带摆镜的二维扫描制冷红外光学系统设计

带摆镜的像方扫描光学系统通常只在一维方向扫描成像,当摆镜在二维方向摆扫成像时,摆镜方位俯仰耦合运动带来的对光轴指向、光斑尺寸、成像性能等影响不能忽略。分析了不同的摆镜扫描光学系统的基本形式,并对像方摆镜扫描光学系统二维摆扫带来的影响进行了分析。对内轴为方位、外轴为俯仰的像方摆镜在不同的二维摆扫角度下的入射光轴指向和窗口处光斑尺寸进行了理论计算,提出了二维像方摆镜扫描光学系统设计与分析方法。利用Zemax建立了二维像方摆镜扫描光学系统模型,仿真分析了不同方位俯仰摆扫角度下的成像性能、光轴指向以及窗口挡光情况。在不同方位俯仰角度下,光学系统在17 lp/mm处MTF均大于0.4,窗口极限挡光小于21.4%。     

二维指向镜系统成像特性研究

为了实现对大视场范围的目标进行搜索捕获或者成像,采用了二维指向镜与面阵探测器相结合的技术方案。对二维指向镜系统电机转角耦合特性和成像规律进行研究。首先,从光学反射矢量理论出发对二维指向镜系统建立数学模型,解耦得到扫描电机转角与视轴指向方位角之间的关系;然后,从数学模型出发可得出电机扫描时目标在像面的扫描轨迹和二维扫描镜系统造成的像旋情况,实验测得扫描轨迹的倾角与计算所得的轨迹倾角误差小于0.1°,像元位置偏差不到0.2个像元;最后,分析了采用二维扫描镜的成像系统消除像旋的算法,为二维指向镜实现精确跟踪和软件校正像旋提供理论依据。     

转镜扫描的非线性研究

从光学基本原理出发，得到了四面柱体转镜扫描的非线性解析解，并进行了数值计算，从而给出了四面柱体转镜扫描的非线性曲线。在理论分析的基础上，设计了一种单片双面镜二维扫描系统。利用该系统能有效地克服多面柱体转镜一摆镜二维扫描系统的非线性特性，给后续的计算机实时图像处理工作带来了方便。     

基于MEMS陀螺仪及压电微摆镜的光机电联合稳像技术

针对光电平台抖动造成图像平移和旋转导致图像模糊的问题,研究了一种基于MEMS陀螺仪和压电微摆镜的光机电联合稳像实验系统,主要包括MEMS陀螺仪及控制器、压电微摆镜及控制系统和上位PC机后处理系统等.通过位于可见光摄像机上的MEMS陀螺仪及控制器的Kalman滤波获取当前帧相对参考帧的旋转角度,PC机同步采集摄像机的视频图像并计算出图像旋转量进行补偿;采用二维灰度投影法对图像二维偏移量进行估计,分离意向运动和随机抖动,得到抖动偏移量,控制成像光路中的压电陶瓷微摆镜进行光机补偿校正;进一步结合参考图像采用数字稳像方法进行第2次偏移量补偿,实现了对偏移量的大范围和高精度校正,得到清晰图像.实验表明:该系统对角度的稳像精度小于0.4°,对二维平移的补偿精度达到1个像素,图像帧频达到25 fps,可对存在平移和旋转的抖动图像进行有效的校正.     

二维整体式微米工作台解耦问题的研究

在对整体式柔性运动机构分析的基础上,提出了一种能够消除多维微运动机构间耦合误差的整体式微米级运动机构,并借助Ansys的分析工具对研究结果进行了静力学分析及其优化。在此基础上开发出一个整体式二维解耦工作台。     

长线列红外探测器双模式成像装置中的摆镜控制系统设计

为了实现长线列红外探测器双模式成像装置的两种工作模式,需要在成像装置中增加摆镜控制系统,而高速扫描时的扫描线性度和静止时的位置稳定精度是本系统设计的关键因素.本文着重论述了摆镜控制系统的整体设计和指标要求,基于这些指标,提出了一种高线性和高稳定精度摆镜控制系统的实现方案.并利用Simulink进行了仿真,验证该方案切实可行.     

某导弹双摆喷管电动伺服系统运动分析及建模仿真

首先分析了某导弹双摆喷管电动伺服系统的结构原理,通过对系统的运动分析和建模,研究了2个垂直安装位置的机电作动器的非线性运动特性和耦合干扰情况,给出了控制器在任意摆角指令下对作动器伸缩位移的解耦运算;同时,研究了摆动力臂与喷管摆角之间的非线性关系,在此基础上建立含有非线性环节的单个伺服机构数学模型,调节控制器参数,分别采用基于时域的阶跃响应法和基于频域的正弦相关分析法,在Simulink仿真平台上进行仿真,通过与真实实验数据的比对,验证了模型的准确性,为后续深入研究该型伺服机构性能测试打下坚实基础。     

二维指向镜的定域扫描方式的扫描特性分析

在光学反射矢量理论的基础上,分析了二维指向镜的定域扫描方式的非线性扫描特性,给出了指向镜二维扫描的轨迹及像旋角的计算公式,提出了对扫描轨迹进行非线性校正的方法.在不进行消旋处理的情况下,将二维指向镜的定域扫描方式直接应用于点源探测系统如红外系统中.     

空间光学次镜平台的运动学分析和控制系统设计

为解决空间光学次镜的高精度定位需求设计了一种六自由度并联次镜平台,对并联平台进行运动学分析,并设计了平台的闭环控制系统。根据设计的并联次镜平台结构,搭建了实验硬件系统,编写了软件控制程序,对运动分析结果及控制系统进行实验验证。实验结果表明,所设计的控制系统可以实现六自由度并联次镜平台的运动控制,运动控制精度能够达到0.02mm。     

基于摆镜技术提高测距成功概率的方法研究

深空激光测距受距离遥远、大气损耗等因素影响,地面站接收到的回波光子数非常稀少,因此,研究增加回波光子数的方法对提高系统测距成功概率具有重要的意义。文中在云南天文台1.2 m望远镜激光测距系统发射光路中增加摆镜,通过快速高精度控制激光光束传播方向的方法搜索回波光子数较多的指向位置。首先设计了摆镜扫描系统,然后对系统进行仿真分析,模拟系统出射光束偏转角度和能量分布随摆镜偏转角度的变化情况以及利用摆镜进行搜索的效果,最后对测距卫星进行实际观测试验。测量得到系统使用的二维摆镜的最小分辨率为0.2″,经激光发射系统扩束后,可以实现最小0.005″的搜索步长,控制频率在100 Hz以上。实际观测结果表明,使用摆镜提高回波率的方法是有效的,并且目标轨道高度越高效果越明显,因此可应用于深空目标激光测距系统。     

小角度摆动扫描控制系统的分析与实现

激光测距仪对摆动扫描控制系统提出了特殊的要求(摆动幅度为±0.125°,摆动频率为2～8 Hz)。在对系统进行建模与仿真分析的基础上,针对其中存在光栅码盘位置检测精度低、电机驱动电流小、易受外界干扰等问题,提出了一种新的工程实现方法。首先采用有限转角无刷直流力矩电机作为执行元件和挠性枢轴连接,可以减小力矩波动和机械摩擦;然后通过电学细分的方法提高光栅的分辨率;最后采用电流反馈和速度反馈相结合的PID控制策略提高系统的性能。试验结果表明：此方法可以满足摆动扫描控制系统对低转速、小角度、高精度控制的要求。     

基于DSP的数字伺服机构控制系统设计

为满足对直流无刷伺服机构的数字化控制,介绍了一种数字无刷直流电机伺服控制系统,以TMS320F2812型DSP为控制核心,包括中央处理电路,驱动电路,反馈电路等实现对直流无刷电机伺服系统的控制。该系统原理简单,易于实现,抗干扰能力强且控制精度高,控制效率好,已在某型伺服控制系统中广泛应用。     

傅里叶光谱仪的光程扫描控制系统设计

为实现高信噪比、高光谱分辨率的光谱探测性能,在时间调制型傅里叶变换光谱仪中,需要控制反射镜往复精密摆动,完成干涉光程差的均匀扫描调制。首先分析了光谱探测性能对光程扫描控制性能要求间的关系;在此基础上,针对星载干涉仪对光程差扫描的高性能要求,给出了一种基于极点匹配的控制器设计方法。该方法借助于状态反馈设计结果,采用易于工程应用的前项和前馈环节加以有效实现,简化了控制器的设计与实现难度。通过仿真试验,验证了该方法的有效性。     

大气成分临边探测光谱仪摆镜控制系统设计

星载大气成分临边探测光谱仪在采集高度方向上光信息时需要借助反射镜的反射, 为满足光谱仪扫描需求, 设计了一款扫描摆镜驱动控制系统, 并在地面模拟验证了扫描方向上的光谱数据采集。设计的驱动控制系统基于 STM32 微控制器, 采用 DRV8833C 电机驱动电路和闭环数字 PID 调节器, 利用有限转角直流无刷力矩电机作为光谱 仪摆镜控制系统的执行机构, 并使用 18 位单圈绝对值光电编码器作为位置传感器。进而搭建了摆镜控制系统和试验 平台, 利用光电自准直仪对摆镜系统性能进行试验验证, 测试了系统的指向精度。结果显示平均指向精度小于 12.15′′ , 最大偏差小于 19.6′′ , 最小偏差小于 7.46′′ , 满足工程预研阶段的主要指标要求。     

新型快速反射镜伺服系统设计

为了满足光电跟踪系统高精度跟踪的要求,针对一种新型内外框架式快速反射镜进行了详细的伺服系统设计。首先,对新型快速反射镜进行了数学建模,采用速度环与位置环相结合的双闭环控制方法,对位置校正环节和速度校正环节进行了参数设计。其次,以DSP 为实现平台,详细阐述了快速反射镜伺服系统的硬件组成。再次,对快速反射镜伺服系统的工作模式和软件工作流程进行了详细说明。最后,为了验证快速反射镜伺服系统的性能,进行了锁零实验和跟踪实验。实验结果表明:快速反射镜锁零时响应快速且稳态误差小于0.3,跟踪时跟踪误差均方根小于7。新型快速反射镜伺服系统能够满足光电跟踪系统对快速反射镜的快速性和高精度要求。     

基于DSP的舰载搜索雷达稳定平台交流伺服系统的设计

给出了一种基于DSP的舰载搜索雷达交流伺服控制系统的设计方法。采用高速数字信号处理芯片TMS320LF2407A作控制主体,交流变频器和交流无刷电机作驱动,采用先进的数字PID控制算法,组成全数字交流伺服系统,保证系统具有很高的精度、可靠的稳定性和良好的可扩展性。仿真试验表明该设计满足舰载雷达伺服控制系统的要求。     

Precise phase control of resonant MOEMS mirrors by comb-drive current feedback

Accurate phase detection and control of nonlinear resonant micro-opto-electro-mechanical system (MOEMS) mirrors are crucial to achieve stable scanning motions and high resolution imaging as needed in precision applications. This paper proposes a precise phase detection method for an electrostatic actuated MOEMS mirror and a novel digital phase locked loop (PLL) that uses an asynchronous logic for high precision driving and immediate phase compensation, while the clock speed is kept low. The phase of the mirror is detected by an amplified current signal, generated by the movement of the comb drive electrodes, transimpedance amplifiers and a simple comparator circuit. An analysis of the proposed detection method reveals that the pointing uncertainty scales with the product of the driving voltage, the curvature of the comb drive capacitance and the angular velocity of the MOEMS mirror at the zero crossing. The developed fast start-up procedure brings the MOEMS mirror to its maximum amplitude within less than 100 ms with a minimum on required prior knowledge of the used device. The low optical pointing uncertainty of 0.3 mdeg obtained in closed loop operation, allows 19000 pixels with a precision of 10 sigma at a scanning frequency of 2 kHz.     

基于dsPIC30F6010的无刷直流电机的控制系统

研究了基于dsPIC30F6010的无刷直流电动机有位置传感器法和反电势过零检测法两大调速系统。完成了硬件和软件的设计,并进行了测试。试验结果表明,电机起动稳定快速、正常,运转良好,具有较宽的调速范围,精度高,满足了无刷直流电动机高性能伺服控制的准确性与实时性的要求。     

某导弹随动系统改进设计

介绍了一种导弹随动系统,分析了该随动系统精度调试中驱动信号的生成和离轴信号的解调问题,以及由该困难导致的随动精度不足。随后提出了一种改进方法,通过在随动控制回路中增加一级反馈控制,实现随动误差的动态调整,即增大了随动精度又简化了调试过程。     

基于DSP的傅里叶变换红外光谱仪动镜控制系统设计

在直线扫描式高精度傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪系统的研制过程中,为了达到光谱图的质量和分辨率要求,提出了一种利用DSP芯片TMS320F28335作为控制器,直线电机运动平台带动动镜的系统设计方法。介绍了FTIR的优点以及TMS320F28335的性能特点,分析了FTIR系统的原理,详细阐述了电机控制系统的设计方案,给出了DSP、电机驱动器以及电机模块之间的硬件接口电路和软件实现方法。实验证明,该电机控制系统具有很好的稳定性和很高的运动精度,其位置运动精度能够达到0.1μm,保证动镜做稳定可靠的直线运动。