星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法及系统与流程

本发明属于星载激光通信传输技术领域，尤其涉及一种星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法及系统。

背景技术：

在星载激光通信系统中，为了保证激光通信链路和捕获链路性能，信标光激光器发射信号输出功率的稳定性尤为重要，而信标光激光器输出功率的稳定性取决于激光器的闭环温度点。同时由于信标光激光器与光学镜头安装很近，且光学镜头对温度要求较高，对信标光激光器功耗、尺寸和可靠性有较高要求。一般用于信标光激光器的单模激光器自带温度检测功能和制冷驱动控制，通过闭环温度控制，保证激光器输出功率的稳定性。

常用的闭环温度控制方法为数字闭环控制，将温度传感信号转化为电压信号，然后通过dac变换为数字信号，处理芯片根据采集的温度，控制激光器tec制冷控制端驱动电流，使激光器稳定工作在合适的温度范围。如文献“张建忠，激光器温度反馈调节控制电路及方法，专利申请号：2018102803031，2018年”中采用stm32芯片控制adn8830温控芯片，stm32芯片通过调节输出到adn8830温控芯片的电压，控制输出到激光器tec制冷控制端的电流。在文献“韩晓泉，基于smith预估补偿的准分子激光器温度控制方法及系统，专利申请号：2018101320772，2018年”中基于smith预估补偿的准分子激光器温度控制方法及系统。在文献“张凤军，一种半导体激光器温度控制电路，专利申请号：2015109150155，2015年”中选定adn8831作为主芯片实现激光器的温度控制。在文献“胥嫏，光模块及其激光器温度控制方法，专利申请号：2015103128336，2015年”中提供一种光模块及激光器温度控制方法，根据激光器的当前温度，以及上调后的目标温度，向所述激光器的热电制冷器的驱动器输出相应控制量。在文献“井川英哲等，光发送器及半导体激光器温度控制方法，专利申请号：2015800209950，2015年”中通过控制部，基于从半导体激光器输出的监视电流信息、由热敏电阻器通知的半导体激光器的温度信息、由激光器驱动电路部通知的激光器驱动电流信息，来变更设定值。在文献“井川英哲等，光发送器及半导体激光器温度控制方法，专利申请号：2015800209950，2015年”中通过控制部，基于从半导体激光器输出的监视电流信息、由热敏电阻器通知的半导体激光器的温度信息、由激光器驱动电路部通知的激光器驱动电流信息，来变更设定值。在文献“王如刚，一种半导体激光器温度控制系统及其控制方法，专利授权号：cn105094173b，2015年”中公开了一种半导体激光器温度控制系统及其控制方法，包括连接半导体激光器的温度采样电路、与温度采样电路相连的a/d转换器、键盘控制、显示模块、报警模块、单片机系统以及相连接的tec温度控制芯片和tec驱动电路等。在文献“全伟，一种基于pd的激光器温度控制系统，专利授权号：cn104298278b，2014年”中公开了一种基于pd的激光器温度控制系统，包括温度测量子系统、温度控制子系统、温度控制执行器子系统、温度反馈子系统、温度显示子系统。在文献“全伟，一种基于pd的激光器温度控制系统，专利授权号：cn104298278b，2014年”中公开了一种基于pd的激光器温度控制系统，包括温度测量子系统、温度控制子系统、温度控制执行器子系统、温度反馈子系统、温度显示子系统。

在文献“李曼等.大功率激光器温度控制系统设计[j].无线电工程2018,48(4):283-287.”中使用pic单片机对温度传感器数据进行处理，对水流及电磁阀进行控制，从而达到控温的目的。在文献“姜建国等.用于tdlas甲烷检测的激光器电流驱动与温控系统[j].重庆大学学报2018,41(2):53-60.”中使用stm32f103rct6为核心的处理器，采用抗积分饱和pid控制算法与数字滤波结合，利用大功率drv592驱动热电制冷器tec，使激光器温度稳定在25℃附近。在文献“何启欣等.多通道半导体激光器温控系统[j].光学学报2018,37(11):1-8.”中采用温度采集模块、数字信号处理模块、半导体制冷器实现对多个激光器温度的实时、精确控制。在文献“左朋莎等.基于adn8834的模拟激光器自动温度控制技术研究[j].测控技术2017,36(5):74-76.”中介绍了基于adn8834芯片的激光器自动温度控制技术。。

以上文献主要通过数字闭环控制温控。采用温度传感器采集温度信号，处理芯片根据采集的温度进行计算，通过控制激光器tec端驱动电流，使激光器稳定工作在合适的温度范围。这种方法的缺陷是需要进行数字采样，通过处理器进行控制，电路较为复杂，需要程序控制，不利于信标光激光器的小型化、低功耗设计。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法及系统，通过简易负反馈电路实现温度控制的模拟闭环，降低了星载信标光激光器控制电路的功耗和尺寸，提高了星载信标光激光器可靠性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将采样电阻r1的一端与激光器的热敏电阻r2串联，采样电阻r1的另一端与地相连接，运算放大器的负端连接与热敏电阻r2和采样电阻r1之间，运算放大器的正端与运算放大器的输出端相连接，运算放大器的输出端与制冷驱动电源相连接，制冷驱动电源与激光器相连接；

(2)将采样供电电压v加在热敏电阻r2和采样电阻r1上，打开激光器，激光器制冷处于关闭状态，激光器温度变高，热敏电阻r2的阻值变小；

(3)当采样电阻r1上的分压变大至制冷驱动电源的打开阀值时，即温度检测电压信号u达到制冷驱动电源的打开阀值vh，经射随，制冷电路控制信号vc也达到制冷驱动电源的打开阀值vh时，根据制冷电路控制信号vc打开制冷驱动电源；

(4)当采样电阻r1上的分压变小至制冷驱动电源的关闭阀值vl时，即温度检测电压信号u降到制冷驱动电源的关闭阀值vl，经射随，制冷电路控制信号vc也降到制冷驱动电源的关闭阀值vl时，根据制冷电路控制信号vc关闭制冷驱动电源，此时，激光器温度变高，热敏电阻r2的阻值变小，跳转至步骤(2)。

上述星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法中，在步骤(3)中，制冷驱动电源的打开阀值vh为1.13v。

上述星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法中，在步骤(4)中，制冷驱动电源的关闭阀值vl为1.03v。

根据本发明的另一方面，还提供了一种星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环系统，包括：温度检测单元、制冷电路控制信号单元和制冷电路驱动单元；其中，所述温度检测单元提取激光器的温度变化引起的热敏电阻阻值变化，通过采样电阻分压，转化成温度检测电压信号u；所述制冷电路控制信号单元通过射随电路，将温度检测电压信号u转化为制冷电路控制信号vc，并将制冷电路控制信号vc提供给所述制冷电路驱动单元；所述制冷电路驱动单元的制冷电路控制信号vc大于制冷驱动电源的打开阀值vh时，制冷驱动电源打开；所述制冷电路驱动单元的制冷电路控制信号vc小于制冷驱动电源的关闭阀值vl时，制冷驱动电源关闭。

上述星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环系统中，温度检测电压信号u的公式为：

u＝v×r1/(r1+r2)；

其中，r2为激光器温度变化传感器热敏电阻的阻值；r1为采样电阻；v为热敏电阻r2和采样电阻r1串接后的采样供电电压。

上述星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环系统中，制冷电路控制信号vc等于温度检测电压信号u。

上述星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环系统中，所述制冷电路控制信号单元为运算放大器。

上述星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环系统中，运算放大器的放大倍数为1倍。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)较数字闭环采用数字电路进行电压检测，本发明采用模拟检测，提取激光器的温度变化引起的热敏电阻阻值变化信息，通过采样电阻分压，转化成电压信号，简化了采样电路。

(2)较数字闭环采用数字处理芯片进行计算控制，本发明采用模拟负反馈电路，完成激光器的温度控制模拟闭环，简化了星载信标光激光器控制电路，降低了功耗，提高了星载信标光激光器可靠性。

(3)较数字闭环采用数字处理芯片进行计算得到温度闭环点，本发明通过选择相应的采样电阻r1阻值，即可实现激光器不同的闭环温度，实现简单可靠。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法在信标光激光器工作中的应用框图；

图2是本发明实施例提供的星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法中信标光激光器的热敏电阻与温度变化曲线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例提供了一种星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法，该方法包括如下步骤：

(1)将采样电阻r1的一端与激光器的热敏电阻r2串联，采样电阻r1的另一端与地相连接，运算放大器的负端连接与热敏电阻r2和采样电阻r1之间，运算放大器的正端与运算放大器的输出端相连接，运算放大器的输出端与制冷驱动电源相连接，制冷驱动电源与激光器相连接；运算放大器的放大倍数为1倍。

(2)将采样供电电压v加在热敏电阻r2和采样电阻r1上，打开激光器，激光器制冷处于关闭状态，激光器温度变高，热敏电阻r2的阻值变小，热敏电阻r2分压变小；采样电阻r1上分压得到的电压变大。

(3)当采样电阻r1上的分压变大至制冷驱动电源的打开阀值vh1.13v时，即温度检测电压信号u达到1.13v，经射随，制冷电路控制信号vc也达到1.13v时，根据制冷电路控制信号vc打开制冷驱动电源。

(4)激光器制冷启动后，激光器温度变低，热敏电阻r2变大。

(5)采样供电电压v为加在热敏电阻r2和采样电阻r1上的固定电压，热敏电阻r2的阻值变大，热敏电阻r2分压变大；采样电阻r1上分压得到的电压变小。

(6)当采样电阻r1上的分压变小至制冷驱动电源的关闭阀值vl1.03v时，即温度检测电压信号u降到1.03v，经射随，制冷电路控制信号vc也降到1.03v时，根据制冷电路控制信号vc关闭制冷驱动电源，即激光器制冷关闭。此时，激光器温度变高，热敏电阻r2的阻值变小，跳转至第(2)步。

本实施例还提供了一种星载信标光激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环系统，包括温度检测单元、制冷电路控制信号单元和制冷电路驱动单元。

温度检测单元

基于模拟检测，提取激光器的温度变化引起的热敏电阻阻值变化，通过采样电阻分压，转化成温度检测电压信号u。

u＝v×r1/(r1+r2)

其中，r2为激光器温度变化传感器热敏电阻的阻值；r1为采样电阻；v为热敏电阻r2和采样电阻r1串接后的采样供电电压。

以一种单模波长808nm的激光器管芯为例，热敏电阻r2与温度t的关系如下：

1/t＝a+b(lnr2)+c(lnr2)³

其中，a＝1.1293×10^-3,b＝2.3410×10^-4,c＝8.775×10^-8。

制冷电路控制信号单元

为了增强控制信号驱动能力，通过射随电路，将温度检测电压信号u转化为制冷电路控制信号vc，供制冷电路驱动单元使用,制冷电路控制信号vc＝温度检测电压信号u。

制冷电路驱动单元

制冷电路驱动单元采用带使能的开关电源实现。其中使能信号为制冷电路控制信号vc，开关电源采用ti公司的mpd23774，其使能特性为：vc大于vh＝1.13v电源启动；vc小于vl＝1.03v电源关闭。

实施例1

将本发明温度控制模拟闭环方法用在某星载信标光激光器设备。

图2所示为激光器的热敏电阻与温度变化曲线，选择采样电阻r1为3k欧姆，根据本发明基于负反馈的温度控制模拟闭环方法中的计算方法，可得出23℃±2℃为激光器稳定工作范围，具体计算过程如下：

1.采样电阻、热敏电阻、温度检测电压信号u和制冷电路控制信号vc的关系如下：

vc＝u＝v×r1/(r1+r2)

在实施中，采样供电电压v＝5v，采样电阻r1＝3k欧姆。

当v＝vh＝1.13v时，r2约为10k欧姆；当v＝vl＝1.03v时，r2约为12k欧姆。

2.以一种单模波长808nm的激光器管芯为例，热敏电阻r2与温度t的关系如下：

1/t＝a+b(lnr2)+c(lnr2)³

其中，a＝1.1293×10^-3,b＝2.3410×10^-4,c＝8.775×10^-8。

当热敏电阻r2＝10k欧姆时，温度t＝25℃；当热敏电阻r2＝12k欧姆时，温度t＝21℃。即得到闭环工作温度范围为23℃±2℃。

本实施例的星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法，较数字闭环采用数字电路进行电压检测，本实施例采用模拟检测，提取激光器的温度变化引起的热敏电阻阻值变化信息，通过采样电阻分压，转化成电压信号，简化了采样电路。本实施例星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法，较数字闭环采用数字处理芯片进行计算控制，本实施例采用模拟负反馈电路，完成激光器的温度控制模拟闭环，简化了星载信标光激光器控制电路，降低了功耗，提高了星载信标光激光器可靠性。本实施例星载激光器中基于负反馈的温度控制模拟闭环方法，较数字闭环采用数字处理芯片进行计算得到温度闭环点，本实施例通过选择相应的采样电阻r1阻值，即可实现激光器不同的闭环温度，实现简单可靠。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。