一种基于STM32+FPGA的SERF惯性测量装置高稳定激光电控系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于STM32+FPGA的SERF惯性测量装置高稳定激光电控系统，包括上位机、参数显示模块、STM32模块、FPGA模块、激光器温控模块、激光器电流源模块、激光器稳频模块、激光器稳功率模块、半导体激光器、光谱信号采集模块。上位机和STM32模块通信，可以通过上位机调节控制参数，参数显示模块可以显示温度、电流、稳频、稳功率等相关参数，STM32模块和FPGA模块通过SPI总线进行通信，STM32模块进行控制算法的实现，FPGA模块和激光器温控模块、激光器电流源模块、激光器稳频模块、激光器稳功率模块进行通信和控制，激光器温控模块和激光器电流源模块用来驱动半导体激光器，激光器稳频模块和激光器稳功率模块用来对激光器稳频稳功率。本发明专利技术可以大大提高测量的准确性。

A high stable laser electronic control system of serf inertial measurement device based on STM32 + FPGA

【技术实现步骤摘要】
一种基于STM32+FPGA的SERF惯性测量装置高稳定激光电控系统
本专利技术涉及SERF惯性测量装置的
，具体涉及一种基于STM32+FPGA的SERF惯性测量装置高稳定激光电控系统，该系统实现了高稳定的激光控制，可保证用于SERF惯性测量装置的检测光和抽运光的频率和功率高度稳定，从而大大提高测量的准确性。
技术介绍
导航技术对国民经济发展和国防建设的战略意义重大。惯性导航是唯一的实时、自主、连续、隐蔽、没有时间地域限制、不受外部干扰的导航技术，而陀螺仪是惯导系统中最关键的器件，是制约惯性导航系统性能提高的瓶颈。SERF原子自旋陀螺是继机电陀螺、光学陀螺之后的第三代新型陀螺仪，利用原子自旋替代机械转子，理论精度可达10-9°/h，是新一代运动载体用超高精度惯性导航的重要发展方向之一。半导体激光器的频率和功率稳定是使用激光的诸多传感器的共性需求，对提高传感器的精度和灵敏度有着重要意义。半导体激光器作为SERF原子陀螺仪中抽运与检测激光的光源，自身功率波动大，必须采取措施改善激光功率稳定性，与此同时其频率的稳定性对SERF陀螺仪检测的灵敏度十分重要。目前的商用激光驱动系统虽然精度较高，但是不能同时实现稳频和稳功率，总体结构复杂，体积大，不易集成，无法同时满足SERF惯性测量装置激光电控的集成化和高精度需求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于STM32+FPGA的SERF惯性测量装置高稳定激光电控系统。该系统可同时实现半导体激光器的稳频和稳功率，精度高，易于集成，为高精度小型化的SERF惯性测量装置的研制提供了基础。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于STM32+FPGA的SERF惯性测量装置高稳定激光电控系统，包括上位机1、参数显示模块2、STM32模块3、FPGA模块4、激光器温控模块5、激光器电流源模块6、激光器稳频模块7、激光器稳功率模块8、半导体激光器9和光谱信号采集模块10，半导体激光器9包括热敏电阻(NTC)9-1、半导体制冷器(TEC)9-2和LD(激光二极管)9-3，其中：上位机1和STM32模块3通信，可以通过上位机1调节控制参数。参数显示模块2可以显示温度、电流、稳频、稳功率参数。STM32模块3和FPGA模块4通过SPI总线进行通信，STM32模块3进行控制算法的实现。FPGA模块4直接和激光器温控模块5、激光器电流源模块6、激光器稳功率模块8进行通信和控制。FPGA模块4向激光器温控模块5写入温度设定值，激光器温控模块5输出控制信号，改变半导体制冷器(TEC)9-2上的电流，使温度达到设定值，同时激光器温控模块5通过负温度系数的热敏电阻(NTC)9-1实时采集半导体激光器9的温度，通过STM32模块3控制PID算法，对温差信号做处理，激光器温控模块5对半导体制冷器(TEC)9-2进行驱动，实现温度的稳定。FPGA模块4向激光器电流源模块6写入电流设定值，激光器电流源模块6驱动LD(激光二极管)9-3工作在设定值。激光器稳频模块7通过加调制的方法改变半导体激光器9的工作电流，使其输出激光的频率受到相应的调制，对应的光谱输出有相应的强度变化，通过光谱信号采集模块10采集信号，然后对光谱强度变化进行一定处理，得到激光频率偏移参考中心频率的信息，再根据此信息由激光器稳频模块7向激光器电流源模块6反馈入相应的控制参量，用以把输出激光频率控制在参考频率处。经过稳频后的激光通过激光器稳功率模块8，激光器稳功率模块8将少部分光强信息发送到FPGA模块4，STM32模块3进行PID运算，使FPGA模块4向激光器稳功率模块8施加控制信号，实现激光功率的稳定。所述STM32模块3采用STM32H843，STM32模块3和FPGA模块4通过SPI总线进行通信，STM32模块3通过串口与上位机1通信，上位机1程序由LabVIEW编写。所述FPGA模块4采用XC6SLX150，FPGA模块4具有更大的并行度，用来做高速信号处理，使得多个模块之间可以同时独立、快速进行计算。所述激光器温控模块5由温压反馈电路5-1、电压基准5-2、功率放大器5-3和陷波器5-4组成。所述激光器电流源模块6由电压跟随器6-1、一阶RC低通滤波器6-2和V-I转换电路6-3组成。所述激光器稳频模块7由信号发生器7-1、带通滤波整形电路7-2、信号移相电路7-3、带通滤波放大电路7-4、鉴相器7-5和低通滤波放大电路7-6组成。所述激光器稳功率模块8由第一λ/2波片8-1、LCVR(液晶可变相位延迟器)8-2、检偏器8-3、第二λ/2波片8-4和PBS(偏振分光棱镜)8-5组成。本专利技术具有的有益效果为：实现了高稳定的激光驱动，能够同时实现半导体激光器的稳频和稳功率，精度高，易于集成，可保证用于SERF惯性测量装置的检测光和抽运光的频率和功率高度稳定，从而可以大大提高测量的准确性，为高精度小型化的SERF惯性测量装置的研制提供了基础。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施例作进一步详细的说明。图1为本专利技术一种基于STM32+FPGA的SERF惯性测量装置高稳定激光电控系统控制框图；图2为图1中激光器温控模块的控制框图；图3为图1中激光器电流源模块的控制框图；图4为图1中激光器稳频模块的控制框图；图5为图1中激光器稳功率模块的控制框图。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专利技术。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为基于STM32+FPGA的SERF惯性测量装置高稳定激光电控系统控制框图。系统包括上位机1、参数显示模块2、STM32模块3、FPGA模块4、激光器温控模块5、激光器电流源模块6、激光器稳频模块7、激光器稳功率模块8、半导体激光器9和光谱信号采集模块10，半导体激光器9包括负温度系数的热敏电阻(NTC)9-1、半导体制冷器(TEC)9-2和LD(激光二极管)9-3。上位机1和STM32模块3通信，可以通过上位机1调节控制参数。参数显示模块2可以显示温度、电流、稳频、稳功率等相关参数。STM32模块3和FPGA模块4通过SPI总线进行通信，STM32模块3进行控制算法的实现。FPGA模块4直接和激光器温控模块5、激光器电流源模块6、激光器稳功率模块8进行通信和控制。FPGA模块4向激光器温控模块5写入温度设定值，激光器温控模块5输出控制信号，改变半导体制冷器(TEC)9-2上的电流，使温度达到设定值，同时激光器温控模块5通过负温度系数的热敏电阻(NTC)9-1实时采集半导体激光器9的温度，通过STM32模块3控制PID算法，对温差信号做处理，激光器温控模块5对半导体制冷器(TEC)9-2进行驱动，实现温度的稳定。F本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于STM32+FPGA的SERF惯性测量装置高稳定激光电控系统，其特征在于：包括上位机(1)、参数显示模块(2)、STM32模块(3)、FPGA模块(4)、激光器温控模块(5)、激光器电流源模块(6)、激光器稳频模块(7)、激光器稳功率模块(8)、半导体激光器(9)和光谱信号采集模块(10)，半导体激光器(9)包括热敏电阻(NTC)(9-1)、半导体制冷器(TEC)(9-2)和LD(激光二极管)(9-3)，其中：/n上位机(1)和STM32模块(3)通信，可以通过上位机(1)调节控制参数；/n参数显示模块(2)可以显示温度、电流、稳频、稳功率参数；/nSTM32模块(3)和FPGA模块(4)通过SPI总线进行通信，STM32模块(3)进行控制算法的实现；/nFPGA模块(4)直接和激光器温控模块(5)、激光器电流源模块(6)、激光器稳功率模块(8)进行通信和控制；/nFPGA模块(4)向激光器温控模块(5)写入温度设定值，激光器温控模块(5)输出控制信号，改变半导体制冷器(TEC)(9-2)上的电流，使温度达到设定值，同时激光器温控模块(5)通过负温度系数的热敏电阻(NTC)(9-1)实时采集半导体激光器(9)的温度，通过STM32模块(3)控制PID算法，对温差信号做处理，激光器温控模块(5)对半导体制冷器(TEC)(9-2)进行驱动，实现温度的稳定；/nFPGA模块(4)向激光器电流源模块(6)写入电流设定值，激光器电流源模块(6)驱动LD(激光二极管)9-3工作在设定值；/n激光器稳频模块(7)通过加调制的方法改变半导体激光器(9)的工作电流，使其输出激光的频率受到相应的调制，对应的光谱输出有相应的强度变化，通过光谱信号采集模块(10)采集信号，然后对光谱强度变化进行一定处理，得到激光频率偏移参考中心频率的信息，再根据此信息由激光器稳频模块(7)向激光器电流源模块(6)反馈入相应的控制参量，用以把输出激光频率控制在参考频率处；/n经过稳频后的激光通过激光器稳功率模块(8)，激光器稳功率模块(8)将少部分光强信息发送到FPGA模块(4)，STM32模块(3)进行PID运算，使FPGA模块(4)向激光器稳功率模块(8)施加控制信号，实现激光功率的稳定。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于STM32+FPGA的SERF惯性测量装置高稳定激光电控系统，其特征在于：包括上位机(1)、参数显示模块(2)、STM32模块(3)、FPGA模块(4)、激光器温控模块(5)、激光器电流源模块(6)、激光器稳频模块(7)、激光器稳功率模块(8)、半导体激光器(9)和光谱信号采集模块(10)，半导体激光器(9)包括热敏电阻(NTC)(9-1)、半导体制冷器(TEC)(9-2)和LD(激光二极管)(9-3)，其中：
上位机(1)和STM32模块(3)通信，可以通过上位机(1)调节控制参数；
参数显示模块(2)可以显示温度、电流、稳频、稳功率参数；
STM32模块(3)和FPGA模块(4)通过SPI总线进行通信，STM32模块(3)进行控制算法的实现；
FPGA模块(4)直接和激光器温控模块(5)、激光器电流源模块(6)、激光器稳功率模块(8)进行通信和控制；
FPGA模块(4)向激光器温控模块(5)写入温度设定值，激光器温控模块(5)输出控制信号，改变半导体制冷器(TEC)(9-2)上的电流，使温度达到设定值，同时激光器温控模块(5)通过负温度系数的热敏电阻(NTC)(9-1)实时采集半导体激光器(9)的温度，通过STM32模块(3)控制PID算法，对温差信号做处理，激光器温控模块(5)对半导体制冷器(TEC)(9-2)进行驱动，实现温度的稳定；
FPGA模块(4)向激光器电流源模块(6)写入电流设定值，激光器电流源模块(6)驱动LD(激光二极管)9-3工作在设定值；
激光器稳频模块(7)通过加调制的方法改变半导体激光器(9)的工作电流，使其输出激光的频率受到相应的调制，对应的光谱输出有相应的强度变化，通过光谱信号采集模块(10)采集信号，然后对光谱强度变化进行一定处理，得到激光频率偏移参考中心频率的信息，再根据此信息由激光器稳频模块(7)向激光器电流源模块(6)反馈入相应的控制参量，用以把输出激光频率控制在参考频率处；
经过稳频后的激光通过激光器稳功率模块(8)，激光器稳功率模块(8)将少部分光强信息发送到FPGA模...

【专利技术属性】
技术研发人员：全伟，李秀飞，刘畅，翟跃阳，陈伟，孙凡，李新宇，岳子骞，宁晓琳，房建成，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11