激光主動跟蹤系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

激光主動跟蹤系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

0apt跟蹤誤差對通信束散角的影響.為了實現(xiàn)能耗、長距離和高速率空間激光通信，通信光束通常通過近折射極限角發(fā)射。在宇宙激光通信系統(tǒng)中，典型的波束傳播角只有20rad級。此外，激光光束的遠場光的輸出分布類似于高斯分布，視軸的光功率密度最高。為了減小由于破壞ap的跟蹤誤差而通信光束的功率損失，需要正確地對稱接收光束的光束，并將視軸的參考模量小于通信梁的分散角（2.3rad）。確保通過閉合誤差造成的功率損失小于0.5db。1效果越好,效果越好復(fù)合軸APT分系統(tǒng)的最終跟蹤精度主要取決于精跟蹤伺服單元的跟蹤精度,所以,精跟蹤單元是復(fù)合軸APT的核心單元(圖1).根據(jù)控制原理,提高跟蹤系統(tǒng)的帶寬,不僅可以減小動態(tài)滯后誤差,而且還能對寬譜、有色噪聲進行很好的抑制,特別是系統(tǒng)的跟蹤帶寬與平臺振動的譜寬比越大,抑制效果越好;跟蹤系統(tǒng)的伺服剛度越高,抑制振動效果越高,所以提高跟蹤系統(tǒng)的帶寬是減小系統(tǒng)跟蹤誤差的重要技術(shù)途徑.然而,對于寬帶的主動光電跟蹤系統(tǒng),除了優(yōu)化系統(tǒng)保障其可靠性和魯棒性外,還需要高諧振頻率的伺服機構(gòu)和高采樣頻率、高精度的脫靶量檢測單元.為此,首先要保證CCD相機可以工作于高幀頻下.光斑探測和信號處理存在一定延遲時間,該延遲時間對于控制系統(tǒng)而言,將降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定相位裕量,進而影響系統(tǒng)的帶寬和穩(wěn)定性.為盡量減小該延遲時間對于控制系統(tǒng)的影響,通常需要保證面陣CCD的工作幀頻為伺服帶寬的10倍以上,一般粗跟蹤系統(tǒng)閉環(huán)帶寬為10～15Hz即可滿足粗跟蹤的精度要求.為有效校正粗跟蹤的殘余誤差,要求精跟蹤和粗跟蹤的帶寬比為20倍以上,因此精跟蹤系統(tǒng)閉環(huán)帶寬達到300Hz,于是要求CCD的工作幀頻高達3000Hz.為獲得較高的光斑信號信噪比,要求信標光具有較高的功率密度.本文針對上述幾大問題,提出相應(yīng)的解決方法.2關(guān)鍵技術(shù)的解決方法2.1粗精信標切換原理本文采用單信標光源,通過光學(xué)變倍實現(xiàn)信標束散角的粗精切換,粗信標束散角為10mrad、精信標束散角為1mrad.粗精信標切換原理如圖2所示,信標光發(fā)射口徑為20mm,通過單獨的變倍鏡組實現(xiàn)信標切換.變倍鏡組不引入光路時,為精信標發(fā)射;變倍鏡組引入光路時,為粗信標發(fā)射.2.2cd偽隨機窗口讀取技術(shù)CCD光斑檢測和視頻信號處理單元,其數(shù)學(xué)模型包括一個有限視場范圍的比例環(huán)節(jié)KCCD、圖像處理引起的延遲環(huán)節(jié)e-τs(τ為圖像信號建立、信號處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍蛩纬傻臅r間滯后)和采樣保持環(huán)節(jié)(1-eτ0s)/s(τ0為CCD一幀圖像保持時間).為減小CCD光斑檢測單元和視頻信號處理單元對數(shù)字伺服單元的影響,需要使CCD的幀頻達到閉環(huán)帶寬的10倍以上,由此引起的相位穩(wěn)定裕量減少不超過5.7°,確保對精跟蹤單元的穩(wěn)定影響較小.本文采用CCD偽隨機窗口讀出技術(shù),其工作示意和讀出時序如圖3所示.在普通面陣CCD(1024×1024)的右下角(每幀開始串行順序最新讀出區(qū)域)開一個局部區(qū)域(80×80,區(qū)域3)作為精跟蹤有效視窗,該單元為正常的時序驅(qū)動,而對于同一行中的其他單元(圖中區(qū)域2)以快速時序讀出;同理,對于精跟蹤區(qū)域外的其他整行(區(qū)域3)也采用快速讀出模式,通過以上時序和信號處理的巧妙設(shè)計,對大比例的無效區(qū)域進行高速率讀出,可大大提高幀頻.為此,探測器選用具有Processing轉(zhuǎn)移、飽和自動溢出功能的高靈敏度面陣CCD,利用嵌入式FPGA實現(xiàn)面陣CCD的特殊時序控制,采用專用視頻信號處理芯片實現(xiàn)圖像處理,最終實現(xiàn)窗口數(shù)量可變、幀頻可變(可達3000Hz)的智能數(shù)字CCD相機,為精跟蹤帶寬的提高提供保障.2.3開環(huán)境線數(shù)學(xué)模型壓電陶瓷驅(qū)動器在超精密定位和微位移控制中具有其他驅(qū)動器無法比擬的優(yōu)點:體積小、位移分辨率高、響應(yīng)速度快、輸出力大、換能效率高、不發(fā)熱、位移重復(fù)性好等,是比較理想的驅(qū)動器.圖4中X、Y為振鏡的兩個運動平面,A、B、C為振鏡的三個控制點,b為B和C控制點之間的距離,d為通過A、B、C三個控制點的圓的直徑.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由所選的振鏡型號確定;θx、θy、Z分別等效為方位角、俯仰角和移動距離.振鏡A、B、C三個控制點中任何一個點的電壓值的變化都將引起該平面傾角的變化,該平面的變換過程就可以轉(zhuǎn)換為X、Y兩個方向的運動,從而可將光斑的脫靶量轉(zhuǎn)化成為A、B、C三個控制點的電壓模擬量控制其運動.PZT振鏡伺服系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括平面反射鏡、PZT平臺和PZT驅(qū)動器(圖5、6).其數(shù)學(xué)模型可通過器件參數(shù)和實驗測試采用數(shù)據(jù)擬合的方法得到.如果忽略X、Y兩個軸之間的耦合影響,認為X軸和Y軸是相互獨立的,則每軸方向的運動可等效為二階振蕩環(huán)節(jié),用頻響分析儀分別測出被控對象的方位和俯仰的頻率特性曲線,經(jīng)曲線擬合得出開環(huán)傳遞函數(shù):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:諧振頻率ωn=2πfn=9240rad/s;阻尼因子ξ=0.7.2.4蹤的實現(xiàn)精跟蹤探測單元主要有兩種探測器:(1)四象限光電二極管探測器QD,其優(yōu)點是具有較高的探測靈敏度和采樣頻率,但是該檢測機理導(dǎo)致在檢測范圍與靈敏度之間存在固有矛盾,而且其探測線性度不好,不利于高精度精跟蹤的實現(xiàn);(2)高幀頻面陣CCD探測器,其特點是具有非常好的線性度,檢測靈敏度不受檢測范圍限制,檢測靈敏度只取決于光斑檢測算法、光斑功率分布形式、光斑大小和光斑圖像的信噪比.本文選用CCD探測器進行光斑檢測.亞像元細分技術(shù)是提高精度檢測的重要方法.本文提出浮動閾值的光斑質(zhì)心算法,采用積分時間自適應(yīng)控制技術(shù)抑制因鏈路距離或大氣信道衰減變化引起的光斑功率變化,保持光斑大小穩(wěn)定覆蓋3～5個像素,使光斑的信噪比穩(wěn)定,實現(xiàn)了10倍以上的亞像元細分能力,最終保證0.33μrad的檢測精度.光斑質(zhì)心檢測采用嵌入式FPGA實現(xiàn)CCD圖像處理,包括閾值自適應(yīng)選取、剔除隨機噪聲、高速、高精度光斑質(zhì)心算法和光斑光強估計等.3補償函數(shù)的數(shù)字化根據(jù)圖1系統(tǒng)組成,其伺服控制系統(tǒng)原理如圖7所示.D/A轉(zhuǎn)換單元其數(shù)學(xué)模型包括一個比例環(huán)節(jié)KDA和采樣保持環(huán)節(jié)(1-eτ1s)/s,τ1為D/A采集卡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間,該參數(shù)對系統(tǒng)影響較小.采用變結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)設(shè)計方法完成數(shù)字補償控制函數(shù)設(shè)計,位置伺服控制為Ⅰ型系統(tǒng).首先,要對輸入信號進行譜分析,確定需要抑制的頻率段,然后根據(jù)控制帶寬、閉環(huán)頻率響應(yīng)峰值等指標設(shè)計Ⅰ型系統(tǒng)的各個轉(zhuǎn)角頻率,根據(jù)轉(zhuǎn)角頻率值給出模擬伺服控制函數(shù),最后使用雙線性變化法將模擬補償控制函數(shù)數(shù)字化,得到數(shù)字控制補償函數(shù).其表達式為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)的時域特征可表示為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,當(dāng)前時刻的輸出不僅與前3個時刻的輸入有關(guān),還與前3個時刻的輸出有關(guān).對應(yīng)到精跟蹤系統(tǒng)即為當(dāng)前時刻輸出的是光斑的脫靶量,該脫靶量是通過當(dāng)前時刻的前3時刻所采用的光斑位置量x(0)、x(1)、x(2)與前3個光斑的脫靶量y(0)、y(1)、y(2)通過式(4)計算獲得,實現(xiàn)數(shù)字補償控制.4精跟蹤殘差殘差控制精跟蹤單元的開環(huán)對數(shù)幅頻和相頻特性曲線如圖8所示,從開環(huán)特性曲線可以發(fā)現(xiàn),精跟蹤伺服系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率為333Hz,相位裕量為65.4°,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時系統(tǒng)的帶寬和伺服剛度滿足系統(tǒng)要求.根據(jù)平臺的振動功率譜生成時域振動曲線,輸入到光學(xué)式視軸抖動平臺振動模擬系統(tǒng),作為復(fù)合軸APT跟蹤實驗系統(tǒng)的激勵源,用于檢驗復(fù)合軸APT系統(tǒng)精跟蹤單元抑制平臺振動的能力.整套半實物仿真平臺如圖9所示.粗跟蹤實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤后,其跟蹤殘差小于精跟蹤視場,先啟動精跟蹤探測單元,不進行閉環(huán)控制,記錄粗跟蹤殘差;然后啟動精跟蹤伺服系統(tǒng),視軸立即被對準在精跟蹤視場的中心,光斑脫靶量非常小,從而獲得較高的跟蹤精度,圖10為精跟蹤控制前后的光斑脫靶量時域曲線.粗精復(fù)合軸APT的跟蹤精度取決于精跟蹤單元,將粗跟蹤殘差作用于精跟蹤單元,通過精跟蹤單元的進一步抑制,獲得的殘差時域曲線如圖11所示.由圖11可以發(fā)現(xiàn),精跟蹤誤差統(tǒng)計服從高斯分布,方差為σ=0.8μrad,最大跟蹤誤差δ=3σ=2.4μrad,通過精跟蹤單元抑制,將粗跟蹤殘差抑制到小于3μrad.對殘差的時域數(shù)據(jù)進行分析可以發(fā)現(xiàn),精跟蹤殘差由低頻包絡(luò)和高頻噪聲構(gòu)成;低頻包絡(luò)可視為動態(tài)滯后誤差,高頻噪聲可視為平臺振動殘差和CCD光斑檢測誤差.通過對精跟蹤進行譜分析,獲得殘差功率譜(圖12).由圖12可以發(fā)