激光对准快速反射镜控制系统的设计

为了校正激光发射设备中激光对准光路的偏差,设计了一种激光对准快速反射镜控制系统。采用步进电机作为驱动,控制快速反射镜在互相垂直的两个方向进行运动,校正激光光路的偏差,达到了精确控制激光光路的目的。对激光对准快速反射镜的工作原理和设计过程进行了详细阐述,并利用对准控制机箱等硬件设备对软硬件设计进行了实验验证,取得了较好的实验数据。结果表明,快速反射镜控制系统在小角度工作范围内方位误差和俯仰误差均方根都小于1,即控制精度小于1。该系统能够很好地控制快速反射镜进行2维运动,软件设计和硬件设计都是正确可靠的,能够满足激光对准控制系统精确控制激光光路的要求。     

一种共光路自动对准系统

强激光发射装置和光电跟踪系统中,光学器件多,光路复杂,光学机械零件位置的相对移动会使光轴平行度偏离,为此提出一种共光路自动对准系统.基于对准原理,利用激光发射光路,建立上、下行基准光束,使之分别与系统轴系、出射激光平行,并且通过自准直CCD测角仪测出上、下行光路的角偏差值,控制信号驱动快速控制反射镜,使快速控制反射镜两轴转动到角偏差为零值,实现发射激光与一级扩束系统对准及一级扩束系统与跟瞄系统之间的精密自动对准.实验结果表明,对准后的光轴平行度为5.21",快速控制反射镜的闭环精度不大于5".     

激光通信系统中快速反射镜控制技术研究

为满足激光通信系统跟踪精度的要求,采用快速反射镜系统作为精跟踪控制核心.选用大行程、高分辨率、高带宽的音圈电机驱动快速反射镜,对音圈电机控制方法进行了研究.首先,定性分析了快速反射镜系统的组成及工作原理.然后,根据音圈电机的等效电路模型进行建模分析,得到快速反射镜的传递函数模型.最后,介绍了模拟控制器的设计原理,给出了比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivati ve,PID)电路、位置检测电路以及功率放大电路的具体设计.实验结果表明,设计的快速反射镜的角分辨率为1 μrad,重复定位精度为3 μrad,闭环带宽(-3 dB)为300 Hz@1 mrad,满足激光通信系统稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求.     

一点对多点同时空间激光通信光学跟瞄技术研究

为了实现一点对多点同时空间激光通信,对系统的光学跟瞄技术进行了研究。简述了系统总体方案,推导了捕获、瞄准、跟踪(APT)系统工作流程、捕获对准和粗跟踪过程中脱靶量与反射镜转动之间的关系。对跟瞄过程中的多执行器联动控制、图像处理识别与定位和双镜交接低误码控制等关键技术进行了深入研究。介绍了多点同时激光通信原理样机与实验。实验结果表明:原理样机的同时空间激光通信终端达3个,通信范围方位角为360°,俯仰角为±19°,从而验证了光学原理与跟瞄技术的可行性。     

扫描干涉场曝光光束自动对准及其收敛性分析

光束自动对准技术是扫描干涉场曝光系统中的关键技术之一,两曝光光束位置与角度的重合程度直接影响所制作光栅掩模的槽型质量。针对光束对准过程中光束调整的两个运动维度之间存在相互耦合的情况,推导了存在耦合时对准算法的收敛条件,并分析了光路中反射镜与解耦平面之间存在的装调误差对对准性能的影响。分析得出,装调误差降低了光束对准系统性能,甚至导致对准算法发散,通过调节光路中反射镜M_2和解耦平面的距离L_2与反射镜M_1和解耦平面的距离L_1的比值L_2/L_1可以优化系统的收敛性能。实验结果表明,当L_2/L_1较大时对准系统调节性能较差,收敛速率较低;当L_2/L_1较小时光束对准系统可以快速地收敛到目标位置,有效地对光束进行对准调节。推导证明与模拟分析可为光束对准系统以及整个曝光光路的设计提供理论指导。     

用于深空探测快速反射镜的电磁驱动

为了实现深空探测系统对成像光束的高速和高精度控制,以?50 mm×4 mm的单晶硅反射镜作为负载,采用理论和仿真分析相结合的方法,对音圈电机驱动的快速反射镜进行了理论分析和实验验证。给出了该快速反射镜的一般构成、工作原理及数学模型,采用有限元法分析计算了音圈电机线圈、永磁体和气隙尺寸对驱动力矩的影响,最后设计、制作了快速反射镜样机,并进行了测试。结果表明,快速反射镜的转角范围大于±1°,带宽(3 dB)大于500 Hz。该研究结果有助于推广光学快速反射镜在深空探测、激光通信、光电对抗等领域的应用。     

利用二维反射镜实现无线光通信快速对准

针对无线光通信存在光束对准耗时长的问题,提出一种发射端采用图像跟踪,接收端采用二维反射镜控制的光束快速对准方法。依据几何光学理论计算了激光经二维反射镜后出射的扫描轨迹,并在无线光通信强度调制/直接检测系统上开展实验。实验结果表明：当通信距离为1.3 km时,光斑型心在x(y)方向的方差由跟踪前的12.5734 pixel²(5.1393 pixel²)降至跟踪后的2.2770 pixel²(1.3697 pixel²),探测器输出电信号的幅值为92.4 mV;当通信距离为10.3 km时,光斑型心在x(y)方向的方差由跟踪前的18.8653 pixel²(10.5290 pixel²)降至跟踪后的14.4970 pixel²(8.0287 pixel²),探测器输出电信号的幅值为74.4 mV。所提方法无需将控制信号由接收端回传至发射端,在快速建立下行链路的同时即可实现上行链路的建立。     

磁阻式快速反射镜电磁驱动特性研究

为了实现结构紧凑高效的快速反射镜，对磁阻式电磁驱动进行研究。先对磁阻式电磁驱动的工作原理、结构组成、理论模型进行详细分析，然后采用有限元方法分析计算了永磁体、线圈、气隙等尺寸参数对驱动力矩的影响，最后设计、制作了磁阻式快速反射镜样机并进行测试，结果表明：快速反射镜外形尺寸为Φ32 mm×38 mm,行程大于±1°,X、Y轴的阶跃响应上升时间分别为15.9 ms和13.5 ms,带宽大于400 Hz。研究结果有助于掌握磁阻式电磁驱动的特性，由此设计的快速反射镜具有低功耗和结构紧凑的特点，适合在空间激光通信等领域应用。     

空间光通信中GPS辅助快速捕获对准技术

基于GPS坐标解算空间光通信终端初始对准的方位角和俯仰角,实现了信标光的快速捕获对准.给出了GPS坐标解算算法,根据解算得到的角度和自身姿态信息计算二维转台的指向角,以此驱动转台快速指向目标.测试了不同调整角度的初始对准误差和时间.进行了外场捕获对准实验,并对实验数据进行了分析,结果表明该系统可以用于快速建立空间激光通信链路.     

非线性PID自抗扰控制在快反镜温控系统中的应用

为抑制快速反射镜开机温漂，以及实现快速反射镜在设定温度条件下正常工作，设计了温度控制系统与新型控制方案，来实现对快速反射镜温度的精确控制。温控系统以单片机为核心控制元件，热电制冷器为执行元件。设计基于小波去噪的非线性比例-积分-微分自抗扰控制方案，通过基于Sigmoid个性化惯性权重的粒子群优化算法整定控制参数，进行仿真和实验。结果表明，此控制方案能有效抑制快速反射镜的开机温漂，在15～28℃的控温范围内，控温精度达到±0.02℃，可在142 s内稳定在预设温度。所设计的温控系统响应速度快、控制精度高，鲁棒性强，具有较好的应用价值。     

基于双前馈+双神经网络自适应快速反射镜的解耦控制

基于柔性铰链结构支撑和音圈电机驱动的两轴快速反射镜是一个两输入两输出强耦合系统,X轴和Y轴间的耦合大幅降低了反射镜的定位精度,采用传统的PID控制算法很难实现高精度的解耦控制。针对中心对称和轴对称结构形式的两轴快速反射镜,理论分析了两轴快速反射镜耦合来源—直流耦合分量和非直流耦合分量;建立了X轴和Y轴间的耦合物理模型;提出的双前馈+双神经网络自适应解耦控制算法分别补偿直流耦合分量和非直流耦合分量。实验结果表明:该控制算法与传统的PID控制算法相比,耦合度从5%左右降低到1.0‰以内,从而定位精度从2.5%左右提高到0.5‰以内。     

大口径快反镜面形测试系统设计

大口径快速反射镜（快反镜）常被应用于空间光通信和激光武器等领域。为实现工作状态下大口径快反镜面形误差的实时检测,设计了大口径快反镜面形测试系统。该系统的口径参数为400 mm,工作波长为633 mm,由离轴式前置扩束系统和焦面附件系统组成。对测试系统的设计参数及元件参数选择进行了阐述,设计和仿真了光学系统结构,并基于光机热集成分析获得温度变化对光学系统的影响。测试大口径快反镜面形测试系统后结果表明该系统可实现实时记录和高精度测量,且在温度变化的工作环境下也可实现稳定测量,其测量稳定性为0.048λ（RMS,λ=633 nm）。     

快反镜在高功率连续激光辐照下的热性能分析

为了研究高功率连续激光辐照过程中快反镜的热性能变化问题,文中利用多物理场仿真分析软件建立了融凝石英（fused silica）、微晶（zerodur）、碳化硅（SiC）三种材料制作的快反镜传热学和结构力学耦合非稳态模型,通过泽尼克多项式算法对高功率激光辐照快反镜热应力下的光学波前进行拟合。研究结果表明:在同等激光功率辐照条件下,微晶材料制作的快反镜温升最小,形变最小。根据仿真结果优选微晶作为快反镜镜体材料,基于泽尼克多项式对快反镜波前热畸变进行仿真分析,计算得到波前热像差以活塞、球差、离焦等为主导,可为波前校正工程应用提供理论参考。     

基于PQ法的惯性/光机复合指向控制方法

为了进一步提升机动平台的遥感侦查能力,在惯性稳定平台的基础上,结合光电探测信息通路中的快速反射镜,构成惯性/光机复合指向系统,借助快返镜的快速运动补偿惯性稳定回路的伺服误差,可有效提高探测光轴的稳定精度与指向跟踪的机动性能。将惯性稳定回路与快反镜控制回路转化为平行的双入单出系统,针对两者作用频带与作动范围的差异,提出一种惯性/光机复合指向控制方法,解决系统中惯性稳定机架指向与快反镜指向叠加的稳定性匹配和频带分解问题,从而提升光轴的稳定精度和机动性能。仿真结果表明:加入了快反镜的惯性稳定平台的误差有显著减小,其跟踪误差量从0.018减小到0.005以内,验证了控制器设计的有效性。     

Design and performance test of a two-axis fast steering mirror driven by piezoelectric actuators

A novel design of a two-axis fast steering mirror (FSM) with piezoelectric actuators is proposed for incoherent laser beam combination. The mechanical performance of the FSM is tested. The results show that the tilting range of the mirror is about 4 mrad, and the 1st-order resonance frequency is about 250 Hz. A self-designed grating encoder is taken as the sensor, which ensures the optimal precision of 10 μrad. The novel mechanical design can meet the requirement of engineering in incoherent laser beam combination.     

基于模型预测控制的大口径快摆镜随动系统

为了满足地基大口径望远镜精密稳像系统的需求,对大口径快摆镜(FSM)的控制方法进行了研究。为了解决三促动器FSM的运动解耦为系统辨识带来的困难,通过解析法和系统辨识法相结合建立了FSM的传递函数模型。依据该模型,设计了PID控制器与模型预测控制器(MPC),采用仿真和实验两种方式比较了两种控制器的效果。仿真结果表明,在受到阶跃扰动后,MPC控制器的恢复速度是PID控制器的45倍。在50 Hz正弦信号下,由于FSM的大惯量特点,PID控制器有严重的时滞,而MPC控制器能以1.224×10^-6″的误差稳定跟随。在噪声抑制方面,对实时加入10%幅值噪声的随机信号,MPC控制器的噪声抑制效果是PID控制器的13.3倍。实验结果表明,MPC控制器能以0.430″的误差稳定跟随50 Hz正弦信号,其跟踪精度是PID控制器的3.212倍,采用MPC控制器的快摆镜能满足快摆镜高带宽和高精度的需求。     

柔性轴承有轴系快速反射镜结构设计

快速反射镜是自适应光学中重要的光学元件,比较了有轴系和无轴系快速反射镜两种结构形式的性能,分析了不同的工作特点和应用特征,在此基础上设计了一种新的有轴系快速控制反射镜结构。轴系利用柔性轴承无摩擦、转角大的特点,通过分析计算提出了适用的参数,选择了相应的柔性轴承.该设计结合了有轴系和无轴系快速反射镜的优点,提出了一种具有发展前景的快速反射镜结构。     

主被动双光复合系统平行度校正研究

针对主被动双光复合系统中存在激光主动发射视场与红外被动成像视场平行度（一一对应位置）偏差问题，提出了主被动双光复合系统平行度校正方法，并开展了理论研究和实物仿真测试。首先，推导了激光主动发射视场与快速反射镜（Fast Steering Mirror，FSM）角度对应关系；其次，根据激光发射视场与红外探测视场提出了一种基于多项式拟合的平行度修正校正方法；最后，通过构建实际测试平台，进行平行度标定、求解、修正。试验结果表明:在±1.4°的激光指示视场和±1.4°的红外中心视场中，经过系统平行度修正后，实际平行度偏差可由0.8 mrad降低至0.1 mrad，进一步提高激光对目标的指向精度。