激光主动跟踪系统的研究与应用

激光主动跟踪系统的研究与应用

0apt跟踪误差对通信束散角的影响.为了实现能耗、长距离和高速率空间激光通信，通信光束通常通过近折射极限角发射。在宇宙激光通信系统中，典型的波束传播角只有20rad级。此外，激光光束的远场光的输出分布类似于高斯分布，视轴的光功率密度最高。为了减小由于破坏ap的跟踪误差而通信光束的功率损失，需要正确地对称接收光束的光束，并将视轴的参考模量小于通信梁的分散角（2.3rad）。确保通过闭合误差造成的功率损失小于0.5db。1效果越好,效果越好复合轴APT分系统的最终跟踪精度主要取决于精跟踪伺服单元的跟踪精度,所以,精跟踪单元是复合轴APT的核心单元(图1).根据控制原理,提高跟踪系统的带宽,不仅可以减小动态滞后误差,而且还能对宽谱、有色噪声进行很好的抑制,特别是系统的跟踪带宽与平台振动的谱宽比越大,抑制效果越好;跟踪系统的伺服刚度越高,抑制振动效果越高,所以提高跟踪系统的带宽是减小系统跟踪误差的重要技术途径.然而,对于宽带的主动光电跟踪系统,除了优化系统保障其可靠性和鲁棒性外,还需要高谐振频率的伺服机构和高采样频率、高精度的脱靶量检测单元.为此,首先要保证CCD相机可以工作于高帧频下.光斑探测和信号处理存在一定延迟时间,该延迟时间对于控制系统而言,将降低控制系统的稳定相位裕量,进而影响系统的带宽和稳定性.为尽量减小该延迟时间对于控制系统的影响,通常需要保证面阵CCD的工作帧频为伺服带宽的10倍以上,一般粗跟踪系统闭环带宽为10～15Hz即可满足粗跟踪的精度要求.为有效校正粗跟踪的残余误差,要求精跟踪和粗跟踪的带宽比为20倍以上,因此精跟踪系统闭环带宽达到300Hz,于是要求CCD的工作帧频高达3000Hz.为获得较高的光斑信号信噪比,要求信标光具有较高的功率密度.本文针对上述几大问题,提出相应的解决方法.2关键技术的解决方法2.1粗精信标切换原理本文采用单信标光源,通过光学变倍实现信标束散角的粗精切换,粗信标束散角为10mrad、精信标束散角为1mrad.粗精信标切换原理如图2所示,信标光发射口径为20mm,通过单独的变倍镜组实现信标切换.变倍镜组不引入光路时,为精信标发射;变倍镜组引入光路时,为粗信标发射.2.2cd伪随机窗口读取技术CCD光斑检测和视频信号处理单元,其数学模型包括一个有限视场范围的比例环节KCCD、图像处理引起的延迟环节e-τs(τ为图像信号建立、信号处理、数据传输等原因所形成的时间滞后)和采样保持环节(1-eτ0s)/s(τ0为CCD一帧图像保持时间).为减小CCD光斑检测单元和视频信号处理单元对数字伺服单元的影响,需要使CCD的帧频达到闭环带宽的10倍以上,由此引起的相位稳定裕量减少不超过5.7°,确保对精跟踪单元的稳定影响较小.本文采用CCD伪随机窗口读出技术,其工作示意和读出时序如图3所示.在普通面阵CCD(1024×1024)的右下角(每帧开始串行顺序最新读出区域)开一个局部区域(80×80,区域3)作为精跟踪有效视窗,该单元为正常的时序驱动,而对于同一行中的其他单元(图中区域2)以快速时序读出;同理,对于精跟踪区域外的其他整行(区域3)也采用快速读出模式,通过以上时序和信号处理的巧妙设计,对大比例的无效区域进行高速率读出,可大大提高帧频.为此,探测器选用具有Processing转移、饱和自动溢出功能的高灵敏度面阵CCD,利用嵌入式FPGA实现面阵CCD的特殊时序控制,采用专用视频信号处理芯片实现图像处理,最终实现窗口数量可变、帧频可变(可达3000Hz)的智能数字CCD相机,为精跟踪带宽的提高提供保障.2.3开环境线数学模型压电陶瓷驱动器在超精密定位和微位移控制中具有其他驱动器无法比拟的优点:体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效率高、不发热、位移重复性好等,是比较理想的驱动器.图4中X、Y为振镜的两个运动平面,A、B、C为振镜的三个控制点,b为B和C控制点之间的距离,d为通过A、B、C三个控制点的圆的直径.其中:a=b23√,d=2b33√θx=[A−1/2(B+C)]/aθy=(B−C)/bZ=(A+B+C)/3(1)a=b23,d=2b33θx=[A-1/2(B+C)]/aθy=(B-C)/bΖ=(A+B+C)/3(1)其中:a、b由所选的振镜型号确定;θx、θy、Z分别等效为方位角、俯仰角和移动距离.振镜A、B、C三个控制点中任何一个点的电压值的变化都将引起该平面倾角的变化,该平面的变换过程就可以转换为X、Y两个方向的运动,从而可将光斑的脱靶量转化成为A、B、C三个控制点的电压模拟量控制其运动.PZT振镜伺服系统执行结构包括平面反射镜、PZT平台和PZT驱动器(图5、6).其数学模型可通过器件参数和实验测试采用数据拟合的方法得到.如果忽略X、Y两个轴之间的耦合影响,认为X轴和Y轴是相互独立的,则每轴方向的运动可等效为二阶振荡环节,用频响分析仪分别测出被控对象的方位和俯仰的频率特性曲线,经曲线拟合得出开环传递函数:GF(s)=ω2ns2+2ζωns+ω2n=8.9×107s2+1.3×104s+8.9×107(2)GF(s)=ωn2s2+2ζωns+ωn2=8.9×107s2+1.3×104s+8.9×107(2)其中:谐振频率ωn=2πfn=9240rad/s;阻尼因子ξ=0.7.2.4踪的实现精跟踪探测单元主要有两种探测器:(1)四象限光电二极管探测器QD,其优点是具有较高的探测灵敏度和采样频率,但是该检测机理导致在检测范围与灵敏度之间存在固有矛盾,而且其探测线性度不好,不利于高精度精跟踪的实现;(2)高帧频面阵CCD探测器,其特点是具有非常好的线性度,检测灵敏度不受检测范围限制,检测灵敏度只取决于光斑检测算法、光斑功率分布形式、光斑大小和光斑图像的信噪比.本文选用CCD探测器进行光斑检测.亚像元细分技术是提高精度检测的重要方法.本文提出浮动阈值的光斑质心算法,采用积分时间自适应控制技术抑制因链路距离或大气信道衰减变化引起的光斑功率变化,保持光斑大小稳定覆盖3～5个像素,使光斑的信噪比稳定,实现了10倍以上的亚像元细分能力,最终保证0.33μrad的检测精度.光斑质心检测采用嵌入式FPGA实现CCD图像处理,包括阈值自适应选取、剔除随机噪声、高速、高精度光斑质心算法和光斑光强估计等.3补偿函数的数字化根据图1系统组成,其伺服控制系统原理如图7所示.D/A转换单元其数学模型包括一个比例环节KDA和采样保持环节(1-eτ1s)/s,τ1为D/A采集卡的数据转换时间,该参数对系统影响较小.采用变结构伺服系统设计方法完成数字补偿控制函数设计,位置伺服控制为Ⅰ型系统.首先,要对输入信号进行谱分析,确定需要抑制的频率段,然后根据控制带宽、闭环频率响应峰值等指标设计Ⅰ型系统的各个转角频率,根据转角频率值给出模拟伺服控制函数,最后使用双线性变化法将模拟补偿控制函数数字化,得到数字控制补偿函数.其表达式为H(z)=0.5844z2−1.041z+0.4585z3−2.739z2+2.479z−0.7397(3)Η(z)=0.5844z2-1.041z+0.4585z3-2.739z2+2.479z-0.7397(3)式(3)的时域特征可表示为y(0)=0.6477x(−1)−1.14x(−2)+0.4947+2.715y(−1)−2.43y(−2)+0.7153y(−3)x(−3)(4)y(0)=0.6477x(-1)-1.14x(-2)+0.4947+2.715y(-1)-2.43y(-2)+0.7153y(-3)x(-3)(4)由式(4)可知,当前时刻的输出不仅与前3个时刻的输入有关,还与前3个时刻的输出有关.对应到精跟踪系统即为当前时刻输出的是光斑的脱靶量,该脱靶量是通过当前时刻的前3时刻所采用的光斑位置量x(0)、x(1)、x(2)与前3个光斑的脱靶量y(0)、y(1)、y(2)通过式(4)计算获得,实现数字补偿控制.4精跟踪残差残差控制精跟踪单元的开环对数幅频和相频特性曲线如图8所示,从开环特性曲线可以发现,精跟踪伺服系统的开环截止频率为333Hz,相位裕量为65.4°,保证了系统的稳定性,同时系统的带宽和伺服刚度满足系统要求.根据平台的振动功率谱生成时域振动曲线,输入到光学式视轴抖动平台振动模拟系统,作为复合轴APT跟踪实验系统的激励源,用于检验复合轴APT系统精跟踪单元抑制平台振动的能力.整套半实物仿真平台如图9所示.粗跟踪实现稳定跟踪后,其跟踪残差小于精跟踪视场,先启动精跟踪探测单元,不进行闭环控制,记录粗跟踪残差;然后启动精跟踪伺服系统,视轴立即被对准在精跟踪视场的中心,光斑脱靶量非常小,从而获得较高的跟踪精度,图10为精跟踪控制前后的光斑脱靶量时域曲线.粗精复合轴APT的跟踪精度取决于精跟踪单元,将粗跟踪残差作用于精跟踪单元,通过精跟踪单元的进一步抑制,获得的残差时域曲线如图11所示.由图11可以发现,精跟踪误差统计服从高斯分布,方差为σ=0.8μrad,最大跟踪误差δ=3σ=2.4μrad,通过精跟踪单元抑制,将粗跟踪残差抑制到小于3μrad.对残差的时域数据进行分析可以发现,精跟踪残差由低频包络和高频噪声构成;低频包络可视为动态滞后误差,高频噪声可视为平台振动残差和CCD光斑检测误差.通过对精跟踪进行谱分析,获得残差功率谱(图12).由图12可以发