舰载激光通信视轴稳定控制技术研究
发布时间：2021-07-26 23:08
视轴稳定控制技术是激光通信系统的关键技术,该控制技术目标实现激光通信端机之间建立收发链路并在长时间内高精度对准,是实现激光通信的前提条件。但是,在复杂海况环境下,舰载激光通信系统受海浪摇摆、船体运动导致的六自由度姿态扰动及系统内部非线性扰动的影响,激光视轴不能稳定于目标终端探测器靶面,导致激光通信技术不能成功实现。对于克服复杂海况环境和保证高精度视轴对准指标的双重要求,传统的控制策略已经不能满足激光通信视轴对准精度的设计需要,因此必须研究有效的现代控制方法建立激光通信视轴稳定控制系统实现视轴高精度控制。本文从以下四个方面进行研究分析以提高激光视轴的对准精度:其一,研究高精度伺服转台控制技术,该技术是实现视轴高精度跟踪控制的基础和保证。转台伺服控制器采用现代控制的设计思想,将力矩不均、摩擦力、系统参数摄动等非线性扰动统一归结为非线性因素进行理论研究,通过设计鲁棒性强的滑模控制算法实现对非线性扰动的整体抑制,进而保证对伺服转台的高精度控制。其二,研究海浪及舰船运动姿态扰动前馈补偿技术,该技术为姿态扰动一级隔离技术。本文分别分析海浪导致的船体艏摇、横摇、纵摇以及舰船前进、横漂、起伏运动对视轴...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电磁频谱示意图
第1章绪论3图1.2空间无线激光通信网Figure1.2SpaceWirelessLaserCommunicationNetwork1.1.2舰载激光通信控制技术概述随着我国海洋装备的不断建设和发展，激光通信技术在舰-舰、舰-岛间的应用具有迫切的需求和广阔的应用空间，尤其体现在军事电子、信息对抗领域对具有高带宽、高速率、防窃听特点的通信技术要求[13]。同时，海上激光通信技术是天地一体信息网络建设的主要组成部分，研究海上舰载激光通信技术符合时代前进发展的需求，对激光通信技术的发展具有重要意义，为此，本论文确定了舰载激光通信技术的研究方向。然而，与星载、地基激光通信技术不同的是，复杂的海洋环境导致舰载激光通信系统面临着更为严峻的技术难题，其环境特点可概述为以下两个方面：1)近海大气随机波动导致的大气湍流效应更加明显，激光在近海环境中传输会有更明显的光斑闪烁、漂移、散射等现象，进而导致激光通信链路功率衰减严重，影响通信质量，为保证足够的通信功率，对控制分系统具有更高的视轴对准精度指标要求；2)海上环境受风浪影响，激光通信系统所在的舰船平台不稳定，同时考虑舰船运动的影响，激光通信视轴会受到横尧纵尧艏尧前进、横漂、起伏六自由度的姿态扰动影响[14-16]，姿态扰动的存在进一步加大了控制系统建立通信链路及保证视轴稳定性的技术难度，舰船六自由度运动如图1.3所示。
舰载激光通信视轴稳定控制技术研究4图1.3舰船六自由度运动示意图Figure1.3Six-degreesofFreedomMotionforaMarineVessel此外，激光通信系统内部非线性扰动也是制约控制精度提高的关键因素，例如力矩不平衡导致控制系统输出失调、机械结构轴系间的摩擦力、电气非线性噪声、探测目标成像时间滞后、机械结构运行中温度变化导致控制系统模型参数摄动等问题严重影响控制系统的动态性能、精度及稳定性。因此，在远距离、复杂环境干扰的海洋环境及内部非线性扰动的影响下，研究有效的控制策略隔离外界环境姿态扰动、克服自身非线性因素影响以完成高动态性能的目标跟踪并实现微弧度级的视轴对准精度，是舰载激光通信系统需要解决的关键问题。目前，舰载激光通信系统采用粗、精二级跟踪技术，其中粗跟踪控制系统以伺服转台为执行机构，力矩大、视场宽广，能够实现目标光斑的捕获、瞄准、跟踪，是主动隔离外界姿态扰动的关键环节；精跟踪控制系统以快速反射镜为执行机构，视场范围孝动态性能好，能进一步提高视轴对准精度，是系统的第二级跟踪机构[17-18]。实际中，舰载环境对激光通信系统的影响主要体现在第一级粗跟踪控制环节，因此，研究粗跟踪控制方法，在舰载复杂环境下实现视轴高精度对准是本论文研究的重要内容，也是激光通信实现精跟踪并建立通信链路的前提条件。激光通信系统启动伊始，粗跟踪控制系统在不确定区域内执行螺旋扫描运动，直至发现目标光斑并进入粗跟踪视场三分之一时，执行粗跟踪模式，通过转动方位、俯仰结构将目标光斑调整至视场中心；粗跟踪视轴一旦稳定且对准精度满足精跟踪执行要求，系统立即将粗跟踪调整为精跟踪，通过控制快速反
【参考文献】：
期刊论文
[1]“实践”二十号卫星:跨代之作 引领未来[J]. 本刊编辑部. 中国航天. 2020(01)
[2]面向毫米波波束跟踪的扩展卡尔曼滤波算法研究[J]. 辛鑫,杨焱. 微波学报. 2019(06)
[3]提高大口径望远镜控制系统闭环带宽的方法[J]. 邓永停,李洪文,王建立. 红外与激光工程. 2018(12)
[4]2 m级望远镜跟踪架控制系统动态性能分析[J]. 邓永停,李洪文,陈涛. 光学精密工程. 2018(03)
[5]基于双重扩展卡尔曼滤波器的共轴跟踪技术研究[J]. 杨宏韬,高慧斌,刘鑫. 红外与激光工程. 2016(05)
[6]从EDRS看国外空间激光通信发展[J]. 贾平,李辉. 中国航天. 2016(03)
[7]动基座光电平台视轴自稳定控制系统设计[J]. 张玉良,耿天文,刘永凯. 国外电子测量技术. 2015(09)
[8]一点对多点同时空间激光通信光学跟瞄技术研究[J]. 姜会林,江伦,宋延嵩,孟立新,付强,胡源,张立中,于笑楠. 中国激光. 2015(04)
[9]基于极大后验估计的自适应容积卡尔曼滤波器[J]. 丁家琳,肖建. 控制与决策. 2014(02)
[10]空间激光通信发展概述[J]. 吴从均,颜昌翔,高志良. 中国光学. 2013(05)
博士论文
[1]基于信息融合的运动平台光电跟踪控制技术研究[D]. 罗勇.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]时间误差对自由空间光通信影响的分析验证与补偿研究[D]. 李亚添.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[3]大气激光通信数字相干探测关键技术研究[D]. 李学良.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[4]基于神经网络的光纤陀螺误差补偿和平台稳定控制技术研究[D]. 崔慧敏.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[5]基于多信息源数据融合的光电跟踪系统精度提高方法的研究[D]. 杨宏韬.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[6]4m级望远镜主轴交流伺服控制系统研究[D]. 邓永停.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[7]近海激光通信大气影响分析及抑制方法研究[D]. 高世杰.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[8]基于前馈控制的舰载光电跟瞄关键技术[D]. 吕舒.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[9]雷达机动目标运动模型与跟踪算法研究[D]. 刘昌云.西安电子科技大学 2014
[10]提高舰载光电设备跟踪精度的关键技术研究[D]. 张艳.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
硕士论文
[1]基于能量反馈的单模光纤耦合算法研究[D]. 朱世伟.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]基于DPSK调制与自差平衡探测的无线激光通信系统研究[D]. 丁良.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[3]舰载激光通信终端的视轴稳定控制方法研究[D]. 毛昉.重庆理工大学 2019
[4]针对低慢小目标的激光武器粗瞄控制系统研究与设计[D]. 李乐.哈尔滨工业大学 2018
[5]舰载光电跟踪视轴稳定技术[D]. 刘翔.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[6]舰载稳定平台控制系统设计与研究[D]. 张洪亮.南京航空航天大学 2010
[7]大气激光通信系统中APT技术研究[D]. 闫景富.长春理工大学 2004
本文编号：3304553
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：162 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电磁频谱示意图
第1章绪论3图1.2空间无线激光通信网Figure1.2SpaceWirelessLaserCommunicationNetwork1.1.2舰载激光通信控制技术概述随着我国海洋装备的不断建设和发展，激光通信技术在舰-舰、舰-岛间的应用具有迫切的需求和广阔的应用空间，尤其体现在军事电子、信息对抗领域对具有高带宽、高速率、防窃听特点的通信技术要求[13]。同时，海上激光通信技术是天地一体信息网络建设的主要组成部分，研究海上舰载激光通信技术符合时代前进发展的需求，对激光通信技术的发展具有重要意义，为此，本论文确定了舰载激光通信技术的研究方向。然而，与星载、地基激光通信技术不同的是，复杂的海洋环境导致舰载激光通信系统面临着更为严峻的技术难题，其环境特点可概述为以下两个方面：1)近海大气随机波动导致的大气湍流效应更加明显，激光在近海环境中传输会有更明显的光斑闪烁、漂移、散射等现象，进而导致激光通信链路功率衰减严重，影响通信质量，为保证足够的通信功率，对控制分系统具有更高的视轴对准精度指标要求；2)海上环境受风浪影响，激光通信系统所在的舰船平台不稳定，同时考虑舰船运动的影响，激光通信视轴会受到横尧纵尧艏尧前进、横漂、起伏六自由度的姿态扰动影响[14-16]，姿态扰动的存在进一步加大了控制系统建立通信链路及保证视轴稳定性的技术难度，舰船六自由度运动如图1.3所示。
舰载激光通信视轴稳定控制技术研究4图1.3舰船六自由度运动示意图Figure1.3Six-degreesofFreedomMotionforaMarineVessel此外，激光通信系统内部非线性扰动也是制约控制精度提高的关键因素，例如力矩不平衡导致控制系统输出失调、机械结构轴系间的摩擦力、电气非线性噪声、探测目标成像时间滞后、机械结构运行中温度变化导致控制系统模型参数摄动等问题严重影响控制系统的动态性能、精度及稳定性。因此，在远距离、复杂环境干扰的海洋环境及内部非线性扰动的影响下，研究有效的控制策略隔离外界环境姿态扰动、克服自身非线性因素影响以完成高动态性能的目标跟踪并实现微弧度级的视轴对准精度，是舰载激光通信系统需要解决的关键问题。目前，舰载激光通信系统采用粗、精二级跟踪技术，其中粗跟踪控制系统以伺服转台为执行机构，力矩大、视场宽广，能够实现目标光斑的捕获、瞄准、跟踪，是主动隔离外界姿态扰动的关键环节；精跟踪控制系统以快速反射镜为执行机构，视场范围孝动态性能好，能进一步提高视轴对准精度，是系统的第二级跟踪机构[17-18]。实际中，舰载环境对激光通信系统的影响主要体现在第一级粗跟踪控制环节，因此，研究粗跟踪控制方法，在舰载复杂环境下实现视轴高精度对准是本论文研究的重要内容，也是激光通信实现精跟踪并建立通信链路的前提条件。激光通信系统启动伊始，粗跟踪控制系统在不确定区域内执行螺旋扫描运动，直至发现目标光斑并进入粗跟踪视场三分之一时，执行粗跟踪模式，通过转动方位、俯仰结构将目标光斑调整至视场中心；粗跟踪视轴一旦稳定且对准精度满足精跟踪执行要求，系统立即将粗跟踪调整为精跟踪，通过控制快速反
【参考文献】：
期刊论文
[1]“实践”二十号卫星:跨代之作 引领未来[J]. 本刊编辑部. 中国航天. 2020(01)
[2]面向毫米波波束跟踪的扩展卡尔曼滤波算法研究[J]. 辛鑫,杨焱. 微波学报. 2019(06)
[3]提高大口径望远镜控制系统闭环带宽的方法[J]. 邓永停,李洪文,王建立. 红外与激光工程. 2018(12)
[4]2 m级望远镜跟踪架控制系统动态性能分析[J]. 邓永停,李洪文,陈涛. 光学精密工程. 2018(03)
[5]基于双重扩展卡尔曼滤波器的共轴跟踪技术研究[J]. 杨宏韬,高慧斌,刘鑫. 红外与激光工程. 2016(05)
[6]从EDRS看国外空间激光通信发展[J]. 贾平,李辉. 中国航天. 2016(03)
[7]动基座光电平台视轴自稳定控制系统设计[J]. 张玉良,耿天文,刘永凯. 国外电子测量技术. 2015(09)
[8]一点对多点同时空间激光通信光学跟瞄技术研究[J]. 姜会林,江伦,宋延嵩,孟立新,付强,胡源,张立中,于笑楠. 中国激光. 2015(04)
[9]基于极大后验估计的自适应容积卡尔曼滤波器[J]. 丁家琳,肖建. 控制与决策. 2014(02)
[10]空间激光通信发展概述[J]. 吴从均,颜昌翔,高志良. 中国光学. 2013(05)
博士论文
[1]基于信息融合的运动平台光电跟踪控制技术研究[D]. 罗勇.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[2]时间误差对自由空间光通信影响的分析验证与补偿研究[D]. 李亚添.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[3]大气激光通信数字相干探测关键技术研究[D]. 李学良.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[4]基于神经网络的光纤陀螺误差补偿和平台稳定控制技术研究[D]. 崔慧敏.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
[5]基于多信息源数据融合的光电跟踪系统精度提高方法的研究[D]. 杨宏韬.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[6]4m级望远镜主轴交流伺服控制系统研究[D]. 邓永停.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[7]近海激光通信大气影响分析及抑制方法研究[D]. 高世杰.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[8]基于前馈控制的舰载光电跟瞄关键技术[D]. 吕舒.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[9]雷达机动目标运动模型与跟踪算法研究[D]. 刘昌云.西安电子科技大学 2014
[10]提高舰载光电设备跟踪精度的关键技术研究[D]. 张艳.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
硕士论文
[1]基于能量反馈的单模光纤耦合算法研究[D]. 朱世伟.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]基于DPSK调制与自差平衡探测的无线激光通信系统研究[D]. 丁良.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[3]舰载激光通信终端的视轴稳定控制方法研究[D]. 毛昉.重庆理工大学 2019
[4]针对低慢小目标的激光武器粗瞄控制系统研究与设计[D]. 李乐.哈尔滨工业大学 2018
[5]舰载光电跟踪视轴稳定技术[D]. 刘翔.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[6]舰载稳定平台控制系统设计与研究[D]. 张洪亮.南京航空航天大学 2010
[7]大气激光通信系统中APT技术研究[D]. 闫景富.长春理工大学 2004
本文编号：3304553
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