倾斜镜串级多回路控制及其振动抑制技术研究

发布时间：2020-12-10 03:30

　　由于倾斜镜采用了高精度、快速响应的线性电机（音圈、压电）,加上弹性支撑方式,很容易获得高带宽、高分辨率的闭环性能。因此,倾斜镜在跟踪精度高达微弧度级或亚微弧度级的光电跟踪系统中起着必不可少的作用。在复合轴光电跟踪系统中,倾斜镜系统的功能在于校正粗跟踪残差以及抑制平台传递的扰动。综合探测精度以及目标识别的考虑,图像传感器（CCD、CMOS）通常作为精跟踪探测器。由于图像传感器的积分成像以及图像处理造成了控制系统时延,从而制约了倾斜镜系统的闭环带宽。特别是在振动条件下,由于动力学行为复杂,模型难以精确获得。另一个具有挑战性的问题来自于闭环控制中的振动测量及其提取,那么倾斜镜的控制方法就尤为关键。对于一个基于图像的倾斜镜跟踪控制系统,为了提高跟踪性能最有效的办法是提高带宽以增加控制系统的增益,但是在倾斜镜控制系统中的时延会限制控制系统的闭环带宽。系统中的时延主要包括两个方面:第一个是图像传感器采样频率,因为图像传感器成像需要大量的积分时间,另一个方面则是数据传输需要的时间。然而,很难减少跟踪回路的时延,因为积分时间太短会影响图像的成像质量,处理数据和传输数据需要时间是不容易减少的。其次,分析... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省

【文章页数】：92 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

复合轴跟踪系统示意图

倾斜镜串级多回路控制及其振动抑制技术研究2不可获缺的部件，在光路中控制光束的偏转，实现视轴（LineofSight，LOS）稳定与目标跟踪[15,16]。随着现代科技的发展，所观测的目标越来越远，因此要求所用相机的焦距长度越高，从而对于视轴稳定性的精度要求也越来越高。为了保证成像系统的质量，相机在两次曝光过程中的视轴抖动应尽可能小，以保证成像系统中的目标在图像中间且清晰稳定。如图1.2给出了同一相机在视轴稳定精度分别为8urad和15urad时获取的图像，前者清晰度明显高于后者[17]。倾斜镜的响应速度和跟踪精度在很大程度上决定了光电跟踪系统的跟踪性能，因此研究先进的倾斜镜控制算法以提高光电跟踪系统的视轴稳定性能受到广大科研人员的重视，成为国内外研究的热点。图1.2视轴稳定精度对成像质量的影响，引自文献[17]Figure1.2Influenceofvisualaxisstabilityaccuracyonimagingquality光电跟踪系统在应用中因平台工作而产生振动会对视轴稳定带来很大的危害，会严重影响系统对于目标的捕获及跟踪[18,19]。一般来说，基于倾斜镜的光电跟踪系统载体为船舶、车辆、飞机或卫星等，这些载体在工作过程中会因为环境的影响和自身的工作而产生宽频带的振动[20]。光电跟踪系统的安装方式有两种，一是直接安装在载体上，另一种是通过减振结构与载体相连。对于载体振动频带宽幅度大的情况，一般需要增加减振结构来抑制载体振动，达到被动隔振的效果。倾斜镜通常与跟踪机架组合形成复合轴系统，因此可以对载体产生的振动进行二级稳定，跟踪机架具有一定的被动减振能力和主动减振能力，主要对载体中幅值较大的振动进行抑制，倾斜镜可以对载体的全频带的振动进行抑制。倾斜镜与机架之间一般直接固定连接，倾斜镜基座受到的扰动即为跟踪机架衰?

倾斜镜串级多回路控制及其振动抑制技术研究4由表1.1可以得知使用音圈电机和压电陶瓷的各自优缺点。使用音圈电机驱动的倾斜镜的显著优点是质量轻且运动行程大，但是相较于压电陶瓷驱动的倾斜镜带宽较低。相反，压电陶瓷驱动的倾斜镜具有较高带宽而行程较校美国航天局（NASA）于20世纪80年代最先将倾斜镜应用于航天军事领域，之后美国的其他研究部门也开始跟进研究。近几十年来，随着生产技术的发展和应用领域的扩展，越来越多研究机构对倾斜镜进行生产研发，不断改进倾斜镜的设计以提升其性能。美国麻省理工学院（MIT）的林肯实验室（Lincolnlaboratory）作为最早开始进行倾斜镜研究的机构之一，于1990年设计出一款使用音圈电机驱动的高带宽快速反射镜（HighBandwidthSteeringMirror,HBSM）[23,24]，其用途是为了提高空间中激光通信的指向精度，如图1.3所示。图1.3MIT高带宽快速反射镜结构示意图，引自文献[23]Figure1.3StructuralschematicdiagramofMIT’sHBSM2007年，林肯实验室在HBSM的基础上进行改进，研制出了改进型快速反射镜（AdvancedFastSteeringMirror,AFSM）[25,26]，如图1.4所示。AFSM采用了新型的电磁驱动器和新型的柔性支撑结构。新型电磁驱动器电流热效应更小，可提供的加速度为4000g；新型的柔性支撑结构为弹性橡胶材料，其具有频率相关的阻尼特性。因此，AFSM具有更好的性能，其在控制带宽、角加速度等各方面性能超过了HBSM。

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本文编号：2908006