[精品论文] 宽带、智能、轻型pzt光束伺服技术研究.pdf

分类号 j 丛墼 u d c 6 2 l3 9 密级 町公j f 编号 宽带 智能 轻型p z t 光束伺服技术研究 r e s e a r c ho nb r o a d b a n d i n t e l l i g e n t a n dl i g h t p z ts e r v ot e c h n i q u eo fl i g h tb e a m 学位授予单位及代码 量壹堡王叁堂f q 盟2 学科专业名称及代码 篮皇生垣篮工捏 鲤 啦 研究方同 世迪信亟蕉堡迨生玉垡垣i 盏基苤申请学位级别 亟 指导教师 堡苴坚熬塑 研究 生 熊蟹拄 论文起止时川 2 q q l 二垫1 1 1 1 长春理工大学硕士 或博士 学位论文原创性声 本人郑重声明 所呈交的硕上学位论文 宽带 智能 轻型p z t 光束伺服技术 研究 足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 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 本人完全意议到本声明的法律结果由本人承担 作者签名 箱 留体 d f 年 月 f 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 鹾夺理工大学硕j 博士学位沦文版 权使用规定 同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所 中国优秀博硕 士学位论文全义数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印l q 7 n 屯子版 允许沦文被查阅和借阅 本人授权长春理工大学可咀 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 作者签名 导师签名7 b l o 年 月 j 1 7 盥攀 摘要 空 日j 激光通信具有大容量 宽带宽 抗干扰 防截获能力强 安全司靠性岛等显 著性特点 捕获 对准和跟踪 a c q u i s i t l o r lp o in t i n gt r a c k i n g a p t 技术是大气激 光通信系统中 疗核心技术 而a p t 技术的关键点之一就是精跟踪何服系统的控制技术 本文对空州光通信发糕现状进行了概述 提出了采用p z t 驱动二维快扫振镜系统 柬实现精确瞄准 本文主要设训了对p z t 振镜精密检测补偿电路 详细地分析了系统 的组成和工作原理 设计了基于d s p 2 8 11 的智能数字控制单元 最终实现3 u r a d 的精 度要求 为最终空 日j 站光通信系统的工程实现奠定技术基础 关键字 空间激光通信p z t 驱动a p t 精跟踪补偿 a b s t r a c t s p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o n sh a v em a n ys i g n i f i c a n tf e a t u r e s s u c ha sl a r g ec a p a c i t y w i d eb a n d w i d t h a n t i j a m m i n g s t r o n g e ra n t i i n t e r c e p t e d c a p a c i t ya n dh i g h e rs a f e l ya n d r e l i a b i l i t ya c q u i s i t i o n p o i n t i n g a n dt r a c k i n ga r ec o r et e c h n o l o g yi nt h ea t m o s p h e r i cl a s e r c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m t h ek e yp o i n t so f a p t t e c h n o l o g y i sc o n t r o l l i n g t e c h n o l o g yo f f i n e t r a c k i n gs e r v os y s t e m t h ea r t i c l ef i r s t l yd e s c r i b e ss p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m p u tf o r w a r das y s t e m b a s e do f fp z td r i v e rt w o d i m e n s i o n a lf a s ts w e e pg a l v a n o m e t e rt oa c h i e v ep r e c i s et a r g e t i n g i n t h i s p a p e r t h ep z tp r e c i s i o nd e t e c t i o nc o m p e n s a t i o n c i r c u i tw a sd e s i g n e d t h e c o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es y s t e mw a sr e s e a r c h e di n t e l l i g e n td i g i t a lc o n t r o l u n i to f b a s i n go nd s p 2 8 i iw a sd e s i g n e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o n t r o l l i n gp r e c i s i o n c a l lr e a c ht o3 u r a d w h i c hg r o u n d st h ee n g i n e e r i n gr e a l i t yo fs p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m k e yw o r d s s p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o np z td r i v e ra p tf i n et r a c k i n gu n i t c o m p e n s a t i o n 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 目录 1 引言1 2 空间激光通信特点l 3 空间光通信国内外发展现状 3 4窀问激光通信的apt分系统4 5 本文研究的主要内容5 第二章复合轴a p t 系统中精跟踪单元的组成及特性分析 6 2 1 复合轴a p l 伺服系统的工作原理6 22a p t 系统中粗跟踪单元和精跟踪单元的比较 6 23 复合轴 p t 系统中丰h 精伺服单元州的优化设计 7 24 精跟踪系统的组成与工作原理 9 25 精跟踪系统的控制精度分析概述 1 1 第三章光束伺服控制单元p z t 振镜平台的选取 1 2 3lp z t 性能分析 1 2 32p z t 振镜工作原理 1 3 3 3 振镜平台的选取 l5 第四章基于d s p 对精跟踪闭环系统的设计与误差补偿的实现1 8 第五章p z t 振镜检测补偿的闭环设计 3 3 i 提前量伺服单元3 3 j 2p z t 振镜静忐测试闭环的设计 3 4 53 检测单兀电路设计 3 4 54 补偿单元的电路设汁 3 7 55 补偿d 口后的测试与结粜 3 9 第六章光束伺服单元实验测试 4 3 61 试验系统的描述 4 3 62 测试结果 4 3 总结 致 谢 4 6 4 7 博坶坶n 凹 h构一一 i 结 计 的一 设二兀计偿的取单设补环选服元制闭的伺单控踪片字服字 跟芯数何数桃蜜童蹴龇 1 引言 第一章绪论 伴随着科技的发展 通信的要求也在h 新月异 i 于光通信在通信的过程具有传输 速率高 容量大 保密性好 抗干扰能力强 防截获能力强以及系统的低功耗 轻小 型化等优点 所以在通信技术方而 各国已经把光通信技术列为主要研究的课题之 o 12 空间激光通信特点 激光通信技术以其独特的优点 得到了越来越快的发展 所谓空 日j 激光通信即是 以极窄的激光光波作为载波经过空间媒质完成倍息传输 光束发射柬散角约有几十个 微弧度量级 在通信容量上较之微波通信 性能更优越 但矛盾之处在于其束散角要 比微波通信低很多 大约有3 4 个数量级 这样一束为保证通信链路长时问持续可靠 建立 对于高精度远距离的捕获 跟踪 瞄准技术提出了更高层的要求 对于空川通信到底是采用微波通信还是激光通信 一直以束就是争论焦点 支持 微波的立足l 其技术的成熟性 传输的可靠性 并且能比较方便的建立通信组网 另 一派则立足于激光通信的大容量 高效率 就目前发展趋势而高 激光通信确实有良 好的发展前景 其优点可以简单从以下几方面阐述 i 大容量 宽频带 光束传播速度 波长 频率三者 日j 的关系可以用下式描述 f f i1 其中 c 是光速 是波长 是频率 在真空中c z3 x 1 0 8 m s 2 约为 0l 1 0 可以看出 激光束有很短的波长 也就是说 具有很高的频率 这相对于微波通 信束l 兑高出近万倍 它的频带范围根宽 通信容量根大 虽然当 j f 利用激光通信实现 超大容量的技术还不成熟 但就长远束看 激光通信具有很大的发展潜力 必将成为 未来大容量通信的主要手段和选径 2 光学系统增益大 发射束敞角极小 对r 光学系统增益u 描述为 g 2 0 o g io 12 由上式可得 五越小 g 越大 也就是说较短的波长对应于较大的光学增益 通 常对于发射单元来讲 我们可将光学系统的增益理解成通信光束辐射束散角的压缩 这样来 光学增益越大 理沦卜讲就使得通信光束束散角压缩的更小 如此就更能 提高接收单元的接收光功率密度 假定光束以近衍射极限角口发射 则其柬散角可用f 式描述 口 2 4 4 2 d 13 其中 d 为天线系统口径 五为波k 明显天线系统口径反比于束散角 波长正 比于束散角 对于特定的发射系统来说 其天线系统口径固定 此时更短的波长能完 成更小的束散角发射 如此柬 光通信就比微波通信更能有小的发射束散角 如此 就会使得接收端的功率密度提高 某种意义上就减少了空间传输过程中的损耗以及降 低了发射端的发射功率 为系统的远距离通信 发射端轻小型化设计奠定了基础 3 抗干扰 舫截获能力强 安全可靠性高 之所以讲抗干扰能力强 是因为激光通信的天线系统口径远比微波通信的要小报 多 这样受到的诸如背景光造成的自然干扰就远比微波通信小很多 再者激光通信波 段远离电磁波段 所以受到的备种人工电磁干扰就比较小 所谓安全可靠以及防截获能力强主要表现在以下三点 首先 激光束的传播具有 很强的定向性 再加上本身近衍射极限角的发射 使得其传输更加安全 其次 通常 选用的通信激光的光波波段在近红外波段 是非可见光 传输不易被发现 最后 激 光光束的传输 大特点就是高速率传播 其在空 日j 的有效传输时 玎j 报短 这样就不易 被截获和破解 4 轻小型化 激光通信系统在轻小型化方面具有很大的优势很潜力 其发射单元的光源多选用 半导体激光器 具有比较低的功耗 1 再者 其天线口径较之微波系统也小很多 这在 体积 质昔上也占有优势 但毕竟激光通信系统除了通信系统外还必须有结构比较复 杂庞大的 阿系统 所以 p t 系统的轻小型化 集成化也成为当时争相研究的重点 儿事都有两而性 激光通信虽然有以上诸多优点 但是其缺点和挑战也不少 主 要表现为一下几方面 1 空问激光通信受到大气信道影响严重 空问激光通信在大气中丌展必然会受到大气的影响 诸如 大气吸收 折射 散 射等造成的传输水稳定性 能量衰减等 醣影响要比微波通信在大气传输中严重的多 当前只能在比较合适的晴朗的天气环境下配合微波射频通信完成分时紧急 安全的空 白j 通信 2 适合丌展点对点通信 微波通信的硅著优势就在于覆盖面积广 跨越区域大 适合j 1 播通信和组嘲的建 立 而激光通信由于传输的定向性 便r 丌展点对点之问的通信 很难建立起通信组 网 3 宅r l 激光通信需要尚精度 复杂的a p t 分系统 空问激光通信的请多优点如 方向性强 抗干扰 防截获能力强等都直接因为其 通信过程中的近衍射极限角的光束发射 这特点也带柬了负面影响 由于激光光波 本柬就很窄 发射束散角义极小 而通常的发射和接收单7 c 是都不是静j l 的 可能是 机载 i i 可能是车载等 在加上大气信道的影响 耍想保证长链路距离上的准确可靠 的传输只依靠主要功能单元 通信发射单元和接收单元是远远小够的 还需要高精度 的 复杂的a p t 分系统柬保i e 传输的可靠性 而a p t 分系统的复杂性往往也体现在其 有复杂的结构和比较大体积质量 这对空问激光通信的轻小型化也就提出了更高的要 求 3 空间光通信国内外发展现状 1 国外现状 由于空间光通信的巨大发展潜力和优势 国际上很早就掀起了争相研究空间激光 通信技术的热潮 美国在2 0 世纪6 0 年代中期就丌始了空1 日j 激光通信技术研究 t 要参研部门有美 国空军 美幽国防部战略导弹防御组织 b m d o 美国国家航空航天局 n a s a 的j p l 实 验室 b a l la e r o s p a c e 公司等 迄今为止取得重大成果 突破了诸多技术难题 2 0 0 6 年1 2 月份 欧洲航空防务与空间公司 e a d s 联合法国国防部采办局 d g a 开 展了机载激光链路技术演示器 l o l a 演示试验 完成丁弋机与地球同步卫星问的初步 激光通信 通信速率约5 0 m b p s 通信距离约4 0 0 0 0 k m 飞机海拔高度约9 k m 该试验的 成功突破了以下技术难题 l 实现了发射单元和接收单元之问高达1 0 9 以上的有效光 隔离度 2 对天空背景光以及太阳光的影响进行了有效抑制 仪有5 的死区范围 3 完成了发射和接收视轴的精密装校 e s a 成功的研制了s i i e x 系统 在此基础l 他们还研制了多个与s i l e x 兼容的终 端 诸如 v s o u t v e r ys m a l lo p t i c a u s e rt e r m i n a l s o l l s m a l lo p t i c a l t e l e c o m m u n l c a t i o nt e r mj a n l 以及s o u t s m a l1 o p t ic a u s e rt e r m in a l 在这些终 端的研制过程中他们比较注重轻小型化设计和模块的集成化设计 这对与整个系统的 高速率和轻小型化实现提供了前提保障 同本对于空问光通信技术的研究丌始的也比较早 早在2 0 世纪h o 年代中期就有 邮政省的通信研究室 c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y c r l 日本航天局n a s d a 等分别承研o i c e t s 系统和l c d e 系统的以及e t sv i 系统 9 当前的发展也很迅速 突破了诸多难题 墩得了很多新成果 表卜1 笄人国家庄空间光通信发展现状 国家 研究机构 系统功能 欧洲欧洲航灭局 e s a 实现g e o f o n l 正 通信系统s 1 l e x 电信新技术研究所太空环境的模拟 提供地面测试条 f 本 a t r 件 邮电省通信研究实初步实现地面站 日本 验室 c r t f o n r g e o 之通信 制作l c e 同本空间发展局 n计划实现g e o f o n l e o g e o 同本 a s d o n t g e o i l c 林肯实验室1 ir i c o l n 美罔1 0 g b p s 高速调制及量子限接收 l a b m i t n a s a sg o d d a r d 激光通信转发器 l c t 用于自由 美国 s p a c ec t r导窀问站 实现g e o f o n l l l e o 联接 2 国内现状 相较于国际上的发展 我国激光通信技术的研究起步比较晚 但是其发展也很受 蘑视 国内开展空问激光通信系统和关键技术研究的主要单位有各类高校 研究所以 及研究院等 各自研究的方向也部呈现多样互补 哈尔滨工业大学重点开展星际激光 通信系统与关键技术研究 电予科技大学重点丌腰空间激光通信系统设计与仿真和星 地激光通信方面研究 北京大学在抗强背景光干扰探测方丽具有优势 上海光机所在 空问激光通信系统性能测试与评估方面具有优势 长春理工大学开展空 日j 激光墟信研 究已经有二卜余年的历史 先后丌展空问激光通信理论 仿真 关键技术和演示验证 研究 现捌有空地激光通信技术国防重点学科实验室 重点开展航空平台 地面平台 大气信道的激光通信技术与系统研究 4 空间激光通信的a p t 分系统 捕获 对准 跟踪分系统 a p t 的存在就是为了有效的实时补偿和抑制空m 平台的 自身振动和两者之 日j 的相对运动等引起的不确定因素 以便实现目标的高概率快速捕 获和高精度的跟踪 它是整个通信系统中的核心组成部分 为了完成高质量的通信过 程 性能良好的a p t 系统必不可少 当f i j l 雪际t 多采刖糯精复台轴a i 1 跟踪技术 有 效的结合了粗跟踪和精跟踪自身的优点 p t 分系统按功能可分为以下几部分 1 捕获控制单元 捕获控制竹元士要完成两个任务 首先是依靠平台姿忐测量 单元 i n s 或星敏感器 和平台定位单元 星历表或g p s 等 完成双端视轴初始指向 从而 获得较小的开环捕获不确定区域 其次是依靠土动信标光源和较大视场捕获探测单元 在不确定区域内完成快速 高概率的捕获 进而构建光链路闭环 为稳定跟踪奠定基 础1 2 粗e h 踪伺服单元 粗跟踪伺服单元作为复合轴a p t 分系统的外部珂 路 主要由 柑跟踪探测器 羊h 跟踪伺服控制器 粗跟踪伺服转台构成 在捕获阶段完成后 快速 实现动态靳 跟踪 h 跟踪啦元为了实现快速高概率的捕获 需要有较大的跟踪视场 并且其跟踪带宽比较低 负载量也比较大 其跟踪精度必然无法满足要求 但基于复 合轴的工作机理 丰凡跟踪只需要保证跟踪的稳定性井将目标导入精跟踪视场即可 1 3 精跟踪伺服单元 精跟踪伺服单元作为复合轴a p q 系统的内部环路 主要由宽 带 高谐振频率的光束伺服单元 高采样频率的光斑质心检测单元和数字伺服跟踪单 元构成 精跟踪单元为了能对 h 跟踪残差进一步有效抑制 具有小视场 高的伺服刚 度和带宽 整个系统的最终跟踪精度都取决于精跟踪的跟踪精度 它是空洲激光通信 系统的关键环节 4 提日口量对准单元 因为通信平台一般都是搭载在有相对运动的载体上的 所以 不可避免的要主动补偿平台相对运动所引起的误差 这就需要有提前量对准单元 与 精 h 踪单元相比 它的伺服带宽要求不高 但是考虑到总视轴误差源的优化 也要求 有很高的提日u 量对准精度 1 5 本文研究的主要内容 激光通信具有高速率 宽带 抗干扰和抗截获能力强 轻小型化等突出优点 使 其得到国内外的高度熏视 并且获得了迅速发展 在激光通信a p t 分系统的精跟踪系 统中 由于振镜能够决定精跟踪系统的带宽和精度 所以如何使振镜实现高带宽 高 精度 高分辨率就是a p 精 r 踪系统中的关键技术 正是鉴于空 白j 激光通信的以上优 点 发展趋势以及空间激光通信a p t 分系统中精跟踪技术发展的迫切要求 本文研究 的主要内容可分以下几点 1 分析复合轴a p t 伺服系统的工作原理与精跟踪的组成与特性 2 p z t 振镜检测补偿闭珂 的电路设计 j 振镜伺服单元的设计 4 基于d s p 2 8 l 的智能数字伺服控制补偿的实现 第二章复合轴a p t 系统中精跟踪单元的组成及特性分析 21 复合轴a p t 伺服系统的工作原理 典型空问激光通信复合轴a p t 分系统功能框图如下图 图21 所示 图2i 字问激光通信复台轴 p t 系统框幽 空问激光通信a p l 分系统具有两种工作方式 在视轴柳始指向与在丌环捕获不确 定区域扫描过程中 完成精确视轴指向工作 土控计算机依据引导信息 通过坐标变 化获得可控电压信号驱动相跟踪伺服转台 进而带动光学视轴整体指向 这一过程中 光闭环还没有完成 因此当前的闭环检删精度主要是依赖安装在粗跟踪架上的旋转变 雎器或者轴角编码器 由此构成位置闭环 以便能成功捕获到倍标光斑 当捕获过程完成后 主控计算机会将系统切换到光电成像跟踪方式 这种工作方 式f 目标视轴和当前实际光轴的偏差量由粗跟踪成像检测单元来检测 接着将检测 误差量转换为可控电信号用于驱动两轴伺服转台 对光学视轴进行修萨 从而完成稳 定粗跟踪 当 j 订高精度跟踪系统 一般都采用车h 精复合轴控制技术 这种结构模式能方便粗 跟踪和精跟踪的结合 进而完成高稳定度 高精度 宽带主动跟踪 复合轴跟踪系统 就是将宽带的子轴控制单元嵌入到主轴h 利用高精度 宽带子轴 h 踪单元 对粗跟 踪误差进一步抑制 从而在保证了系统稳定性的前提下获得高跟踪精度 2 2a p t 系统中粗跟踪单元和精跟踪单元的比较 对1 一复台轴的a p t 跟踪系统 其聿h 跟踪伺服单元山丰 1 跟踪伺服转台 轩1 跟踪相机 丰 跟踪伺服 y l 元构成 它是典型的光电成像跟踪系统 精跟踪单兀由光斑质心检测单 元 光束精密伺服单元和精跟踪控制单兀三部分构成 精跟踪单元具有更高的采样速 率 更高的光束执行能力 所以精跟踪具有宽带 高精度特性 当前为了满足高性 能的激光通信系统的特性要求 若只单的采用柑跟踪技术 出于其本身结构和所采 用的执行机构的限制 无疑速度会比较慢 惯量也火 控制带宽也严重受到限制 而 且较大的机械误差也不容忽视 这样整个系统的跟踪精度就比较低 很多情况下是无 法满足通信系统的要求 若只单的采用精p 踪技术 虽然相对于粗跟踪柬醯 其速 度快 睽量也比较小 而且由于常选j 1 j 谐振频率比较高的执行机构 多为f s m 可以做 到比较高的控制带宽 从而很好的满足跟踪精度的要求 但由于其视场比较小 跟踪 范围不够 单独使用也不理想 鉴于两者优点存在互补性 目前远距离激光通信系统 多采用二者结合构成的复台轴a pr 跟踪系统 下图 图22 即为一经典复台轴a p l 系统 工作原理图 七 萨 崭 林 系 统 捌22 空间激光通信复合轴a p t 系统原理酬 23 复合轴a p t 系统中粗精伺服单元间的优化设计 复合轴a p l 系统叶 主从跟踪单元的优化设计主要关心其在完成a p t 跟踪任务的过 程中 根据粗跟踪和精跟踪系统的跟踪频率 优化设讣萃h 跟踪和精e h 踪的跟踪带宽使 其满足系统控制约束条件 2 1 复合轴控制系统框图如f 图 图23 所示 图23 复台轴挎制系统框幽 假定分别用 刚临 e p 来描述探测器的输出特性 q 洲0 g 啦 临 和q 岱 相应的用来描述主跟踪 从跟踪系统的控制器以及对象传递函数 系统等效闭环传函可根据图23 解算得束 f 曲 型 鉴 盟 坠盟 监趔坠塑 21 一 r s i 阡乙 j l h 么 j 上式中吒洲 s s d 删 s g 舶 s s e s 吃 s g 一 s 系统丌环传递函数由下式给出 形俐 s 虬洲 s 开 s 悯 s 阡o s 2 2 理想状态下的误差传递函数 不考虑噪声 s 1w s 口 s j 1 矿 s 23 图24 为依据主跟踪回路与从跟踪回路期望丌环幅频特性值 出 22 式关系计算 而拟合出的复合轴系统m j 主轴系统h s 及从轴系统彬 s 开环传递函数曲 线 对数幅频特性 山图24 可见 1 低频段 复合轴系统近似等效为主 从两轴的串联 系统传递函数为主 从两 轴传递函数之积 增益系数远大于单主轴系统 谋差抑制能力很强 与静态分析结果 一致 2 中频和高频段 复合轴系统功能主要决定于从轴 精跟踪 回路 带宽及动态误 差抑制能力较强 主要能够进一步有效的抑制粗跟踪残差 从轴伺服系统决定a p l 系 统的屉终跟踪精度 3 若设计不当 很容易致使主从伺服回路之问产牛谐振干扰效应 所以在设计的 时候尽量增加主 从网路的闭环带宽之比 通常情况下都要求从轴回路的带宽与主轴 回路带宽之比夫于5 在实际的设计应用巾 考虑到睹如伺服单元自身的噪声等因素 为保证跟踪精度 在精跟踪系统稳定的自 提下尽可能的提高精口h 踪的伺服带宽 一般都 要求大于l o 倍 蚓24 复合轴系统开环幅频特性曲线 鉴于以上分析 为达到粗跟踪精度要求 主跟踪回路的伺服带宽选取l i o h z 从 跟踪回路伺服带宽设计为3 0 1 i z 达到了从轴和主轴的带宽比远大t 1 0 倍以上 能够 进一步抑制主跟踪回路的跟踪贱差 24 精跟踪系统的组成与工作原理 l 划25a p t 系统精p r 踪组成框崮 精跟踪的分系统主要是由以f 四个部分组成的 1 精信标的发射单元 2 精信 标的探测单元 3 精跟踪伺服单元 4 精跟踪数字伺服控制单元 1 精信标的发射单元 精信标的发射单元是激光器和光束的整形单兀构成的 其 中激光器起着很重要的作用 本系统选择的激光器波长大约在8 0 0 h m 坛右 由于衍射的极限角限制了精信标光 束散角下限 所以为了降低信标光的光源功率 信标光束散角可以很小 在本系统中 闻为信标光的波长与通信光的波长很接近 因此为了降低系统的复杂程度与提升视轴 的对准精度 2 精信标探测单元 精跟踪探测单元主要功能足为伺服单元提供脱靶量 实现信标 光斑质心的精确 快速捡测 国际上对精跟踪传感器 1d u 主要啊两种技术途径 一种 雾 霉 是使用面阵c c d 对光斑质心的探测 使用面阵c c d 进行光斑探测的优势是其具有高分 辨率 高动态范围 线性度好 灵敏度高等 其二是采取q d 探测器 通过四个性能相 近 空间对称分市的四个光屯倍增管或叫个光电二极管予以实现 通过信标光斑在四 个象限功率分布的不同来检测二维脱靶量信息 此方法的特点是采样频率高 灵墩度 高 但同时也有动态范阳小 非线性差等缺点本系统采用高帧频c c d 相机实现光斑精 密 快速探测 根据精跟踪的原理框图可知 精跟踪探测单元的成像光学系统的等效焦距为卡赛 格林望远系统与二 次成像光学单元的焦距的乘积 二 ff 1 6 9 r a m 1 6 27 m 24 这样可以实现长焦距 高空 日j 分辨率的探测 进而可以提高精跟踪的像元分辩能 力和压缩精跟踪的视场 有利于对光学系统轻小型化的设计 3 精跟踪伺服单元 精跟踪单元中 光束伺服单元为精跟踪伺服单元的执行元件 为实现高精度跟踪 高速驱动器的选择搬重要 高速驱动器的驱动方式多种多样 比 如音圈电机驰动 压电陶瓷驱动等等 音圈电机取动的特点是具有动态范围大 控制 带宽和控制精度适中 适合于精度要求1 i 高的场合 如美国n e w p o r i 公司的振镜采用 音阐电机驱动 1 压电陶瓷 p z t 驱动的特点是动态范围小 谐振频率高 控制精度高 等 歇空局s i i e x 系统采用p z t 驱动的振镜 1 根据本链路的特点 其精跟踪范围仅为3 0 0 u r a d 带载后的谐振频率大于3 0 0 1 1 z 动态执行精度为亚微弧度量级 所以采用德国p i 公司s3 2 5 型号的p z t 振镜 该振镜 不仅满足任务指标 而且具有趄好的热稳定性和电磁性能 4 精 h 踪数字伺服控制单元 在精 h 踪伺服单元中 除了优选执行元件和检测元件 以外 其控制精度和系统稳定性的屉主要的部件就是伺服控制单元 广义的伺服控制 单元不仅包括控制算法的补偿 还包括图像光斑脱靶量的读墩 振镜的伺服控制等功 能 精跟踪单元采j l j 模拟设计离散化方法实现控制软件补偿 根据控制单元的近似建 模 构建二阶控制系统 通过经搀设计 推导出补偿函数 对其进行拉氏 z 变换 然 后通过c 语言软件编程实现 在精跟踪控制单元中 选取硬件方面非常重要 为了要实现轻小型化和降低功耗 采用d s p 2 8 1 l 作为核心中央处理器的方案 这罩采用基于p c i 0 4 的罔像采集卡和基于 d s p 2 8 1 1 的二三路高速d a 分别与c m o s 相机和振镜驱动单元接口 从而实现精跟踪闭环 的控制 在本系统q 采用的是 数字处理板束实现精跟踪闭环补偿控制 针对十不同的精跟踪单元 可能会 i i 于不同的特性要求而选取十h 应的执行机构 使得其具体的1 作原理存在差异 但从功能角度束 兑 其工作原理大件是致的 奉 论文中的精跟踪环的执行机构选取为德国p i 公司的s3 2 5 压电陶瓷 p z t 振镜 整个 精跟踪单元由光斑质心检测单元 光束精鬻伺服单兀和精跟踪控制单元三部分构成 首先由光斑质心榆测单元 高帧频c c d 实时检测光斑位置 以坐标形式将数据传输给精 密伺服单元进行脱靶量解算 将解算所得的补偿电爪量进行d a 变换实时传输给控制 驰动单元对执行机构进行驱动 进而将振动抑制在要求的范围之内 保证跟踪精度 25 精跟踪系统的控制精度分析概述 通过复合轴跟踪系统的工作原王 可知 复合轴a p t 分系统的虽终跟踪精度就是精 跟踪单元所获得的跟踪精度 而精跟踪精度的主要误差源有一下四种 1 光斑检测误 差 2 动忐滞后误差 3 平台振动残差 一 4 视轴对准误差 在此四项误差源当中 前三项可视为随机误差 分靠为高斯分巾 总误差为三者的均方和 第网项误差视为系 统误盖 总误差近似为系统装校误差和提盼量伺服误差代数和 系统总瞄准误差可用下 式描述 8 哪 o o t o o 3 4 口 a i a i 啦 虽然把上面的各误差定性的认为系统误差或随机误差 但实际l 每一种误差的 成因都有若干种可能 其分布觑律也大不相同 总瞄准误差与各个误差源的关系 1 如 下图 图26 所示 提阿 瞄准 总描准误差b f 0 3 a 2 a u r a d 0 a n l u r a d 准设差 0 o5 u r a db 0 5 u r a d 差 3 0 r 25 o i o o i2 l u r o d 光斑占 夏至 磊i i 习动误差 3 i o 5 u r a d 3 a 2 0 2 u r a d3 0 8 u r a d 幽26 精跟踪单元误差分配幽 赢 一濉 第三章光束伺服控制单元p z t 振镜平台的选取 31p z t 性能分析 冈为压电陶瓷自身的优良性能 它被越束越广泛的应用在精密微定位系统中 压 电陶瓷的种类很多 p z t 即是二元系j 五电陶瓷的典型代表 p z t 作为压电材料 当然具备所有常规眶电材料的参数指标 1 压电常数 主要用柬衡量材料的压电效应强弱参数 直接影响到压电传感器的 输出灵敏度 2 介屯常数 介电常数影响固有电容 所以限制了压电传感器的频率下限 3 弹性常数 也即剐度 直接影响固有频率和动态特性 4 机电耦合系数 用于衡量换能效率 通常指压电效应中转换输出与输入的能量 之比的平方根 5 绝缘电阻 其大小决定着电荷泄露的程度 关系着压电传感器的低频特性 6 居罩点 压电特性雀失的温度点 能合理客观的处理这些性能参数指标 对r 选取合适的压电材料有至关重要的指 导意义 对于压电陶瓷的应用基于的就是压电效应或者是逆压电效应 这样就会产生一个 压电陶瓷的极化问题 经过极化处理后的压电陶瓷性质可描述为一个三维坐标系 如 下圈 图31 所示 r z 3 饭 x 幽3i 极化后的等效二维坐标系 如上图3l 所示 极化方向为z 方向 我们在不同方向上施加电场 可得到如下 的逆压电效应表达式 s i s 2 s 且 s s 6 00 d 1 00 d l 00 d 0 以 0 d 0 0 00o 引 由卜式可知 压电陶瓷的压电教应只有在某些方向某些电场分量的作用下才能产 生难电效应 这点对于难电平台以及压电驱动器的制作都 艮重要 3 2p z t 振镜工作原理 3 21 压电效应 压电效应有两类 正压电效应与逆压电效应 顾名思义 谁压电效应是指当晶体 受到外部作用力的时候 出于内部电极化而导致的外表面集合电荷从而表现出来的带 电状态 这种状态随作用力的消失而消失 利用这种特性 可以制作很多压电式传感 器 逆压电效应即是当品体受到变化的电场的作用的时候所表现出相应机械形变的一 种现象 当前基于逆压电效应的精密徽定位系统应用也比较广泛 本文中选用的p i 公司的s3 2 5 型压电陶瓷微位移平台的动作机理就是基于逆压电 效应的 322p z t 振镜结构 1 压电陶瓷线性微位移器结构 对于单个的压电陶瓷片来说 当外部施加电场的时候 它本身就等价为一个微型 平行板电容 一般都比较薄 当施加电场比较强的时候 就很容易被击穿而妊失性能 通常 我们对所用的微位移器迁有一个比较苛刻的要求 结构要紧凑 尽可能的小 但同时位移量要比较大 那为满足这个要求 一般部是把多层的陶瓷片堆叠起来 胶 结成整体 同时埋入电极 使其机械结构成串联特性 电气结构成并联特性 本文巾 所选取的德国p i 的公司的s3 2 5 型p z l 微位移平台内部的线性压屯陶瓷柱体就是基于 这种结构 该种结构的优越性为其自身的j 泛应川奠定了基础 但所等效的电气特性 比较大的容性负载 也为性能优良的驱动器的研制带柬了更高的挑战 2 三电陶瓷驰动平台 s3 2 5 结构 要在精跟踪的控制过程1 1 l 使用改平台作为执行机构 就必须关注其物理结构 进 而明白三个压电骀动器的线性伸缩量 每一个驱动器的所需的模拟量的大小以及平台 所产生的角度之问的关系 如下图 图3 2 即给出了德国p i 公司的s 3 2 5 型压电陶瓷 振镜的内部物理控制结构 幽32 振镜物理结构酗 如图3 2 所示 分别用x y 代表振镜驱动器的两个运动平面 a b c 分别 表示它的三个控制点 b 和c 控制点之 b j 的距离用符号b 表示 d 用柬表示外围圆 环的直径 其中 a 87 m m b l oo m m d l l6 m m a 打 3 2 孕压 33 坚二塑 二1 2 1 34 a 口 b c 3 5 z 3 6 3 通过上l j i 的关系表达式和物理结构图了解到 在这三控制点巾 任何处的控制 模拟电压值 发 变化 其都会使得平台的倾斜角度随之改变 我们通过驱动每一处 的控制点 对其施加一定的电压量 使平台倾斜特定的角度 到达预期的位置 每一 处控制点具体所需的电压量根据自 级光斑成像检测单元给出的光斑位置和精跟踪视场 的中心位置 靶标位置 进行解算得到的脱靶量换算所得 考虑到整个过程中对振镜的 保护 有必要在程序设计的时候对特定数字量的范围进行限定 33 振镜平台的选取 振镜的工作原理是驱动器产生角位移或线位移 驱动附加在驱动器上粘贴的反射 镜实现角度二维偏转 精跟踪单元对振镜的要求非常高 1 仅要满足控制精度 控制范 围和谐振平台基础上 还要辟量保证轻小型和低功耗 为了选取最佳光束伺服执行 机构 我们根扣 具体的链路和系统特点 对常月j 的两种振镜进行比较 1 电磁振镜 电磁振镜内部般集成4 路驱动器 驱动器是音圈电机 音圈电机 的特点是可以将电信号转换成为直线位移的直流电机 从机械结构角度方面来看 音 幽电机主要是由四大部分构成 磁铡 线圈 运动体以及簧片 它的工作原理可以描 述为 在动圈的行程范围内先山磁钢产生比较均匀的磁场 之后当线圈有电流流过时 必然会受到磁力的作用而运动 正是根据提供电流量的大小进而控制磁场力的大小 使平台产生精密微位移 它无需转动机构 即可获得直线运动 电磁振镜内部集成的4 路驱动器构成两维推拉式工作 进而形成二维倾斜平台 机械结构图如图3 3 所示 幽33 音嘲振镜结构图 音圈电机驰动主要特点是县有动忐范围大 控制带宽和控制精度适中 一般用于 f h 踪范围较大 精度不苛刻的场合 比如美国的b a ll 公司振镜选择的是音圈电机驱动 它的外观示意图如图34 所示 幽34 音罔电机示意凹 2 压电陶瓷振镜 目前 压电陶瓷振镜被广泛的应用在微位移技术中 其特点是基 于逆压电效应 实现电能与机械能之问的转换 是一种产生微位移的换能元件 在当 前的微位移技术斗1 应用非常广泛 因为压电陶瓷振镜比其他伸缩材料更具有一定的优 越性 其优越性主要有如下几点 1 驱动能力强 能够以l o k h z 以上的工作频率推动 重至几吨的载荷 2 伺服精度高 借助固态晶体的压电效应 实现纳米级的步长 具 有很高的精度 3 响应快 可达u s 量级 4 驰动功率小 它等价为一个电容性负载 产生动作时才消耗电能 静志功率非常小 5 压电效应无磁干扰 仅仅依赖于电场 因此在响应速度和位移分辨率方面压电陶瓷驱动器比摆动电机更有优势 其1 发热 控制方式简单等特点又优于音圈驱动器 目前大多数的空问激光垣信系统的精跟踪和 提前量伺服机构都为p z t 振镜 p zr 振镜的工作原理图一般如图35 所示 醋35p z t 振镜i 作原理幽 p z t 振镜一般是山3 4 个驱动器组成的二维倾斜平台 其中每一个驱动器都完成 各自的伸缩运动 每个驱动器枉体分别 i i 许多 午p z t 晶体片组成 原凼是单片的p z t 1 6 溥一 蔗 r 晶体的位移量非常有限 由于p z t 是容性负载 所以p z t 角度范围越大 叠层数越多 等效并联电容就越大 p z t 驱动能力越强 p z t 有效i 郇暇越大 等效电容就越强 所以 大功率 大角度p z t 需要更强的驱动能力 进村影响带宽 所以 高速率 快速驱动 能力是p z t 中的关键技术 图36 为德国p i 公司的s3 2 5p z t 微位移平台的实物图 幽36 德国p i 公司的s 3 2 5p z t 微化移半台的实物创 考虑以上两者特性对比 我们选用德国p i 公司的s 3 2 5 型压电陶瓷振镜 浚平台 显著特点就是快速和结构紧凑 其内部有三个压电陶瓷驱动器成间隔1 2 0 分布 驱动 电压输入0l o o v 对应于o 3 0 u m 的微位移伸缩量 倾斜角度为 2 5 m r a d 控制精度 可达亚微弧度 这种三个驱动器川隔1 2 0 的分巾结构使得该平台在温度范围大的情况 下其角度稳定性也会很高 温度只能牲7 r 环模式f 影响垂直方向 的位移量 不会造 成角度上的漂移 平台系统设计使用直径2 j 帆 厚度6 m m 的反射镜片 平台带载谐振 频率为1 6 0 0 h z 浚平台由于是小功耗的容性负载 只有在有电压驱动的情况f a 有仲 缩量 才会产生镜片的偏转角度 当撤掉驱动信号的时候能够自动地恢复到训始状态 第四章基于d s p 对精跟踪闭环系统的设计与误差补偿的实现 41 动态跟踪闭环的设计 精跟踪闭环系统具有动态范围小 伺服带宽高等特点 由此用的芯片应具有较强 的实时处理能力 我们发现d s p 芯片的实时处理能力很强 所以本文选取d s p 处理器 作为精跟踪的主控芯片 嗣时系统的体积 功耗和质量等方面在很大程度上部减d y 本文的精跟踪的数字伺服系统主要足由振镜伺服单元 c c d 的光斑成像单元 监视 设备 c a m e r al l n k 转接卡 脱靶量图像处理单元 d s p 数字伺服单元构成 它的跟踪 范围是3 0 0 u r a d 跟踪精度为2 u r a d 伺服带宽在3 0 0 h z 左右 组成结构如下图41 所 币 幽4l 精跟踪中数字伺服系统结构框幽 对数字伺服系统结构圈总体分析 输入信标光照射振镜上 进入到振镜伺服单元 振镜的表面把此信标光反射到高速c c d 十日机中 c c d 相机在实现光斑成像以后与f p g a 共同完成脱靶量运算 得到光斑的脱靶量 而后脱靶量图像处理单元的光斑数据传送 到d s p 数字伺服单元中 d s p 对数据进行解析求出所需的光斑脱靶量 再进行控制补偿 补偿可以提升精跟踪的跟踪精度与伺服带宽 有效的抑制光斑抖动 此后再对补偿后 的数据进行数模转换 将模拟量传输到振镜的伺服啦元早 根据此模拟量 振镜进行 摆动 把信标光反射到c c d 相机的中心位置上 最终实现了光斑的对准与跟踪 1 其中c c d 相机输出的信号被c a m e r al i n k 转接卡分为两路 其中监视设备接收一 路信号 监视设备的作用是收集当前的脱靶量数据 观察精跟踪校正效果 脱靶量图 像处理单元i i 一接收另路相同的信号 利用f p g a 进行图像处理 在数据处理结束后 解算出光斑质心距离c c d 参考中心位置的差值 即我们定义的脱靶量 数据结果通过 串口发出 等待d s p 数字伺服单元的进步处理 采用r s4 2 2 通信模式把处理结束后 的数据传送到d s p 数字伺服单元 d s 数字伺服单元也采取i s4 2 2 通信模式 且波特 率应达到l5 m b p s 以上 d s p 数字伺服单元与脱靶量图像处理单兀之问完成串口通信 后 对光斑脱靶鲢的数据进行解算 实现控制补偿 然后通过数模转换器 控制振镜 的二维偏转 为了保证系统的实时性 d s p 数字伺服单元必须在下一帧数据到之前完成 串口通信 数据处理及d a 转换等工作 所以这些任务要在3 3 3 u s 内做完 42d s p 芯片的选取 代科技发展迅速 随着电子技术的快速发展 电子芯片证朝着运算速度快 集 成度高 低成本 轻小型化的方向发展 在嵌入式系统中 数字信号处理器逐渐的成 为其主要伺服控制器 而且得到了很多领域内科研人员的认可 d s p 是一种具有特殊 结构的微处理器 它能够快速的实现各种复杂的数字信号的处理算法 在数字信号 处理方面有着得天独厚的优势 在d s p 器什当中 t i 公司的2 8 1 x 系列 在伺服控制 方面用的比较广泛 综合考虑到所选器件的处理速度 精度 容量大小以及可应用资源的多少 我们 发现美国t i 公司的t m s 3 2 0 x 2 8 jx 系列的处理器的特点是体积小 封装的形式采用s o i c 尤其是内部集成多种器件资源 这样可以引脚数日得到了缩减 所以以其作为主控单 元的系统体积减小了 为光通信系统中轻小型化的实现提供了条件 我们选用t 1 公司 的3 2 位 r m s 3 2 0 l f 2 8 1i d s p 作为核心处理芯片 它整合丁d s p 和微控制器的虽佳特性 有丰富的i oi i 资源 本设计中方便了对 二路并行d a 的操作 有两个s c i 通信接口 a b 一个用柬实时接收光斑检测单元传 输的光斑位置 一个用束和总控机连接输出所要显示的信息 诸如脱靶量 背景光能 量 光斑能量等 从系统信号流向可以看出 智能数字伺服单元接收并处理了成像检 测单元的信息后 需要将当前的数字信号通过数模转换芯片转换为模拟信号输入到执 行驰动单元 进而实时驱动p zr 振镜 山于p z t