（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp精跟踪数字伺服系统研究.pdf

摘要 随着空间光通信不断发展，对光通信性能指标要求的不断提高。精跟踪伺服系统 在自由空间激光通信中具有重要地位。为了实现精跟踪伺服系统的实时性和小型化， 本文采用t i 公司的t m s 3 2 0 x 2 8 x 系列的d s p 器件t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心控制器，设计 了基于d s p 的精跟踪数字伺服系统。 本文首先对精跟踪的特性进行分析，然后对控制系统进行优化设计。接下来就是 采用d s p 实现嵌入式精跟踪伺服系统。该系统主要由c c d 光斑成像单元、脱靶量图像 处理单元、d s p 数字伺服单元和振镜伺服单元组成。其中d s p 数字伺服单元主要完成光 斑脱靶量的数据解算、控制补偿算法的实现、与脱靶量图像处理单元的串口通信以及 对振镜伺服单元的控制。 最后经过实验证明本系统达到了实时处理的能力，并实现了整个精跟踪伺服系统 的小型化。 关键词：精跟踪d s p 伺服控制系统补偿 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ef r e eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h er e q u i r e m e n t sf o rt h e p e r f o r m a n c eo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nh a v eb e e ni m p r o v e dc o n t i n u o u s l y t h es e r v os y s t e m o ff i n et r a c k i n gp l a y sak e yr o l ei ns p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no f t h es c r v os y s t e mo ff i n et r a c k i n gb a s e do nd s pw a sf i n i s h e db ym e u n so ft m $ 3 2 0 f 2 81 2 w h i c hw a st h ep r o d u c to ft e x a si n s t r u m e n t sc o m p a n ya n dt h et h em a i nc o n t r o l l e ri nt h e s y s t e ms e r v oo ff i n et r a c k i n g f i r s to fa l l ，t h ec h a r a c t e ro ff i n et r a c k i n gw a sa n a l y s e di nt h i sp a p e la n dt h e nt h es e r v o s y s t e mo ff i n et r a c k i n gw a so p t i m i z e t h em o s ti m p o r t a n to ft h ep a p e rw a st h ed e s i g no ft h e e m b e d d e ds e r v os y s t e mb a s e do nd s p t h es y s t e mc o n s i s t e do fc c di m a g i n gu n i t , i m a g e p r o c e s s e su n i t d s ps e r v ou n i ta n df s m s e l v ou n i t t h ef u n c t i o no fd s ps e r v ou n i tw e r et h e p r o c e s so ff a c u l au n d e r s h o o t ，t h ea c h i e v e m e n to fc o n t r o lc o m p e n s a t i o na r i t h i n e r i c ，t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nw i t hi m a g ep r o c e s s e su n i ta n dt h ec o n t r o lo ff s ms e r v ou n i t a t1 a s t , i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ea b i l i t yo fr e a lt i m ep r o c e s s e so ft h es y s t e ma n dt h e m i n i a t u r i z a t i o nw e r ef e a s i b l e k e yw o r d s ：f i f i et r a c k i n g d s ps e r v o c o n t r o i c o m p e n s a t i o n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于d s p 精跟踪数字伺服系统 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：! 塑耋垒丝篁年月且日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 储签名：! 翌丝! 竺堑年土月旦日 指导导师签名年2 月丑日丛 荪t 绺 1 1 引言 第一章。绪论 激光通信是以激光为载体来传递信息的一种通信方式。目前，激光通信技术由于 其信息容量大、传输速率高、保密性好以及其系统功耗小、体积小、重量轻等特点， 已成为当今世界信息技术的一大热点，因此其发展趋势与潜力已引起世界各国高度重 视。 激光通信大致可分为光纤通信和无线光通信两种，无线光通信又有大气激光通信 和自由空间激光通信之分。 自由空间光通信( f s o ：f r e es p a c eo p t i c a l ) 又称无线光通信， 是光纤通信和 无线通信相结合的产物。它是指以激光( m h z ) 为载体，在真空或大气中传递信息，不 需要任何有线信道为传输媒介的一种通信技术。f s o 可用于空间及地面间通信，其传输 特点是光束以直线传播。和其他无线通信相比，它具有不需要频率许可证、频率宽、 成本低廉、保密性好，低误码率、安装快速、抗电磁干扰，组网方便灵活等优点。 与微波通信相比，大气激光通信具有频带宽、发射天线小、保密性好、抗电磁干 扰能力强等特点，适用于定点之间大容量保密通信。大气激光通信就是以激光作为载 波，借助于大气这一天然通道，把光信号送到接收端。它不需要像有线电通信那样架 设电话线和电缆，也不需要像光纤通信那样的光缆和设备，因而比较简单易行。它是 光通信中最早研究和应用的一种。 广义的自由空间激光通信。1 是指利用激光束作为信道进行通信，不仅包括深空、同 步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信，还包括地面站的光通信，有所谓c e o ( g e o s y n c h r o n o u se a r t ho r b i t ) 七e o 、g e o l e o ( l o we a r t ho r b i t ) 、l e o l e o 、 l e o 一地面等多种形式；其中也包括了大气激光通信。而狭义的自由空间激光通信主要 是指激光信号在地球大气层以外的空间传输，不受大气条件的影响，是很有发展潜力 的一种通信方式。 1 2 光通信的特点 目前，空间激光通信系统得以实用化涉及的关键技术。”，主要有连续波大功率激 光器技术，自适应变焦技术，光波窄带滤波技术，光源稳频技术，信号压缩编码技术， 光学天线设计和安装技术，精确对准实时跟踪技术等。其中，多项技术已经实用化， 部分尖端技术已经取得突破。现阶段，国外用于空问激光通信的半导体激光器和接收 器件已实现了商品化。 与传统的无线电通信手段相比，空间激光通信具有如下突出优点： ( 1 ) 信息容量大、传输速率高 光波( 其相应光频率在1 0 ”1 0 1 7 h z ) 作为信息载体可传输达1 0 g b p s 的高数据码率。 这对卫星间、空间站的高码率、大容量通信是极为有利的。 ( 2 ) 方向性好、保密性强 由于光波信号的发射天线小，发射束散角小，所以方向性好，对解决日益拥挤的 卫星间的电磁波干扰是十分有效的手段；并且保密性好，不易被窃听。 ( 3 ) 系统功耗小，体积小，重量轻 特别适用于在卫星等运动载体上安装使用。 此外，空间激光通信还具有电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、且不干扰其他传 输设备、带宽高、无需频谱许可证、协议透明等特点，并且在有效通信距离和带宽等 方面还蕴藏着巨大的发展潜力。 与光纤通信相比，空间激光通信具有以下优点： ( 1 ) 成本低廉 空间激光通信免去了昂贵的光纤敷设和维护工作。 ( 2 ) 快速链路部署 因为不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题，空间激光通信只需要安装好收发 端机，即可快速完成链路部署。 ( 3 ) 全天候工作 空间激光通信全天候工作的可靠率达9 9 9 9 9 ，远远高于国际规定的通信系统年 可靠率9 5 。 空间激光通信的多项关键技术已经实用化，并丑具有较其它通信方式更多的技术 优势和发展潜能，我们相信，随着时代的进步、科技的发展，空f 刨激光通信定会在 现代通信领域中有着更加光明的前景。 1 3a p t 在自由光通信系统中的作用 激光通信和微波通信相比较具有传输容量大、光束窄、保密性强等特点，是卫星 大容量通信的最佳解决方案之一。但从技术实现方面来讲，萨是由于激光通信具有信号 光束窄、发散角小这样的特点，因此对相距较远的运动体上的较窄信号光束进行捕获、 瞄准、跟踪( a p t - a c q u i s i t i o n 、p o i n t i n g 、t r a c k i n g ) 非常困难；空间光通信在空间信 道长距离的传输过程中光能损失很大，在接收端探测器上接收的光信号往往很微弱， 因此要求a p t 跟踪探测器具有很高的灵敏度；同时 “于在空间进行通信，存在太阳、 月亮、星体等背景光的干扰，加上卫星平台的扰动对瞄准精度的影响等因素，使得光 信号的接收具有很大难度。因此，在较远的距离和较强的背景干扰的情况下，如何捕 捉、跟踪和对准光束，建立起可靠的通信链路，是实现空间光通信需要首先解决的关 键问题之一。 2 1 4 精跟踪伺服系统在a p t 系统中的作用 由于星间光通信a p t 系统既需要比较高的捕获范围，同时又需要非常高的控制精 度，如此高的动态范围通常采用复合轴控制结构，也称为嵌套伺服控制结构。它可分 为粗跟踪伺服系统和精跟踪伺服系统两部分。精跟踪伺服系统具有很宽的控制带宽、 高的增益以及窄的动态范围，对宽功率谱振动具有很强的抑制能力，以保证快速和高 精度的对准和跟踪。精跟踪伺服系统是在粗跟踪伺服系统的基础上对目标进行进一步 的对准和跟踪，使目标可以更好的聚焦在接收器件的中心，以便建立起可靠的通信链 路。因而精跟踪伺服系统是实现空间光通信需要解决的关键问题之。 1 5 精跟踪伺服系统的发展现状 美国是世界上开展激光通信“1 最早的国家，主要研究部门是美国空军和美国宇航 局。 由在w r i g h tp a t t e r s o n 的美国空军基地的联邦空军研究实验室航空电子学董事会 资助的航空激光通信实验”儿“，在1 9 9 5 年由美国t h e r m ot r e x 公司完成。它证明了激 光通信可以实现，在1 0 0 0 0 英尺的高空中从夏威夷群岛中的第二大岛毛伊岛到第一大 岛距离1 5 0 千米的通信，通信速率达到1 1 2 g b i t s s 。其中的精跟踪伺服系统包括精探 测器和振镜。精跟踪伺服系统的闭环带宽大于3 0 0 h z 。而且此伺服系统是一个i i i 型伺 服系统，采用t i 公司的c 4 0 系列d s p ( d i g i t a ls i g n a p r o c e s s o r s ) 给该伺服系统提 供补偿，以便使其稳定。 美国宇航局选择喷气推进实验室( j e tp r o p u l s jo nl a b o r a t o r y - - j p l ) 进行卫星 激光通信系统的研制。该室进行光通信演示系统”1 ( o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n d e m o n s t r a t i o n - - o c d ) 研究，主要进行航天飞机与地面问通信链路的性能演示，传输 速率为l o o m b p s 。o c d 前向环路由t i 公司的了 m s 3 2 0 c 4 4 数字信号处理器( d s p ) 、数模转换 器以及两轴f s m ( f a s ts t e e r i n gm i r r o r ) 伺服和振镜组成。此外，美国宇航局还支持 j p l 进行其它卫星通信计划”1 ，如实现图像功能的窄带激光滤波器以及地面和空间的激 光卫星通信跟踪网络。 欧洲航天署于8 0 年代后期开始确立了一项宏伟计划：s i l e x ( s e m i c o n d u c t o rl a s e r i n t e r - s a t e l l i t el i n ke x p e r i m e n t ) 系统研制计划，该计划的目的是在两颗卫星间建 立实验性的激光通信链路”1 ，其中同步轨道( g e o ) 终鲻机置于e s a 的a r t e m i s 周步卫星 上，低轨道( l e o ) 终端将载于法国的地球观测卫星”o t 4 上。s i l e x 计划重点是研究卫 星光通信光发射和接收端机等关键技术“”：其中精趴踪部分由精跟踪探测器、精对 准机构以及精对准探测器控制电路组成。精跟踪( 跟踪、瞄准) 探测器为1 4 1 4 c c d 阵 列，其搜索范围为7 pr a d ，跟踪定位精度 1 0 0 0 02 4 0 0 0 定位精度ur a d 2 2 2 2 q d ( 跟踪) ： 5 5c c d q d跟踪精度：( 跟踪) 1 4 1 4c c d 探测器( 定位) 2ur a d 视场角：( 跟踪) 视场角； 1 5 m r a d 0 4 m r a d 带原| j ，能滤光器 犬线e m 0 2 6 ，0中2 6 0中2 6 o0 2 0 0 收发台一收发台一收发分离收发台一 通信距离k m3 0 0 0 04 0 0 0 0 2 0 0 0 4 5 0 0 0 1 6 本文研究的主要内容 精跟踪伺服系统高的伺服带宽和窄的动态范围，要求精跟踪系统的主控芯片应具 有较高的实时处理能力。传统的解决方案是采用专业计算机、p c 机或微型计算机来完 成伺服系统的主要控制。优点是只需编写软件程序，无须对硬件进行开发。而缺点是 成本高，体积庞大，质量也很大，不宜装载在飞机或卫星上。为了实现地面、飞机与 卫星之间的光通信，就必须实现伺服系统的小型化。本文采用先进的d s p 处理器作为 精跟踪伺服系统的主控芯片可以使整个系统的体积、质量大大减小，从而实现机载、 星载的空间光通信。具体的研究内容如下所示： ( 1 ) 分析复合轴a p t 伺服系统组成和特性； ( 2 ) 分析精跟踪伺服单元组成和特性； ( 3 ) 精跟踪伺服单元控制系统优化设计； ( 4 ) 基于d s p 实现嵌入式精跟踪伺服系统。 第二章复合轴a p tf u - i n 系统组成和特性分析 2 1a p t 系统工作原理和系统组成 星空激光通信的a p t o ”工作过程可以简单描述为以下过程： 对于机载激光通信终端，其姿态检测主要通过使用全球定位系统和惯性导航系统 来完成控制姿态的外方位和内方位元素测量。该单元使用g p s 中p 码制判定和记录当 前的飞行高度、精度、纬度、飞行速度、飞行时问。而对于星载终端，主要通过星历 表或星敏感器来完成星载终端的姿态参数，通信双方载体的姿态数据在每次开始通信 前几个小时便通过甚高频( u h f ) 射频链路进行传输的。这样通信两个终端可以知道对方 的位置、速度、运行方向等姿态数据。同时利用i n s 惯性导航系统的高精度特点，获 知己方的仰俯、横滚和偏航等内方位元素信息，机载终端和星载终端的粗跟踪系统分 别按照各自终端的主控系统所计算的方位和俯仰角等参数进行提前指向定位，利用两 轴四框架的外环，将己方视轴快速引入到制定区域，从而完成通信准备阶段。 利用两轴四框架的内环伺服，避一步提高开环指向精度。这是a p t 进入信标光的 捕获阶段，此阶段是单信标工作模式，机载终端接收对方发来的信标光，星载终端负 责发射粗信标光，由于飞行平台的姿态控制精度、粗跟踪系统的控制精度、和对方提 供的位置和速度等信息存在一定误差。对于机载终端，捕获及 h 跟踪范围为1 2 毫弧度， 对于星载终端，捕获及粗跟踪范围为8 毫弧度。由于接收视场和信标光发射角都小于 此不确定区域，所以，需要在不确定区域内进行扫描，本系统采用螺旋光栅复合扫描 方式，之所以选择螺旋光栅复合扫描，主要是因为它具有从高概率向低概率扫描这个 特点，从而减小平均捕获时间，另外，相对于螺旋扫描方式易于实现。如果1 0 0 秒钟 内仍没有发现对方的信标激光，则通过射频链路重新传送一次新的位置信息并进行处 理，直到捕获对方的信标光。 。 一旦星载终端发来的信标光进入机载终端的粗跟踪c c d 的视场，机载终端立即启 动自己的精信标光发射系统，此信标光也会在星载终端的粗跟踪接收c c d 上成像，两 个通信终端通过调整粗跟踪系统使成像光斑逐渐从边缘向中央逼近，这便是通信双方 的视轴粗对准过程。此过程也是通过两轴四框架的内环控制的。 当光斑进入精跟踪视场后，精信标光束和精跟踪c c d 来完成两个光束的精确对准。 由于精信标激光束的发射角较小，所以c c d 输出的数字图像的信噪比得到提高，这样 可以提高亚像元的分辨能力，为精密跟踪和精确对准提供了先提条件；另外，由于精 跟踪c c d 的像素个数较少，所以可以获得比较高的帧频，再配合快扫振镜，可以大大 增加控制系统的带宽，进而抑制各种低频扰动和高频抓动的能力大大提高，这样可以 获得非常高的控制精度，一旦信标光斑能量中心进入到已方视场，精对准过程结束。 6 精确对准过程完成，就可以启动通信过程，通常情况下，通信激光的发射角大于8 倍的精跟踪控制误差时，就可以保证通信的顺利进行，为了保证通信的顺利进行，需 要a p t 系统对各种扰动进行抑制，保证两视轴的对准误差维持在2 u r a d 以内，这便是 跟踪过程。 通过以上分析，我i f - i 以归纳a p t 系统的工作流程如图2 1 所示： u 通过射频将通信双方的姿态 和位置等信息传送给尉a i i 弋_ 7 租跟踪装置对 不确定皇范围进行搜索 ； 信标捕获后，调粹 粗跟踪装置使光斑进入精跟踪视场 j 启动精跟踪装置， 使通信双方视轴精确对准 j ； 机载终端向地面终端发送控制命令参数 通信频率1 5 5 m t 7 链路通信( 中继通信速串1 5 5 m 1 i g ) t 7 地面终端i 目机载终端返同遥测年u 琏控数据 通信频率1 5 5 m 通信接收，粗精跟踪系统 归位 ( 结束 ) 幽2 ，1a p tr 仃过程 整个a p t 系统包括g p s i n s 捷联导航子系统( 机载) d g s p 位置检测子系统( 地面) ， 捕获( 粗跟踪) 子系统，瞄准、跟踪( 精跟踪) 子系统，提酊量伺服系统，a p t 总控单 元，a p t 电源供电和管理系统，系统自检和监控单元组成，a p t 系统框图如图2 2 所示。 卡 萨 格 林 系 统 图2 2a p t 系统实现框例 自由空间激光通信系统相对于微波通信系统其突出的特点就是通信速率高、保密 性强、体积小、重量轻、功耗小、发射费用低。然而它之所以可以实现非常小的功耗、 功率和体积，需要使两通信端机的视轴保持非常高的控制精度。在高精确动态光束定 向技术中，精密捕获、跟踪、对准。 a p t 系统担负着相当重要的角色，它与一般光电测量系统的区别与，它不仅要求将 运动目标稳定跟踪在规定视场内要求将光束锁定在目标某一点上。在这样的高精度下， 大气湍流、机载平台振动等的影响将是不可忽略的，一般光电测量系统中的大惯量单 轴跟踪架由于结构谐振频率的限制，不可能有足够的带宽对其较正，即采用具有高谐 振频率结构的多轴复合系统分粗、精跟踪，甚至加一k 自适应光学系统来实现。 对于具体的激光通信系统，根据通信激光束散角的宽度来确定a p t 最终的控制精 度。通常应使a p t 系统的控制精度为通信光束散角的i 8 左右，对应的由a p t 系统引 起的通信功率损耗为3 d b 。所以几乎所有的激光通信系统a p t 系统都需要非常高的控制 精度，而且控制范围也较大，这就意味着a p t 系统的伺服系统的动念较高，需要采用 粗、精两级跟踪系统，这是自由空间激光通信系统的一个通用措麓，既我们采用孝只精 复合轴。 2 2 主从复合轴的特性分析 典型a p t 系统一般采用复合控制系统结构“”，它可分为粗跟踪伺服系统和精跟踪 伺服系统两部分。粗、精复合轴结构是在大惯量跟踪架的主光路中插入一高谐振频率 快速反射镜，构成主从( 习惯上也称粗、精) 跟踪方式，主轴对目标进彳亍捕获与跟踪， 而从轴对仪器视轴进行精调整。由于星间光通信a p t 系统既需要比较高的捕获范围， 同时又需要非常高的控制精度，如此高的动态范围通常采用复合轴控制结构，也称为 嵌套伺服控制结构。低带宽的粗跟踪环嵌套高带宽度精跟踪环，外层常平架构成粗跟 踪环，它具有大的动态范围，窄的控制带宽；比较低的谐振频率，跟踪精度低于最终 要求的指标，可产生大的调转，主要用于光轴的初始定向，实现捕获和粗跟踪；精跟 踪环的主要部件是快速倾斜镜和精跟踪探测器，能够对粗跟踪回路未能补偿的残留误 差进行校正以满足系统最终对准和跟踪精度要求。精跟踪环具有很宽的控制带宽和很 高的增益，对宽功率谱振动具有很强的抑制能力，以保证快速和高精度的对准和跟踪 “。精跟踪环只对粗跟踪环的残留误差进行校正，它的动态范围要求不大。 假设主轴的导引传递函数为：w 。( s ) ，从轴的导引传递函数为：w 。( j ) ； 可以得到复合轴系统的等效闭环传递函数为： 矿( 。1 ：匕m 塑坠塑! 尘2 塑 ( 2 1 ) 1 + 阡么。( s ) 1 十。( j ) 】 开环传递函数为： 既( s ) = 睨。( s ) + 阡o ( s ) + 。( 5 ) 蹄0 ( j ) ( 2 2 ) 误差闭环传递函数为： f n ：l 一 ( 2 3 ) i + ，( j ) 】 1 + 辟，埘t ( j ) j , 4 d b 、又二j | ，。刺。 一 i o 绝 ( s) 一涨：p l i - 苄哥寸王 o 上 j i z 赫 一 i 。 1 i ：；1丁、 h z 图2 3 复合轴系统的等效脚环传递蝴数的波特幽 由上图2 3 可见，对于低频段，复合轴系统近似为主、从的串联，传递函数为相乘 的关系，放大系数远大于单主轴系统，具有很高的静念误差抑制能力；在中频段及高 频段，复合轴系统近似等于从轴系统，具有较高的带宽和动态误差抑制能力。因此采 用复合轴结构，可对低频扰动和高频振动进行有效抑制，同时系统的总抑制带宽与精 环一致，对中高频振动也能很好地抑制，最终可实现岛精度瞄准和跟踪。出此可见， 应该合理选取粗、精伺服系统的带宽和增益。a p t 系统总控精度主要由精跟踪系统决定。 9 mmm”拈。啦啪啪啦 第三章基于d s p 精跟踪数字伺服系统组成和特性分析 3 1 精跟踪伺服系统组成 本文的精跟踪伺服单元是由c c d 光斑成像单元、脱靶量图像处理单元、d s p 数字伺 服单元和振镜伺服单元组成。 3 1 1c c d 光斑成像单元 电荷耦合器件( c c d ：c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 是一种光电转换器件，它能存储由 光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在c c d 内 作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有 光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理 和存贮三大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取锝令人瞩目的发 展。 系统对于精跟踪探测单元的具体要求为： ( 1 ) 要求具有非常高的帧频，通常要大于1 0 0 0 h z ： ( 2 ) 系统具有比较高的灵敏度和信噪比，保证空阳j 分辨率。 这两个基本要求，对于c c d 帧频的要求是第一位的，只有c c d 帧频提高，才能使 精跟踪系统的带宽提高。 本文的c c d 光斑成像单元采用d a l s ai a d l 型高帧频、高灵敏度、具有跳跃式读 出模式的面阵c c d 传感器。它采用深埋沟道移位寄存器技术，可以获得非常高的读出 速率、非常低的噪声和非常高的动态范围。 3 1 2 脱靶量图像处理单元 脱靶量图像处理单元将c c d 光斑成像单元的输出信号读取出来，然后由脱靶量图 像处理单元的主控芯片对读取的数据进行结算，得出光斑距离c c d 相机中心位置的偏 移量，然后将结果通过高速串臼发送给d s p 数字伺服单元。 本文的脱靶量图像处理单元采用f p g a 进行实时图像处理，每秒处理3 0 0 0 帧的数 据。采用r s 4 2 2 模式通信连续发送数据，每秒发送3 0 0 0 帧数据，每帧为5 个字节。 3 1 3d s p 数字伺服单元 控制系统为满足实时性要求，需采用专用的数字信号处理器( d s p ) 来实现。许多 0 专业目的的数字信号处理微处理器已经被开发，能够快速的执行数字控制算法。如t i 公司的t m s 3 2 0 x 2 4 0 x 系列以及t m s 3 2 0 x 2 8 1 x 系列，是t i 公司推出的一种面向数字马达 控制、嵌入式控制系统和数字控制系统开发的可编程的d s p 芯片。它将一个高性能的 1 6 位( 3 2 位) 、定点、低功耗d s p 核c 2 x l p 和许多功能外设集成在单芯片上，提供了 较高的集成度和较快的运算能力：同时，使目标系统的成本得到极大降低。与传统的 由8 位或1 6 位微控制器构成的系统相比，这种强大的处理能力和专用外设电路的组合 使所实现的目标控制系统效率更高、运行起来更安静、能量消耗更低、可靠性更高。 同时，由于减少了所需外部元器件( 如a d 转换器、串行通信接口等) 的个数，从而 进一步减少了目标系统的成本和体积。由此可见，依靠它的结构、速度和用法说明， 对于实现数字控制系统，提供了有利的因素。 3 i 4 振镜伺服单元 在精跟踪系统中，精瞄执行器件要求具有响应时问短，跟踪精度高的特点。目前 精瞄执行器件一般采用高速偏转镜，它的响应时间在微秒量级，精度可以达到十分之 一微弧度量级。可以满足卫星光通信a p t 系统要求。 高速偏转镜”的工作原理是驱动器产生位移驱动附加在驱动器上的反射镜偏转一 定角度，目前高速驱动器采用的方式很多。可以是摆动电机驱动，也可以是音圈电机 驱动，还可采用压电陶瓷驱动。美国采用音圈电机，德国采用压电陶瓷，我们采用的 是压电陶瓷驱动( p z t ) 方式的高速偏转镜。在光通信a p t 技术中精确瞄准是非常关键 的一环，相应精瞄系统的驱动环节的选择也是非常重要的，因为a p t 系统要求高分辨 率，响应速度快，输出力大，转换能量效率高等，所咀对各种高速偏转镜的驱动方式 的分析和研究是非常必要的。 本文的振镜伺服单元选取德国p i 公司s - 3 2 5 倾斜平台，s - 3 2 5 压电倾斜平台具有 速度快、结构紧凑等特点，可以对平台表面的二维币交轴进行精确的角位移控制。它 的控制精度可达亚微弧度，角度调整范围达2 5 m m d 。s - 3 2 5 系统的设计适合直径到 2 5 m m 的镜片，而且在宽温度范围内有很好的熟稳定性。为了匹配镜片的热膨胀系数， s - 3 2 5 的平台采用不胀铟钢材料。s - 3 2 5 系统无负载时的谐振频率为2 k h z ，当装配2 5 m m 8 m m 的镜片时谐振频率为l k h z 。 s - 3 2 5 的倾斜平台配备三个低电压压电线性驱动器，每个压电驱动器的分布相差 1 2 0 度。这种设计可以在较宽的温度范围内获得非常高的角度稳定度。因为温度的变化 仅仅在开环操作中影响垂直方向的位置，对于角度方向没有影响。这种结构还有另一 个优点就是当去掉压电驱动器的电压时，平台将自动。队复成中心位置。 3 2 精跟踪伺服单元特性分析 精跟踪伺服单元的精度1 要求小于3 “，以，其主要检测精度取决于c c d 检测精 度、振动抑制残差、视轴瞄准精度和提前量检测精度。精跟踪伺服伺服带宽在3 0 0 h z 左右。以下对它们进行详细分析。 3 2 1c c d 的检测精度 精跟踪c c d 的检测精度与视场有关，本文的精跟踪伺服单元c c d 的有效视场角为 2 5 6 r a d ，帧频为3 0 0 0 h z ，c c d 有效像元数量为1 2 8 1 2 8 的，那么像元分辨率大约 为兰：! 罢：2 k t r a d 。经十细分，c c d 检测精度为：0 2 pr a d 。此外c c d 的检测精度还 1 2 5 与c c d 固有噪声等因素有关。 ，所有的c c d 传感器都会受到暗电流噪声的影蛔，它的存在限制了器件的灵敏度和 动态范围。由于热运动产生的暗电流噪声的大小与温度的关系极为密切，温度每增加 5 到6 ，暗电流将增加到原来的两倍。它还与电荷包在势阱中存储时间的长短有关， 存储时间越长，暗电流噪声越大。在弱信号条件下，c c d 采用长时间积分的方法进行观 测，暗电流将是主要的影响因素。 另外，在c c d 阵列中，局部晶格缺陷或杂质的存在还可造成暗电流尖峰。随着掺 杂浓度增大，离表而距离越近，电场强度就越大。在最接近表而处，电场强度达到最 大，暗电流峰值就越容易出现。暗电流峰值会给图像背景造成很大涨落。 考虑到固有噪声和数字相机量化噪声的影响，最终的光斑检测精度为： a = 1 2 2 r a d 。c c d 相机的细分能力与c c d 光斑成像的信噪比有关，满足以下关系式： n e a = 一，s f 为探测器斜率系数，s n r 为功率佑噪比。信噪比越大，细分能力 s f q s n r 越强。 3 2 2 振镜控制误差 本系统所采用的快速振镜为德国p i 公司的产品。p i 公司提供了一个大范围的超快 速的压电陶瓷倾斜平台，它是专门为主动光学和自适应光学而设计的。它能提供毫弧 度内的倾斜范围，快速的响应( 亚毫秒级) 和亚微弧度分辨率，这个系统对于动态操 作( 例如跟踪，扫描，漂移和振动的消除等) 静态定位是理想的。但是对于如此高精 度的振镜也有它的控制精度误差，这是器件的固有的误差是无法消除的，不同的型号 有着不同性能指标，也就有着不同的控制误差。 本系统对应视轴的控制角度为：c r 2 = 0 5 t r a d 。 3 2 3 提前量检测误差 提前量误差主要来源于三个部分：提前量探测器测量误差；振镜执行误差；光学 系统结构装校过程出现的误差。提前量控制产生误差，吧= 1 2 1 a r a d 。 3 2 4 视轴瞄准误差 主要为通信视轴和信标视轴的装校误差和大气传输引起的漂移误差，其中大气传 输引起的漂移误差是根据具体地域、时间、气候条件来定的。这些误差总计为： 吼= 1 4 , u r a d 。 3 2 5 控制残差 虽然两轴四框架( 机载平台) 拥有主、被动减振措施，但是仍然存在控制残差， 该残差通过精跟踪系统进一步抑制可达到吒= 2 u r a d ，它仍然是主要误差源。 综合以上各种因素，得到总误差为：仃= 止彳i 乏i i 了孺* 3 r a d 。 3 2 6 控制带宽 在复合轴控制系统中，精跟踪系统直接校f 的是羊h 跟踪系统的残余误差。从某种 意义上讲，精跟踪回路的带宽反映了复合轴跟踪目标的快速能力，粗跟踪轴的带宽反 映了复合轴系统对运动目标初始捕获和跟踪的能力。可以说，粗、精系统带宽越大， 误差抑制能力越高，系统稳定性越好。为了抑制运载平台的干扰，获得预期的跟瞄精 度，我们设想把精跟踪系统的闭环宽带做到很高，使平台抖动的大部分频率带包含在 系统的有效校币带宽阿，从而抑制干扰和提高控制精度。然而，系统闭环带宽要受到 采样频率和被控对象的结构谐振频率的限制，在高精度的跟踪系统中，采样频率一般 要为闭环带宽的十倍以上，闭环带宽一般要小于谐振频率的六分之一。所以本文的精 跟踪伺服带宽”“在3 0 0 h z 左右。 第四章精跟踪伺服单元控制系统优化设计 4 1 精跟踪伺服单元系统建模与仿真 根据实测及试验数据知：精跟踪传递函数为一典型振荡环节，其无阻尼振荡频率 ( 自然频率) 丘一7 5 0 h z ，即一2 矾一4 7 1 0 ( r a d s e c ) ，则精跟踪传递函数为： g 巾) = 7 万占可 ， 4 7 1 0 2 皇- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 。- - - - - - - 一 s2 + 4 7 1 0s + 4 7 1 0 2 由m a t l a b 程序仿真嘲出精跟踪系统未补偿时的开环传递函数、抑制函数和闭环传 递函数的波特图如下： b o d ea 函0 r a m t i n fd b i 越嘲m t d q 7 5 0 ) 曩曩- i 五j z 凳蕊：蕊i i ：蕊 ，li 7 、ili ，i- ：- ，l 、1 j| iii ，一；，! 。j ；。二。二j 一j 囊；一一1 ：，；一。一；一。 曩0 薯- ：薯_ 誊_ _ 鬻孓慧 l 一- + l 一f ，一l f + i 。，一一i j 一，一 jl 一，一t 。f j ，l l 一一一j “一 一 i| of j f _l l i 、 ；|jl i l lq ”| + “- + 一1 一。；1 1 i 一1t 、j o p 一2 等= = 二= = 一j 了叮- _ 一 - 4 6 卜o o ! o 、毫i ：一，一l 。o i i 一一二一 ；：一0 一“0 融_ ：曩”蕾 ，8 0 i ：一一；，一：一j 一：上：亲募一二! ， 1 二一一一一一一一一* 一，一蜘= l 一一十一一_ ，= ：；= ；# ，1 2 r ，一 图4 1 精跟踪未补偿时的开环传递函数波特图 1 4 o 妻 m 脚 啪 口；h星 譬 2 f b o d ed i a g r a m g mz i n f p r n = 一1 3 6 d e g i a t 9 1 8 i - t z ) 图4 2 精跟踪未补偿时的抑制函数波特图 b o d ed h g r a m g m t i n fd b i a t i n f h z ) ，p m i n f o ：二：二：。：，：二：；1 ；：、j ：一：7 i ? 一i ”j ? 1 ，1 f l e - -；i，i i 。l l i1 5。 ，-i 、1 ! i |ii ，t _ l j； ，i f l 、 7，tj i - 2 0 j 一一一一j 一一一一一一一一 、一一一f 一一一。一一t “li 、+ jij l i 1 。 。川1 l j i t，l； “0j 1 1 f ； ”h 2 ，、0 r- t j - r i 4 - 0 一；v ；- o ：；：-；： 一：一。一一；一一j 一i _ 。一；：；：；j +一j，i_i。， i；，| ； 、 l _ i i ： ： ：! ： ：一，i ：；! i 一一：一：一：一：，：一一：+ ，：j j ：一：j j 。+ 一：一：，_ ii，5i。r-，i 、i 一 l i ：i ! ：+ ；：， ：! ：i ，j ，-， ，h 、l ； - 8 0 ，【j i j ，f j ! 。j ，tj 一，- t j j 、j 。厂i = = ：= 二= ；j = 一一_ i _ f o；# s 、； s i 9 0 1 3 5 、 1 8 0 。，i ，；。；，：j ，：_ 一。：? ：一，l 1 0 11 0 2 1 0 3lolo f r e q u e n c y ( h z ) 图4 3 精跟踪术扑偿时的闭环传递函数波特图 由图4 1 可见，精跟踪未补偿时的开环传递函数的相位裕度为9 0 度。尽管相位裕 度满足伺服系统稳定的要求，但在低频段，开环传递函数的增益为0 ，也就是伺服刚度 1 5 善一量量ib日a。霉e (日p)口昌u6日： k 太低了。当伺服控制系统受到外界的低频干扰时，就可能引起强烈的震荡，所以需要 进行控制补偿。 精跟踪系统补偿函数为： d ( s ) 竺：圭竺：圭! 邮+ 音洲古s ， ( 4 2 ) 1 5 0 0 0 ( 1 + 亩5 ) ( “二7 5 0 。) 、 6 0 一 s ( 1 + s ) ( 1 + 击s ) 、l i ， j i n g g e n z o n g b u c h a n g m 程序仿真出粗跟踪系统补偿后的开环传递函数、抑制函数 和闭环传递函数的波特图如下： b o d e a 妁舯 钿= 9 4 5 d b ( a t 7 6 4 h z ) ，p 盯i = 7 2 9d e g ( 砒2 6 4 嘲 。“二等_ ”j ”：。_ j 一：二二 j 。“- ”j l7 , 一“j 一罗? ? _ l _ ：i ：，仆j ：誓：! ! ! 萼- 1 a s 卜! 毒；。冲。! 一 l ：未：； i ：1 ：； ：，。：1 ，：1 1 ：! 。 1 - 2 2 5 ；l ：j 一i 一：_ 。，一! ：一一_ i 一：二：。： 2 7 0 1 ：2 ! 。：i ：5 7。：，：0 * h 品o 1 0 2 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 21 0 31 0 41 0 s 图4 4 精跟踪补偿后的开环传递函数波特图 1 6 啪 椭 o 蜘 伽 伽 日p)opn萑譬： o 寄 暑 罩1 0 0 b o d ed i a g r a m g m = i n f 。r i i = 一1 3 1d e q ( a 1 3 3 3 嘲 1 0 21 0 01 0 11 矿 f r e q u e n c y ( h z ) 图4 5 精跟踪补偿后的抑制函数波特图 b o d od i a g r a m g m = 5 8 8 d b ( a t 7 6 4 h z ) 阳= 职抽。一e e 。m 5 0r r r r r 口一一t 一一t 一s y s t e r n ：s y s c b s e _ ：；：4 ：f r e q u e n c y ) ：6 7 0 ：f i：；：，： ：“m a g n i t u d e d b ) ：- 2 9 8 ， o r _ p ? k j ：? ? j ? ，。j i 妻 ；。；：5 ： 麓j t ：j ；瑚! 。：专一瓣一”| t 一一一? 一沁掣j ”j 耋- 1 0 01 ：一一i 曩10 曩一! 一曩j ；j _ 、j 妻 一：一，蔓i 曩_ 。j o 囊一：o 纛、。- ：j ；： ：黔：。：；：、； ：5 ：! _：。 。，：，： 1 5 0 - 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