基于二维振镜与位置灵敏探测器的高精度激光跟踪系统

提出了一种基于二维振镜与位置灵敏探测器的高精度激光跟踪系统;基于光线追迹方法建立跟踪系统的几何光学模型,并对跟踪系统进行误差分析,通过仿真对激光跟踪系统的指向精度以及跟踪性能进行分析。仿真结果表明:在跟踪距离100 m处,跟踪系统的位置指向精度可达0.35 mm,角度指向精度为0.72″,跟踪范围为-10°～10°,最大跟踪速度可达3.6 rad/s,能够实现对远距离快速运动目标的高精度实时主动跟踪。     

基于激光跟踪仪的转台垂直度相交度检测方法

针对二维卫星调姿模拟转台的垂直度、相交度检测问题，提出了基于激光跟踪仪的非接触式检测方法，并与传统检测方法进行了对比实验。首先，提出了基于激光跟踪仪对二维转台的检测系统，并设计了转台检测工装。其次，分析了系统误差，对测量系统模型进行仿真分析。最后，使用激光跟踪仪采集工装测量点的空间坐标，分别拟合回转圆的空间平面方程，并利用圆心坐标计算回转轴。仿真结果表明，垂直度检测平均结果为了1.76″,相交度检测精度平均结果为0.02 mm;基于±5″的二轴转台实际测量结果与自准直仪检测结果垂直度相差0.53″,相交度结果与安装误差相差0.08 mm。最终结果表明激光跟踪仪的检测结果可信，为转台垂直度、相交度精度检测提供了一种简单有效的方法。     

地基观星系统设计及方法实现

星体作为定标标准源具有位置、辐射出射度稳定等优势,为得到其长期数据,研究了一套地基观星系统,实现对星体的长时间连续跟踪扫描。首先通过星体轨道预算模型推算其各时刻所处位置,确定赤道仪跟踪轨迹,使跟踪目标长期处在跟踪平台内的光谱仪视场。通过光谱仪观测待测星体,将测得数据进行处理,得到观测结果。实验允许跟踪精度最大误差为0.01°,经外场实验验证仪器跟踪精度为0.004°,验证了系统的稳定性、精确性完全满足实验需求,设备能够以较高精度实现对星体的跟踪观测,论证了该方法的可行性。最后,对实验的误差源进行了分析。     

可见光多波段激光合束系统设计北大核心CSCD

为了实现可见光波段不同波长多路激光的精密合束,设计了一套激光合束系统。通过长焦距镜头和高缩束倍率镜头配合大面阵光电探测器分别实现合束激光指向与位置的高精度、实时监测;通过高精度的角度调节平台和位置调节平台分别实现光束指向和位置监测误差的实时补偿。在完成光束指向、位置监测镜头的设计加工及精密装调后,获得位置监测装置的监测分辨率为0.054 mm,指向监测装置的监测分辨率为3.5μrad;在完成光束位置校正平台、指向校正两维摆镜、闭环控制系统合束流程的详细设计后,对合束系统的合束精度进行实验检测和误差分析。实验结果表明:合束系统短时间内针对稳定光束的合束精度为:指向6.17μrad,位置优于0.66 mm;长时间内针对缓慢漂移光束的合束精度为:指向18.46μrad,位置优于0.72 mm。因此,所设计的激光合束系统合束精度高,并且可及时对光束的漂移误差进行自动补偿,满足系统的应用要求。     

外场RCS目标特性测量标校误差分析及改进

在外场雷达目标RCS测量过程中,通常采用测量已知反射截面积的标准体(如标校球)作为标校基准,从而对雷达系统进行标校。标校球的标校精度对于雷达测量目标RCS值的准确性,有着十分重要的影响。文中在介绍外场RCS测量雷达采用的标校球定标方法的基础上,详细分析了标校过程中的几种主要误差来源及其影响,并有针对性的提出了提高标校精度的方法,有效提高外场RCS测量雷达标校精度。     

一种极化雷达校准信号源的设计与实现

为了校准极化雷达的接收通道,设计并实现了一种基于DDS软件编程技术的极化雷达校准信号源系统。给出了主要的硬件电路和软件设计方案。该系统将FPGA技术与DDS技术结合,在FPGA内部软件编程实现改进的DDS模块,充分利用了FPGA作为大规模芯片的资源优势和高速运算能力。系统能够产生高精度且稳定的任意雷达校准信号,可满足极化雷达标校的应用。     

基于PSD的微位移测量系统研究

为了提高激光跟踪仪的跟踪精度,改善激光跟踪仪性能,根据测量光斑在PSD上的坐标可实现光斑位移测量的原理,研究了提高微位移测量精度的方法,设计出一种由PSD传感器、ADS8556模数转换器和TMS320F28335数字信号处理器构成的高性能微位移测量系统.该系统在硬件设计中引入二阶有源低通滤波器消除了部分噪声干扰;在软件设计中通过误差补偿和数字滤波进一步提高了数据可靠性.加入抗干扰设计后,获得的二维坐标波动量峰峰值均在6μm以内.实验表明,该系统可获得高精度的光斑坐标,为激光跟踪仪精密跟踪奠定良好基础.     

面向特大齿轮的激光跟踪测量精度提升方法

为实现特大齿轮激光跟踪测量精度的提升,采用激光跟踪仪与柔性关节坐标测量臂相结合的测量方式,建立了基于激光跟踪多边测量方法的特大齿轮组合式测量网络。采用柔性关节坐标测量臂蛙跳技术确定激光跟踪仪全局坐标系与柔性关节坐标测量臂坐标系之间的坐标转换关系,实现不同站位下测量臂测量数据的空间配准。引入激光跟踪仪多边测量方法,摒弃其角度测量模块,建立激光跟踪多边测量位置参数标定模型,通过测量冗余数据并对其进行L-M优化迭代,以提高激光跟踪仪的全局控制精度。对建立的组合式测量网络进行仿真实验,分析对比测量数据,组合式测量网络的测量误差平均值为0.007 mm,误差标准差为0.004 mm,相同条件下,使用激光跟踪仪直接测量方法的测量误差平均值为0.044 mm。仿真实验分析表明,该方法显著提升了测量精度,满足了特大齿轮现场齿形测量的要求,具有较好的理论与工程应用价值。     

基于激光跟踪仪的机床导轨系统误差检测

针对机床导轨系统的误差补偿问题,提出一种基于激光跟踪仪的机床导轨误差检测方法。利用齐次坐标变换的方法建立导轨系统的误差模型,给出6项原始误差与空间误差的关系。在导轨系统的运动平台上选取不共线的3点,并利用激光跟踪仪检测出3点的空间坐标,然后逆用导轨系统误差模型,建立包含所有机床导轨系统原始误差的方程组,进而求得所有空间误差。实验中,分别利用误差检测方法和传统九线法检测导轨系统的偏摆误差,二者的检测结果一致性非常好,且最大差异只有0.74″,证明了该方法的有效性。相对于传统方法,基于激光跟踪仪的机床导轨误差检测方法操作简单、易于实现。     

随动式车载光电搜跟系统研究

为满足武器系统外场试验对目标、背景及干扰的数据采集及其它制导系统的性能验证,本文设计了一种随动式车载光电搜跟系统.利用光学跟踪平台实现对动态目标的搜索和跟踪,同时控制车载转台随动,车载转台可搭载导引头等其它光学探测设备,提高了系统的负载能力.针对系统延时带来的跟踪误差,采用卡尔曼滤波算法对目标位置进行预测.试验结果表明,加入预测算法后,跟踪平台运动更加平稳,跟踪精度得到提高.针对设备间由于坐标不一致及安装精度和零位偏差带来随动误差,通过位置补偿对随动控制指令进行修正,改善了随动观测精度.系统采用模块化设计,可靠性高,可用于武器系统的外场试验.     

Calibration of tracking systems in a surgical environment

The purpose of this paper was to assess to what extent an optical tracking system (OTS) used for position determination in computer-aided surgery (CAS) can be enhanced by combining it with a direct current (DC) driven electromagnetic tracking system (EMTS). The main advantage of the EMTS is the fact that it is not dependent on a free line-of-sight. Unfortunately, the accuracy of the EMTS is highly affected by nearby ferromagnetic materials. The authors have explored to what extent the influence of the metallic equipment in the operating room (OR) can be compensated by collecting precise information on the nonlinear local error in the EMTS by using the OTS for setting up a calibration look-up table. After calibration of the EMTS and registration of the sensor systems in the OR the authors have found the average euclidean deviation in position readings between the DC tracker and the OTS reduced from 2.9±1.0 mm to 2.1±0.8 mm within a half-sphere of 530-mm radius around the magnetic field emitter. Furthermore the authors have found the calibration to be stable after re-registration of the sensors under varying conditions such as different heights of the OR table and varying positions of the OR equipment over a longer time interval. These results encourage the further development of a hybrid magnetooptical tracker for computer-aided surgery where the electromagnetic tracker acts as an auxiliary source of position information for the optical system. Strategies for enhancing the reliability of the proposed hybrid magnetooptic tracker by detecting artifacts induced by mobile ferromagnetic objects such as surgical tools are discussed     

光电平台角位置信息摩擦观测补偿技术

为了提高光电伺服稳定平台的稳像精度,根据平台所受摩擦扰动作用原理,提出一种基于机构运行角位置信息的摩擦观测补偿方法。首先,建立光电伺服平台精确控制模型,并运用LuGre摩擦模型对平台所受摩擦力矩进行分析;然后,基于机构运行的角位置信息,采用最小二乘法进行加速度估计,设计基于机构运行角位置信息的扰动观测器进行摩擦观测补偿;最后,在Matlab/simulink中建立系统仿真平台,进行仿真及实验验证。将稳定平台安装于模拟转台上进行实验,给转台施加10 Hz正弦信号,对平台摩擦观测补偿前后的实验数据进行对比分析,实验结果表明,该补偿方案在模拟飞行转台以10 Hz频率做正弦运动的情况下,摩擦观测补偿前后,平台稳像精度由26 μrad减小到17 μrad,性能提升34.6%,该方法可以有效增强系统的抗干扰能力,提高系统稳定性能。     

采用温控和碘吸收池技术的发射激光稳频技术

多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速，为提高风场探测精度，从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中，分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移，设计并研制了种子激光器温控箱，通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移，将激光频率稳定在±50 MHz以内；针对激光频率的短期抖动，采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统，通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温，控温精度达0.03 ℃，提高了稳频精度，将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统，对发射激光稳频装置进行系统验证，连续4组风场观测结果表明:系统探测高度为17 km，绝大部分方差在4 m/s以下，满足测风激光雷达测量指标的要求。     

机载激光通信的重复自抗扰视轴稳定控制

机载激光通信的视轴稳定是建立激光通信链路的前提。针对通信终端载体的非线性扰动和扰动模型未知造成视轴稳态误差较大的问题,结合自抗扰控制与重复控制,提出了重复控制补偿自抗扰算法,以完全消除周期性稳态跟踪误差。仿真实验结果表明,与自适应PID控制方法相比,重复控制补偿自抗扰算法可以有效抑制平台的非线性扰动,提高了系统的稳态精度,并且具有较快的响应速度与较强的鲁棒性。     

远程红外探测系统瞄准线高精度稳定技术

瞄准线稳定精度是远程红外探测系统的关键指标之一,主要由伺服环路带宽和隔离度决定.介绍了远程红外探测系统的组成,分析了基于FSM的二级稳定技术的原理,建立了粗级稳定平台机电模型、精级稳定平台机电模型和光学传递函数模型,最终搭建了二级稳定伺服控制系统数学模型,通过分析带宽和隔离度传递函数,提出了扰动全补偿的边界条件,同时分析了影响稳定带宽和隔离度的主要因素,对比了二级稳定和传统稳定的稳定效果.仿真结果显示,系统速率稳定回路带宽提升至200 Hz,1 Hz隔离度可达－66 dB,实际测试稳定精度达到12 rad,满足远程红外探测系统对于稳定精度的要求.     

一种新型光电定向系统的设计与实现

叙述了采用650 nm激光器作为发射光源,用四象限光电探测器作为接收器,将接收到的4路信号通过放大、展宽电路,然后经过A/D转换器和单片机,准确地测量目标光源的方位。通过两维手动平移台控制激光器,并通过两维电控平移台控制四象限探测器,可以准确地得到光斑中心的坐标,然后通过上位机软件在计算机上直观地显示光斑的移动轨迹。该系统具有精度高、价格低、便于自动控制和操作方便的特点。     

采用自抗扰控制的空间激光通信精跟踪系统

空间激光通信的视轴稳定是激光通信链路建立的前提。针对通信终端载体的非线性扰动和扰动模型未知造成视轴稳态误差较大的问题,设计了自抗扰控制方法,并采用模糊控制理论自适应调整非线性状态误差反馈控制律中的相关参数。实验结果表明,与自适应PID控制方法相比,采用模糊自抗扰控制方法可以有效抑制平台的非线性扰动,并且具有较快的响应速度与较强的鲁棒性,可以满足系统的稳态精度要求。     

PDH激光稳频控制技术研究

针对多普勒测风激光雷达系统的应用需求,研制了一套结构紧凑、操作灵活的Pound-Drever-Hall(PDH)激光稳频系统。直接数字频率合成器(DDS)产生激光器高频相位调制信号,模拟混频器解调激光器的频率漂移信息,高集成度的数字信号处理器(DSP)作为稳频控制系统的心脏,负责整个稳频系统的总线控制、信号处理及比例积分微分(PID)伺服等。实验表明,在2.5h内激光器的相对频率漂移不超过±17kHz,其均方根(RMS)误差为5kHz,绝对频率稳定度优于200kHz。在主动对法布里-珀罗干涉仪(FPI)施加6 Hz固定扰动时,系统能够在30ms内迅速恢复稳定。满足直接探测多普勒测风雷达系统中0.1m/s测风精度的应用需求。     

机载多普勒激光雷达指向影响分析及定标

通过分析机载多普勒激光雷达测量模式特征,考虑飞机姿态测量精度的影响,仿真分析了径向速度误差,以及多视线反演水平风场的反演精度,按照文中仿真系统的输入参数,不考虑雷达系统频率检测误差,风速测量误差小于0.3 m/s。该结果为机载多普勒激光雷达平台设计和测量模式的选择提供了参考。在此基础上,提出了一种基于地面散射信号测量的激光指向定标方法,并通过激光雷达实测数据进行验证,指向定标精度优于0.2°。