响光纤陀螺的性能。光源的平均波长稳定性与光纤陀螺的标度因数稳定性成正比，为了达到高精度光纤陀螺的标度因数稳定性指标，需要实现sld光源平均波长的高稳定性控制。

sld光源是一种半导体光源，通过高密度载流子注入产生半导体材料有源区的受激发射，从而以超辐射发光的形式输出宽谱光，光源组件中的热敏电阻、tec制冷器与温控电路构成反馈回路，热敏电阻阻值为反馈量，tec制冷功率为控制量，以此实现对热敏电阻阻值的反馈控制。

光功率反馈控制法，是实现sld光源平均波长稳定的一种有效方案。在驱动电流不变的情况下，sld光源输出功率的变化量与输出波长的变化量之间的对应关系具有良好的重复性，可以设计专用的sld光强反馈温补电路，通过调整热敏电阻温度实现对光功率的控制，进而实现对光源输出平均波长的稳定。在这种方案中，需要建立不同环境温度下光功率p和平均波长的对应关系，即建立一个光功率p随环境温度的变化模型δp(te)，使得平均波长随环境温度的变化量趋近于0。目前主要通过人工标定的方式实现sld光源光功率模型的建模。

对于该方案中使用的光功率温补模型，其建模过程复杂，采用人工标定建模的方式效率极低并且难以实现高精度。有必要设计实现该模型的智能建模系统，优化建模效率，实现较高的建模精度。

技术实现要素：

针对以上不足，本发明提供一种sld光源光功率温补模型的智能建模装置和方法，实现多设备协同工作下的高效率、自主化建模，解决sld光源平均波长温控方案中的复杂建模问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种sld光源光功率温补模型的智能建模装置，包括：计算机、温箱、光谱仪、光强反馈温补电路、和被测的sld光源；其中，计算机与温箱相连，用于控制温箱温度；计算机与光谱仪相连，用于控制光谱仪测试sld光源输出光谱并读出平均波长；计算机与光强反馈温补电路相连，计算机向光强反馈温补电路发送sld光源的温控指令，并接收光强反馈温补电路采集得到的光强和环境温度信息；被测sld光源和光强反馈温补电路放置于温箱内，光强反馈温补电路通过电气连接控制sld光源管芯温度；sld光源输出光通过光纤连接耦合器，经耦合器一分为二后得到两条出纤，一条出纤连接光强反馈温补电路中的光功率计，由光强反馈温补电路测试光强并发送给计算机，另一条出纤连接光谱仪，以测试平均波长。

进一步的，所述光强反馈温补电路包括mcu、温控电路、光功率计、温度计；其中，温控电路采用sld光源中常用的电阻桥式温控电路即可，温度计将采集的环境温度te输入至mcu中，mcu控制sld光源输出平均波长稳定的光功率值p0,同时光功率计将测得的sld光源的实际光功率值p输入至mcu中，mcu利用数字pi控制并结合差值p-p0给出相应的数字反馈补偿量d，温控电路根据该数字反馈补偿量d对sld光源管芯处进行温控，直至光功率检测值p稳定在温补模型计算光功率值p0处。

本发明的另一目的是提供一种sld光源光功率温补模型的智能建模方法，包括以下步骤：

步骤一：启动sld光源，计算机发送温控数字量d0，控制工作在t0(℃)工作点；温箱控制环境温度降温到t1(℃)，光谱仪解算出平均波长后发送给计算机，计算机读取并记录此时的光强信号p0；

步骤二：控制温箱使环境温度升高δte(℃)；

步骤三：计算机控制光谱仪测出平均波长解算出平均波长变化量记模型粗调精度为ε1(ppm)，如果则通过比例积分算法解算出温控数字量的调整量δdi：

式中，δrt为热敏电阻阻值的调整量，γrt为单位数字量对应的热敏电阻阻值，tr为管芯温度，为平均波长，为管芯温度对应平均波长的变化率，κr-t为热敏电阻的r-t系数；

记模型精调精度为ε2(ppm)，如果则通过模糊控制算法解算出调整量δdi如果则直接跳到步骤五；

步骤四：得到调整量δdi之后，计算机发送温控数字量di＝d0+δdi，实现sld光源管芯温度调整，重复步骤三，直到测得的平均波长变化量满足

步骤五：计算机读取并记录此时的光强信号pi；

步骤六：环境温度继续上升δte(℃)，按照步骤二到步骤五得到在新的环境温度下的光强信号pi+1，依此类推，控制温箱温度不断升高至t2(℃)，测得各环境温度下对应的光强信号；得到t1(℃)到t2(℃)的环境温度下，以δte(℃)为步长的光强p的离散模型{pi}；

步骤七：将离散模型{pi}进行线性插值，将模型精细化，得到以为步长的光强p的离散模型：

k＝0,1,2,…并且te≤t2(2)

至此，得到了sld的光功率控制模型p0(te)，该模型可用于实现sld光源平均波长的稳定控制。

本发明的有益效果如下：计算机控制各设备协同工作，并且嵌入模糊控制算法，实现了建模过程的自动化和智能化，有效提高了建模效率。该智能建模装置和方法对随机噪声和误差具有较高的耐受度，能够实现1ppm以内的高精度建模。建模效率高，建模结果一致性、准确性好。实现了多设备协同工作下的高效率、自主化建模，解决了sld光源平均波长温控方案中的复杂建模问题。

附图说明

图1是sld光源光功率温补模型的智能建模装置示意图；

图2是光强反馈温补电路示意图；

图3是sld光源光功率温补模型的智能建模方法流程的示意图；

图4是建模方法中的模糊控制算法流程示意图；

图5是通过该智能建模装置和方法得到的光功率温补模型的建模结果示例图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明所采用的技术方案如图1所示：一种sld光源光功率温补模型的智能建模装置，包括：计算机1、温箱2、光谱仪3、光强反馈温补电路4、和被测的sld光源5；其中，计算机1与温箱2相连，用于控制温箱温度；计算机1与光谱仪3相连，用于控制光谱仪测试sld输出光谱并读出平均波长；计算机1与光强反馈温补电路4相连，计算机1向光强反馈温补电路4发送sld光源5的温控指令，并接收光强反馈温补电路4采集得到的光强和环境温度信息；被测sld光源5和光强反馈温补电路4放置于温箱2内，光强反馈温补电路4通过电气连接控制sld光源5的管芯温度；sld光源5输出光通过光纤连接耦合器，经耦合器一分为二后得到两条出纤，一条出纤连接光强反馈温补电路4中的光功率计，由光强反馈温补电路4测试光强并发送给计算机1，另一条出纤连接光谱仪3，以测试平均波长。

通过图2所示的sld光强反馈温补电路，所述光强反馈温补电路包括mcu、温控电路、光功率计、温度计；其中，温度计采集环境温度te，输入至mcu中，并且根据已建立的温补模型计算出该温度下保证sld光源输出平均波长稳定的光功率值p0,同时光功率计测得的实际光功率值p输入至mcu中，mcu利用数字pi控制并结合差值p-p0给出相应的数字反馈补偿量d，温控电路根据该数字反馈补偿量对sld光源管芯处进行温控，直至光功率检测值p稳定在温补模型计算光功率值p0处；温控电路采用sld光源中常用的电阻桥式温控电路即可，该温控电路可以采集环境温度，测试sld光源光功率，并且可以对sld光源组件中热敏电阻的阻值进行数字化程控，从而实现对sld光源输出光功率的反馈控制。在保持sld输出平均波长稳定的条件下，建立光功率随环境温度的变化模型；然后以光功率为反馈量，sld组件中的热敏电阻阻值为控制量，可以控制光功率沿循设定的模型发生变化，进而实现在不同环境温度下平均波长的稳定。这种方案中，通过人工标定的方式获得的光功率变化模型，其建模过程繁琐，建模效率低下，并且难以实现较高精度。本发明设计并实现了应用于该方案的智能建模装置和方法，解决了光功率反馈控制法实现平均波长稳定的方案中的复杂建模问题，优化了建模效率，提高了建模精度。

使用上述装置的sld光源光功率温补模型的智能建模方法流程如图3所示，需要包括以下步骤：

步骤一：启动sld光源，计算机发送温控数字量d0，控制工作在t0(℃)的工作点；温箱控制环境温度降温到t1(℃)，光谱仪解算出平均波长后发送给计算机，计算机读取并记录此时的光强信号p0；

步骤二：控制温箱使环境温度升高δte(℃)；

步骤三：计算机控制光谱仪测出平均波长解算出平均波长变化量记模型粗调精度为ε1(ppm)，如果则通过比例积分算法解算出温控数字量的调整量δdi：

式中，δrt为热敏电阻阻值的调整量，γrt为单位数字量对应的热敏电阻阻值，tr为管芯温度，为平均波长，为管芯温度对应平均波长的变化率，κr-t为热敏电阻的r-t系数；

记模型精调精度为ε2(ppm)，如果则通过模糊控制算法解算出调整量δdi如果则直接跳到步骤五；

步骤四：得到调整量δdi之后，计算机发送温控数字量di＝d0+δdi，实现光源管芯温度调整，重复步骤三，直到测得的平均波长变化量满足

步骤五：计算机读取并记录此时的光强信号pi；

步骤六：环境温度继续上升δte(℃)，按照步骤二到步骤五得到在新的环境温度下的光强信号pi+1，依此类推，控制温箱温度不断升高至t2(℃)，测得各环境温度下对应的光强信号；得到t1(℃)到t2(℃)的环境温度下，以δte(℃)为步长的光强p的离散模型{pi}；

步骤七：将离散模型{pi}进行线性插值，将模型精细化，得到以(℃)为步长的光强p的离散模型：

k＝0,1,2,…并且te≤t2(2)

至此，得到了sld的光功率控制模型p0(te)，该模型可用于实现sld光源平均波长的稳定控制。

在上述方法中，步骤三中所运用的模糊控制算法流程如图4所示，图中的ke和ku分别为误差量e和修正量u的两化因子，该模糊算法通过误差e解算出参数的修正量u，修正之后得到与热敏电阻控制温度tr相关的数字量d并输出，以此实现对平均波长的精细调节。

本发明所述的sld光源平均波长温补模型的自动建模装置和方法中，计算机控制各设备协同工作，并且嵌入模糊控制算法，实现了建模过程的自动化和智能化，有效提高了建模效率。该智能建模装置和方法对随机噪声和误差具有较高的耐受度，能够实现1ppm以内的高精度建模。建模效率高，建模结果一致性、准确性好。实现了多设备协同工作下的高效率、自主化建模，解决了sld光源平均波长温控方案中的复杂建模问题。

实施例：

针对具体系统参数提出实施例，该系统中，单位数字量对应的热敏电阻阻值γrt为0.18ω；管芯温度对应平均波长的变化率为1.65℃/nm；热敏电阻的r-t系数κr-t为440ω/℃。sld光源管芯温度工作设定值t0为25℃，模型的环境温度变化范围[t1,t2]为[-40℃,60℃]，环境温度调节步长δte为1℃，系统中模型粗调精度ε1设置为3ppm，精调精度ε2设置为0.5ppm。该实施例如下：

(1)按照图2所示方式连接各设备和待测sld光源。启动sld光源5，计算机1发送温控数字量d0，控制工作在25℃的工作点。温箱2控制环境温度降温到-40℃，光谱仪3解算出平均波长后发送给计算机1，计算机1读取并记录此时的光强信号p0。

(2)控制温箱2使环境温度升高1℃。

(3)计算机1控制光谱仪3测出平均波长解算出平均波长变化量如果则通过比例积分算法解算出温控数字量的调整量δdi：

如果则通过模糊控制算法解算出调整量δdi，模糊控制算法流程如图4所示；如果则直接跳到步骤五。

(4)得到调整量δdi之后，计算机1发送温控数字量di＝d0+δdi，实现sld光源5的管芯温度调整，重复步骤三，直到测得的平均波长变化量满足

(5)计算机1读取并记录此时的光强信号pi。

(6)环境温度继续上升1℃，按照步骤二到步骤五的方法得到在新的环境温度下的光强信号pi+1，依此类推，控制温箱2温度不断升高至60℃，测得各环境温度下对应的光强信号。得到-40℃到60℃的环境温度下，以1℃为步长的光强p的离散模型{p0,p1,p2,...,p100}。

(7)将离散模型{p0,p1,p2,...,p100}进行线性插值，将模型精细化，得到以0.2℃为步长的光强p的离散模型：

p＝p0(te),te＝(-40+0.2k)℃，k＝0,1,2,…,500(2)

(8)结束测量，导出得到的光功率控制模型，关闭评测系统。最终针对被测sld光源5建立的典型光功率控制模型如图5所示，在环境温度变化的情况下，按照图5所示的模型控制光功率，可以将sld光源5的平均波长变化量稳定在1ppm以内。