一种延迟与扩大补偿量的激光稳光强系统温漂抑制方法
阅读说明：本技术 一种延迟与扩大补偿量的激光稳光强系统温漂抑制方法 (Temperature drift suppression method for laser light stabilizing intensity system capable of delaying and expanding compensation quantity ) 是由 全伟 程瑞康 周新秀 张铃炜 王博阳 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种延迟与扩大补偿量的激光稳光强系统温漂抑制方法,通过对环外光电压值和环境温度的原始采样数据以时间为横轴进行平移,每次平移后对二者建模并记录模型精度,当精度最大时取此时的平移量作为延迟时间并将其加入到反馈控制电路中,且还针对补偿量在反馈控制中被原本的反馈光功率噪声带所覆盖的情况,提出了扩大补偿量的方案,基于输出光噪声带以及分光比等参数计算出补偿量的放大倍数。本发明相比传统温漂抑制方案更适用于非理想的测量环境,解决了二者之间延迟效应从而提高了激光稳光强系统的长期稳定性。(The invention relates to a temperature drift suppression method of a laser light stabilizing intensity system for delaying and expanding compensation quantity, which comprises the steps of translating original sampling data of an outside light voltage value and an environment temperature by taking time as a horizontal axis, modeling the outside light voltage value and the environment temperature after each translation and recording model precision, taking the translation quantity at the moment as delay time when the precision is maximum, adding the delay time into a feedback control circuit, and also providing a scheme for expanding the compensation quantity aiming at the condition that the compensation quantity is covered by an original feedback light power noise band in feedback control, and calculating the amplification factor of the compensation quantity based on parameters such as an output light noise band, a splitting ratio and the like. Compared with the traditional temperature drift suppression scheme, the method is more suitable for the non-ideal measuring environment, and solves the delay effect between the two, so that the long-term stability of the laser light intensity stabilizing system is improved.)
技术领域
本发明涉及一种延迟与扩大补偿量的激光稳光强系统温漂抑制方法，可用于基于电路控制的原子陀螺仪激光光路液晶稳光强系统中。
背景技术
激光作为原子陀螺仪中最重要的一个组成部分，光源光强的稳定与否很大程度上影响了陀螺仪气室的抽运效率以及陀螺检测信号的精度高低。现在多利用LCVR(LiquidCrystal Variable Retarder，液晶相位可变延迟器)对激光光源进行功率稳定，它有着控制简单、无需转动且响应时间极快等优点。而激光器本身对于环境温度十分敏感，虽然一般的激光器内部有着二级温控，但是外界环境的微小波动因为热胀冷缩的原理还是会改变激光器腔长的大小，从而进一步影响输出光的光强大小。
现在采用的办法为当激光稳光强系统中的环外光功率与环境温度之间的相对关系较为平稳之时(一般考虑当光功率电信号的波动在5mV以内时即可)，同时采集环外光电压值与环境温度的数据后对二者进行最小二乘法的建模，再利用电路系统通过PT1000所测量得到的环境温度可以计算获得实时的光功率补偿量，并使其实时地修正闭环控制当中的反馈量，以此可以达到对环外光功率的温漂抑制效果。
但在此基础上进行的温漂建模补偿十分粗糙，不仅使用的为简单的最小二乘线性建模方法，并且对于二者建模数据的获取是当环外光电压值与环境温度之间的关系相对线性时再进行数据采集。所以在理想情况下对二者进行建模补偿不能很好地反映二者之间的关系，并且在实际测量过程中环外光电压值随环境温度的变化存在很明显的延迟现象。如图1所示，为了更好地观察二者之间的关系，环外光电压数据为归一化后以0.5为中心进行上下反转后的结果，可以看出环外光电压值的波动是要明显慢于环境温度的，这就使得传统温漂抑制补偿方案难以维持系统的长期稳定性。
因此，改进传统的温漂抑制方法是十分有必要的。但在传统的激光稳功率系统温漂抑制方案中存在温漂抑制精度低，对于环境温度与环外光功率之间的关系不能很好地表示(即存在着延迟效应)以及反馈的补偿量不能很好地作用在闭环控制系统上等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对传统的温漂抑制方案中有着鲁棒性差、精度低以及环境温度与环外光功率之间并非完全线性关系且存在延迟等问题，提供一种延迟与扩大补偿量的激光稳光强系统温漂抑制方法，相比传统温漂抑制方案更适用于非理想的测量环境，也大幅提高了温漂抑制精度和激光稳功率系统的长期稳定性。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种延迟与扩大补偿量的激光稳光强系统温漂抑制方法，首先计算所测得的一段时间内环外光电压值与环境温度之间的平均延迟时间，再计算环外光补偿量所应该有的扩大倍数，最后结合补偿量本身的更新频率精准的输送环外光反馈值，从而达到对环外光功率的精确补偿。因为环外光功率采用光电探测器进行采集，所以后续提到的环外光都是以电压值的形式进行处理。
本发明的一种延迟与扩大补偿量的激光稳光强系统温漂抑制方法，考虑了更加一般的情况，采集了任意时刻的环境温度与环外光电压值数据作为建模基础，以此解决了二者的延迟效应并结合扩大补偿量对环外光电压值精确地控制。本发明通过对二者的原始采样数据以时间为横轴进行平移，之后针对平移后的环境温度与环外光电压值数据建立数学模型并计算此时的模型精度，当模型精度最大时取此时的平移量作为延迟时间并将其加入到反馈控制电路中，从而可以针对原本存在的延迟效应推迟补偿量的输送以达到对温漂的精准抑制，且还针对补偿量在控制系统中被原本的反馈光功率噪声带所覆盖的情况，提出了扩大补偿量的方案，基于环外光电压噪声带以及光路分光比等参数计算出补偿量应有的扩大倍数。该方法相比传统温漂抑制方案更适用于非理想的测量环境，也大幅提高了二者的建模精度，并且解决了二者之间延迟效应让闭环控制效果更加显著从而提高激光稳功率系统的长期稳定性。
本发明的一种延迟与扩大补偿量的激光稳光强系统温漂抑制方法，采集任意时刻的环境温度与环外光电压值数据作为建模基础，解决环境温度对环外光电压值的延迟效应并结合扩大补偿量对环外光电压值精确地控制，具体包括以下步骤：
(1)让激光稳光强系统在常规的PID控制方案下运行一段时间，当激光稳光强系统光功率电信号的波动在5mV以内时利用反馈控制电路同步采集经过光电探测器转换后的环外光电压值与环境温度的数值。
(2)对(1)中的采集到的环外光电压值与环境温度的数据每平移一位数据就对环外光电压值与环境温度之间的关系建立一次数学模型，取建模精度最高的一次的平移位数作为环外光电压值与环境温度之间的延迟时间。多次重复该步骤，即可计算出平均延迟时间并记录下消除平均延迟时间后的最佳数学模型。
(3)根据(1)中所测量得到的数据，计算环外光的波动值，再根据环外光的噪声带、环内光的噪声带和环外光与环内光的分光比，计算出环外光补偿量对环外光温漂的最佳补偿值。
(4)根据(2)中所得到的最佳数学模型，由此能计算出该最佳数学模型提供的环外光补偿量，结合(3)中所获得的环外光补偿量对环外光温漂的最佳补偿值，可以计算出最佳数学模型提供的环外光补偿量的扩大倍数。
(5)将(2)中的平均延迟时间和(4)中的补偿量扩大倍数，再结合反馈量本身的更新时间写入电路控制系统中，当获取了当前的环境温度值后通过(2)中所得到的环外光电压值与环境温度之间的最佳模型计算出环外光电压的反馈量。
(6)将(5)中所得的环外光反馈量经过(2)中计算出的环外光电压值与环境温度之间的平均延迟时间后更新为激光稳光强系统的环内光设定值，最后通过写入反馈控制电路中的延迟控制算法计算出相应的LCVR驱动电压值输送给液晶稳功率系统，从而实现对温漂的精确延迟控制。
与现有的传统激光稳光强温漂抑制方案相比，本发明的优点在于：
(1)解决了环外光与环境温度之间的延迟效应，首先提出计算二者之间延迟时间的方法，之后在反馈控制电路中加入延迟时间，让通过最佳数学模型计算的反馈量精确地控制环外光的温漂，以增加系统的长期稳定性。
(2)解决了因反馈量过小而没有被系统捕捉到的问题，通过结合环外光自己本身的特性计算出环外光补偿量对环外光温漂的最佳补偿值从而得到扩大倍数，让模型计算出的环外光补偿量乘以扩大倍数得到适当的反馈量去精确地补偿环外光温漂。
附图说明
图1为环境温度与环外光之间延迟示意图；
图2为本发明的激光稳光强系统示意图；
图3为本发明的整体方案流程图；
图4为本发明中平均延迟量计算流程图；
图5为本发明中当Δty＞Δtg时的激光稳光强系统控制方案，(a)为控制流程图，(b)为控制示意图；
图6为本发明中当Δty＝Δtg时的激光稳光强系统控制方案，(a)为控制流程图，(b)为控制示意图；
图7为本发明中当Δty＜Δtg时的激光稳光强系统控制方案，(a)为控制流程图，(b)为控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
图2为本发明的系统框架图，其中，波长795nm的半导体激光器1出射的光经过半波片2入射到起偏器3中，经过起偏器3的光束偏振角度为90度，且使后面检偏器5的光轴出射角度为0度，保证二者达到一个消光的状态。然后在二者之间加入液晶相位可变延迟器4，使得起偏器3、液晶相位可变延迟器4和检偏器5三个器件构成LCVR系统。经过LCVR系统的光束再经过半波片6和分光棱镜7分成两束光，被光电探测器8接收的光束为环外光即整个系统的输出，被光电探测器9接收的光束为环内光即整个系统的反馈光，接收到的环内光被转换为电压信号传输至FPGA+DSP主控电路板10中，在主控电路板10中的反馈控制以及铂电阻11所测得到的环境温度的共同作用下向液晶发送驱动电压进行激光稳光强系统光功率的控制。
如图3所示，本发明的整体方案流程图如下：
(1)首先在系统启动前同步采集环外光Pvout与环境温度T并对数据集进行记录。
(2)根据(1)中采集到的数据按如图4所示的延迟计算流程图进行平均延迟时间Δty的计算。平均延迟时间Δty的具体算法如下：
①初始化。首先将最佳位移位数i_0，最佳模型精度R2_0和整体的大循环计数k初始化为0。
②使环外光电压值数据平移i位后对环外光电压值与环境温度数据进行数学建模，建立的数学模型公式为：
Pvout＝f(T)
其中，Pvout为环外光功率经过光电探测器转换后得到的环外光电压值补偿量，T为环境温度。之后计算模型精度R2，计算公式如下：
式中yi为采集得到的环外光电压值，fi为通过最佳数学模型计算所得的环外光电压值补偿量，表示采集得到的环外光电压值的平均值。
计算出的本次模型精度与上一次的最佳模型精度R2_0进行比较后如果本次结果大于上一次的结果则将最佳模型精度R2_0以及平移位数i_0更新为本次数据，否则保持原来数据。
③当平移完规定的数据量m(m为稍大于粗略估计的延迟量的一个值)后，重置最佳位移位数i_0和最佳模型精度R2_0并重复②的步骤直到大循环计数k达到设定的循环次数n。此时，计算出平均延迟时间Δty并记录下消除平均延迟时间后的最佳数学模型。
(3)根据(1)中采集到的数据，找出环外光电压的最大波动数值ΔPvbw，再结合环外光电压的噪声带ΔPvzw、环内光电压的噪声带ΔPvzn和环外光与环内光的分光比h，可以计算出环外光补偿量对环外光温漂的最佳补偿值ΔPvbn，计算公式为：
(4)根据(2)中消除最佳延迟时间Δty后所建立的最佳数学模型，计算出最佳数学模型输出的环外光补偿量Pvout(T)，再结合(3)中得出的环外光补偿量对环外光温漂的最佳补偿值ΔPvbn，计算出环外光补偿量的扩大倍数Γ，计算公式如下：
(5)把(2)中的平均延迟时间Δty与最佳数学模型Pvout＝f(T)以及(4)中的扩大倍数Γ写入到反馈控制电路中，计算出环外光电压反馈量SV。环外光电压反馈量SV的计算公式为：
其中，Pvin0为环内光电压初始设定值，Pvout0为环外光电压初始设定值，Pvout(T)为最佳数学模型输出的环外光补偿量。
(6)将(5)得出的环外光电压反馈量SV作为系统控制反馈的设定值，通过PID与延迟控制算法一起计算出LCVR的驱动电压并发送给液晶。根据平均延迟时间Δty和环外光反馈量更新时间Δtg之间的大小关系，延迟控制算法分为如下三种情况：
情况一：Δty＞Δtg，算法流程图如图5中的(a)所示，流程示意图如图5中(b)所示。cnt1时间线中在每次需要更新反馈量的前Δty时间点在cnt2时间线中通过环境温度T和所建立的模型记录一个补偿量的数值。第一次补偿量的更新因为延迟时间Δty大于更新时间Δtg，所以选取系统时间计数器为0的点作为第一次更新反馈量的数据获取点。
具体步骤如下：
①首先设置两个计数器cnt1和cnt2初始化为0，分别表示反馈量更新时间和补偿量获取时间点，再设置两个标志位flag1和flag2初始化为0，处理第一个反馈量更新时间Δtg小于延迟时间Δty的情况。
②当cnt1＝0且flag1＝0的时候，表示系统刚开始的时间点，记录一个补偿量x0。
③cnt1与cnt2同步加一。
④重复③当cnt1＝2Δtg-Δty且flag1＝0时，即第二个反馈量更新点的补偿量获取时间点，因为上一次记录的补偿量还未发送给系统，所以再次记录一个补偿量为x1，结束后重置cnt1为0并使标志位flag1加1。
⑤重复③当cnt2＝Δtg且flag2＝0时，把第一次记录的补偿量x0传递给系统即可计算出反馈量，结束后重置cnt2为0并使flag2加1。
⑥重复③当cnt1＝Δtg且flag1＝1时，因为前一次记录的补偿量x1还未发送给系统，所以将其暂存在x2中，之后再记录一个补偿量到x1当中且重置cnt1为0。
⑦重复③当cnt2＝Δtg且flag2＝1时，把暂存的补偿量值x2发送给系统，并重置cnt2为0。
⑧之后不断重复⑥与⑦。
情况二：Δty＝Δtg，算法流程图如图6中的(a)所示，流程示意图如图6中的(b)所示。此时更新时间与延迟时间正好相等，所以第一次更新反馈量的时间点就正好为计数器cnt为0的点。具体步骤如下：
①设置计数器cnt为0。
②当cnt＝0时，记录一个补偿量为x0。
③cnt加1。
④重复③当cnt＝Δtg时，把补偿量x0传给系统，再回到①。
情况三：Δty＜Δtg，算法流程图如图7中的(a)所示，流程示意图如图7中的(b)所示。此时更新时间大于延迟时间，第一次反馈量的更新时间同样也可以精确获取，大致流程与情况二相似。具体步骤如下：
①设置计数器cnt为0。
②cnt加1。
③重复②当cnt＝Δtg-Δty时，记录一个补偿量为x0。
④重复②当cnt＝Δtg时，把补偿量x0传给系统，再回到①。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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