驱动激光频率功率闭环控制方法、系统及原子磁强计技术方案

本发明专利技术提供了一种驱动激光频率功率闭环控制方法、系统及原子磁强计，包括：分别探测第一激光电流和表征经过原子气室的第二激光电流；根据与驱动激光功率相关的第一期望电流和第一激光电流计算获取第一控制参数，根据与驱动激光频率相关的第二期望电流和第二激光电流计算获取第二控制参数；根据第一控制参数和第二控制参数构建驱动激光的电流源控制电路，根据第一控制参数和第二控制参数构建驱动激光的无磁温度控制电路；调节电流源控制电路和无磁温度控制电路，改变驱动激光的频率和功率，完成碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制。应用本发明专利技术的技术方案，以解决现有技术中两个闭环控制相互干扰，影响系统稳定性的技术问题。技术问题。技术问题。

【技术实现步骤摘要】
驱动激光频率功率闭环控制方法、系统及原子磁强计


[0001]本专利技术涉及碱金属原子磁强计
，尤其涉及一种驱动激光频率功率闭环控制方法、系统及原子磁强计。

技术介绍

[0002]碱金属原子磁强计利用电子自旋或核自旋在磁场中的进动测量磁场，具有精度高、体积小等优势，主要用于地球磁场测量、脑磁心磁等生物弱磁测量以及水下、水面和航空目标探测等方面，在国民经济建设和国防领域具有重要意义。
[0003]碱金属原子磁强计工作的前提是采用驱动激光赋予在自然状态下指向杂乱无章的电子自旋以宏观指向。驱动激光与碱金属原子的电子自旋相互作用，通过将光子角动量传递给电子自旋，极化电子自旋，从而赋予其宏观指向。原子自旋极化率越大，原子磁强计灵敏度越高，而驱动激光频率、功率等关键参数的波动直接决定原子自旋极化率的稳定性。
[0004]驱动激光频率、功率除受半导体自身特性限制外，主要受其温度、电流等参数的影响。传统的驱动激光参数控制是通过两个独立的闭环系统实现的：分别由光学波长计测量驱动激光的频率，光电探测器测量驱动激光的功率，并分别调节温度、电流实现参数闭环。由于温度、电流均可影响驱动激光的频率、功率，相互耦合，因此该方法实现过程容易出现两个闭环控制相互干扰，影响系统稳定性；且采用光学波长计测频的方法需引入大型商用仪器设备，难以满足碱金属原子磁强计工程化应用需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种驱动激光频率功率闭环控制方法、系统及原子磁强计，能够解决现有技术中两个闭环控制相互干扰，影响系统稳定性的技术问题。
[0006]根据本专利技术的一方面，提供了一种碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制方法，碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制方法包括：由驱动激光器产生对应原子能级跃迁频率的驱动激光，通过偏振分光棱镜将驱动激光分为第一激光束和第二激光束；第一激光束直接进入第一光电探测器，第二激光束经过原子气室进入第二光电探测器，第一光电探测器探测获取表征第一激光束的第一激光电流，第二光电探测器探测获取表征经过原子气室的第二激光束的第二激光电流；根据与驱动激光功率相关的第一期望电流和第一激光电流计算获取第一控制参数，根据与驱动激光频率相关的第二期望电流和第二激光电流计算获取第二控制参数；根据第一控制参数和第二控制参数构建驱动激光的电流源控制电路，根据第一控制参数和第二控制参数构建驱动激光的无磁温度控制电路；调节电流源控制电路和无磁温度控制电路，改变驱动激光的频率和功率以使得第一激光电流趋近于第一期望电流以及第二激光电流趋近于第二期望电流，完成碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制。
[0007]进一步地，根据与驱动激光功率相关的第一期望电流和第一激光电流计算获取第一控制参数，根据与驱动激光频率相关的第二期望电流和第二激光电流计算获取第二控制
参数具体包括：根据与驱动激光功率相关的第一期望电流和第一激光电流的差值计算获取第一控制输入变量，根据与驱动激光频率相关的第二期望电流和第二激光电流的差值计算获取第二控制输入变量；对第一控制输入变量进行PID控制以获取第一控制参数，对第二控制输入变量进行PID控制以获取第二控制参数。
[0008]进一步地，电流源控制电路I
OUT
和无磁温度控制电路T
OUT
可根据计算获取，其中，A1为第一控制系数，A2为第二控制系数，B1为第三控制系数，B2为第四控制系数，I
PPID
为第一控制参数，I
FPID
为第二控制参数。
[0009]进一步地，第一控制参数I
PPID
为I
PPID
＝Φ
PID
(ΔI
P
)，第二控制参数I
FPID
为I
FPID
＝Φ
PID
(ΔI
F
)，其中，Φ
PID
为标准位置式PID算法，ΔI
P
为第一控制输入变量，ΔI
F
为第二控制输入变量。
[0010]进一步地，第一控制输入变量ΔI
P
为ΔI
P
＝I
PSET
‑
I
P
，第二控制输入变量ΔI
F
为ΔI
F
＝I
FSET
‑
I
F
，其中，I
PSET
为第一期望电流，I
P
为第一激光电流，I
FSET
为第二期望电流，I
F
为第二激光电流。
[0011]进一步地，第一激光电流I
P
可根据I
P
＝P
×
K
PBS
×
K
PD
计算获取，第二激光电流I
F
可根据I
F
＝Φ
C
(P,F,K
PD
',K
C
)计算获取，其中，P为驱动激光功率，K
PBS
为偏振分光棱镜与透射光功率之比，K
PD
为第一光电探测器的光电转换系数，K
PD
'为第二光电探测器的光电转换系数，F为驱动激光频率，K
C
为原子气室吸收率，Φ
C
()为表征透过原子气室的第二激光束的第二激光电流与驱动激光频率F、驱动激光功率P、第二光电探测器的光电转换系数K
PD
'以及原子气室吸收率K
C
之间的函数。
[0012]根据本专利技术的另一方面，提供了一种碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制系统，碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制系统使用如上所述的碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制方法进行碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制。
[0013]进一步地，碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制系统包括驱动激光器、偏振分光棱镜、原子气室、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集处理系统、电流源控制电路和无磁温度控制电路，驱动激光器用于产生对应原子能级跃迁频率的驱动激光，偏振分光棱镜用于将驱动激光分为第一激光束和第二激光束，第一光电探测器用于探测获取表征第一激光束的第一激光电流，第二光电探测器用于探测获取表征经过原子气室的第二激光束的第二激光电流，数据采集处理系统用于对第一激光电流和第二激光电流进行数据处理以获取第一控制参数和第二控制参数，电流源控制电路和无磁温度控制电路用于根据第一控制参数和第二控制参数对驱动激光的频率和功率进行闭环控制。
[0014]进一步地，数据采集处理系统包括第一PID控制器和第二PID控制器，第一PID控制器用于根据与驱动激光功率相关的第一期望电流和第一激光电流计算获取第一控制参数，第二PID控制器用于根据与驱动激光频率相关的第二期望电流和第二激光电流计算获取第二控制参数。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制方法，其特征在于，所述碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制方法包括：由驱动激光器产生对应原子能级跃迁频率的驱动激光，通过偏振分光棱镜将所述驱动激光分为第一激光束和第二激光束；所述第一激光束直接进入第一光电探测器，所述第二激光束经过原子气室进入第二光电探测器，所述第一光电探测器探测获取表征所述第一激光束的第一激光电流，所述第二光电探测器探测获取表征经过所述原子气室的第二激光束的第二激光电流；根据与驱动激光功率相关的第一期望电流和所述第一激光电流计算获取第一控制参数，根据与驱动激光频率相关的第二期望电流和所述第二激光电流计算获取第二控制参数；根据所述第一控制参数和所述第二控制参数构建所述驱动激光的电流源控制电路，根据所述第一控制参数和所述第二控制参数构建所述驱动激光的无磁温度控制电路；调节所述电流源控制电路和所述无磁温度控制电路，改变所述驱动激光的频率和功率以使得所述第一激光电流趋近于所述第一期望电流以及所述第二激光电流趋近于所述第二期望电流，完成碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制。2.根据权利要求1所述的碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制方法，其特征在于，根据与驱动激光功率相关的第一期望电流和所述第一激光电流计算获取第一控制参数，根据与驱动激光频率相关的第二期望电流和所述第二激光电流计算获取第二控制参数具体包括：根据与驱动激光功率相关的第一期望电流和所述第一激光电流的差值计算获取第一控制输入变量，根据与驱动激光频率相关的第二期望电流和所述第二激光电流的差值计算获取第二控制输入变量；对所述第一控制输入变量进行PID控制以获取第一控制参数，对所述第二控制输入变量进行PID控制以获取第二控制参数。3.根据权利要求2所述的碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制方法，其特征在于，所述电流源控制电路I
OUT
和所述无磁温度控制电路T
OUT
可根据计算获取，其中，A1为第一控制系数，A2为第二控制系数，B1为第三控制系数，B2为第四控制系数，为第一控制参数，为第二控制参数。4.根据权利要求3所述的碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制方法，其特征在于，所述第一控制参数为所述第二控制参数为其中，Φ
PID
为标准位置式PID算法，ΔI
P
为第一控制输入变量，ΔI
F
为第二控制输入变量。5.根据权利要求4所述的碱金属原子磁强计驱动激光频率功率闭环控制方法，其特征在于，所述第一控制输入变量ΔI
P
为所述第二控制输入变量ΔI
F
为其中，为第一期望电流，I
P
为第一激光电流，为第二期望电流，I
F
为第二激光电流。6.根据权利要求5所述的碱金属原子磁强计驱动激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：万双爱，薛帅，秦杰，郭宇豪，庞喜浪，魏克全，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：