[发明专利]一种基于STM32+FPGA的SERF惯性测量装置高稳定激光电控系统

权利要求书

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）和激光二极管LD（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）驱动激光二极管LD（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）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；

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；信号发生器（7-1）提供稳频所需要的调制信号，稳频的鉴相参考信号；带通滤波整形电路（7-2）是把信号发生器（7-1）输出的方波信号整形为谐波抑制比很高的正弦信号，通过信号移相电路（7-3）对信号的相位进行移动，同时不能改变信号的幅度大小，带通滤波放大电路（7-4）是对得到的光电信号进行选频放大，滤掉其余的频率成分，选出相应的鉴频信号，鉴相器（7-5）实现参考信号和相应的鉴频信号的相乘运算，低通滤波放大电路（7-6）对输入的信号在基频信号的周期上进行积分运算，最后得到输入信号的直流成分，对此直流成分进行放大，然后输出到激光器电流源模块（6），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；

所述激光器稳功率模块（8）由第一λ/2波片（8-1）、液晶相位可变相位延迟器LCVR（8-2）、检偏器（8-3）、第二λ/2波片（8-4）和偏振分光棱镜PBS（8-5）组成，均采用小型化光学器件，半导体激光器（9）经过稳频后的出射激光通过激光器稳功率模块（8），通过旋转第一λ/2波片（8-1）将原始入射光调整为水平偏振光，进入由LCVR（8-2）和检偏器（8-3）构成的可变激光功率衰减器，改变LCVR（8-2）的驱动交流电压有效值即可实现对光功率的可控衰减，检偏器（8-3）出射光通过第二λ/2波片（8-4）和PBS（8-5）后被分成两束正交线偏振光，旋转第二λ/2波片（8-4）可以改变PBS（8-5）的分光比，5%或者更低的少部分光由光电探测器PD接收用于对输出光功率采样，光电探测器PD采样的光电流信号反馈至FPGA模块（4），STM32模块（3）和FPGA模块（4）进行通信，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。