[发明专利]一种基于FPGA的外腔可调谐半导体激光器非线性修正方法

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的外腔可调谐半导体激光器非线性修正方法，该方法基于FPGA实现PZT驱动信号DA输出并驱动柔性铰链扫频运动，FPGA通过AD模块采样PZT位移信号并通过算法分析得出位移非线性误差，误差信号反馈叠加上初始信号得到新的驱动信号，如此循环直至PZT压电陶瓷非线性消除。本发明基于FPGA控制系统通过AD模块实现数据实时采集，并将采集到的信号通过FPGA控制器实时处理分析得出实时的系统误差信号，将误差信号作为反馈量加载到驱动信号中来对控制信号进行实时修正。故本发明系统代替了传统的离线采集分析系统，可实现实时闭环修正控制，系统精度高，控制效果好。

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于FPGA的外腔可调谐半导体激光器非线性修正方法。

背景技术

基于FPGA的外腔可调谐半导体激光器PZT非线性指的是相同时间间隔内光频的改变量不是定值。造成这种非线性现象的原因有PZT压电陶瓷的迟滞特性、温度的漂移、内腔的非线性等因素，而PZT压电陶瓷的迟滞特性是造成外腔可调谐半导体激光器光频输出非线性的主要原因。PZT压电陶瓷的迟滞特性是指压电陶瓷的输入电压与输出位移之间的非线性关系。

目前，有关于可调谐半导体激光器非线性研究内容主要侧重点在于PZT压电陶瓷非线性研究，关于PZT压电陶瓷的非线性研究方法有很多，例如经典的电荷控制方法。虽然电荷控制方法已被证明能够有效地抑制压电陶瓷驱动器的迟滞非线性，但电荷放大器设计复杂，成本高，限制了它的广泛应用。电压控制方法仍是目前压电陶瓷驱动器应用的主要方法。在电压驱动控制时，采用位移传感器测量压电陶瓷驱动器的实际输出位移配合构成闭环控制，消除误差。通过放大、补偿等获得压电陶瓷驱动器的理想驱动，实现了有效的闭环控制

由于迟滞非线性使输入电压与输出位移之间的映射关系呈现特殊性，特别是不可微性、多值性和记忆性，使得滞后补偿控制器的设计十分困难。为此，相关学者专家研究得出了很多经典的解决方法。根据是否包含迟滞逆模型，现有的迟滞补偿控制方法可分为两种类型：无迟滞逆模型和基于迟滞逆模型的控制方法。

基于迟滞逆模型的控制方法比较简单和直观，在对迟滞非线性的补偿控制中，直接将逆模型与被控对象串联，抵消迟滞非线性的影响，使输入与输出之间呈现近似正比例的线性关系，然后再根据现有的控制方法，对近似为线性的系统消除跟踪误差，提高控制精度。

然而，一般的迟滞模型的逆求取比较困难，计算量大。因此，为了避免模型的逆求取困难这样的问题，中外学者们又研究出了无需迟滞逆模型的方法，此类方法往往采用闭环控制，主要的控制方法有以下几种：

(1)数字PID控制方法

(2)滑膜变结构控制方法

(3)自适应控制方法

(4)神经网络控制方法

(5)鲁棒控制方法等

这些控制方法无需逆模型，不需要复杂的计算，有些甚至不需要考虑对象模型，如神经网络和滑模变结构的控制方法，但这些控制也会存在局部最优解的问题，造成系统的不稳定，自适应控制的方法容易产生误操作，数字PID的控制精度不如基于迟滞逆模型控制系统好。总之，基于上述各种模型的方法在实际使用中均存在一定的问题，尤其是在激光器非线性修正系统中使用上述方案过于复杂冗余，且部分控制方案是需要离线实现的，不符合系统实际使用情况。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于FPGA的外腔可调谐半导体激光器非线性修正方法，其以FPGA作为系统控制核心，系统DA输出三角波控制信号，驱动PZT正常工作。利用电容位移传感器读取柔性铰链末端位移信号并通过AD采集模块将位移信号传入FPGA控制器中。FPGA通过软件算法对采样的位移信号进行波形构造，得出位移误差信号。将上述得到的误差信号通过闭环反馈叠加在初始控制信号中作为新的控制信号。循环反馈调节，直至消除PZT非线性。