高精度光电跟踪瞄准技术研究与分析关键技术论证报告

编号密级阶段标记页数16高精度光电跟踪瞄准技术研究与分析关键技术论证报告编写校对审核标审批准中国科学院长春光学精密机械与物理研究所目次1概述12使用背景分析与系统组成121使用背景分析122系统组成13指标分析与设计231系统探测器与传感器选择2311光斑探测器2312快速反射镜5313编码器选择5314电机参数7315功率放大器832精度分析9321设计分析93211精度分析与系统带宽设计93212滞后时间对控制系统带宽的影响分析103213设计分析总结11322仿真分析114设计总结141概述为了实现实时稳定的大气激光通信，使通讯误码率能够达到108以上的要求，首先需要实现对激光的捕获和高精度实时自动对准，一般情况下对自动跟踪瞄准的精度要达到1URAD10URAD这样的数量级。对这么高的跟踪精度要求，一般采用传统的单级速度、位置回路控制方法是很难达到的，因此在这种高精度跟踪要求下一般需要加入二级控制系统甚至是三级控制系统。本课题中激光通讯设备为了实现激光的捕获和实时自动对准，针对激光通讯设备不同的使用场合分别分析和设计了不同的高精度的伺服控制系统，此控制系统拟实现激光通信设备光斑的自动跟踪瞄准精度优于5URAD（1）。2使用背景分析与系统组成21使用背景分析目前激光通讯设备主要应用环境有陆地陆地、舰船陆地、舰船舰船、星载星载、星载陆地（舰船），按照激光通讯设备基座的运动特性可规划为固定基座固定基座、固定基座动基座和动基座动基座。对于固定基座固定基座使用的激光通讯设备，因为其基座不会引进干扰运动，所以相对于其他两种使用方式要相对容易一些。22系统组成针对激光通讯设备基座使用特性的不同，设计的高精度跟踪瞄准系统结构也不相同。对于固定基座固定基座使用的激光通讯设备，设备口径在200MM以下，结构框架相对重量较轻、带宽较高，所以可以采用传统的速度闭环加位置闭环的单级控制结构。这种单级控制结构的原理框图如图1所示。位置调节器速度调节器功率驱动执行电机跟踪架速度反馈目标位置速度滞后反馈加速度滞后反馈图1单级控制结构的原理框图但对于动基座使用的激光通讯设备，由于基座扰动的存在，很难将跟踪瞄准精度控制在10URAD以内，基座扰动信号一般可以描述成FAMSINWT，其中AM是扰动幅度，一般在13范围内，W代表扰动频率，一般在051范围内。传统单级控制系统模型带宽的设计受限与机械框架的谐振带宽等因素，一般可以设计到位置回路闭环带宽68HZ，因此难以抑制基座带来的干扰。所以需要引进控制带宽更高的二级控制系统（快反系统），采用传统的速度闭环加位置闭环控制系统（粗控制系统）加快反系统（精控制系统）共同参与的复合轴控制结构，当粗控制系统控制精度达到精控制系统要求时启动精控制系统（快反系统）。复合轴控制系统结构原理框图如图2所示。位置调节器速度调节器功率驱动执行电机跟踪架速度反馈目标位置速度滞后反馈加速度滞后反馈压电陶瓷快速反射镜控制器目标指向四象限高速探测器图2复合轴控制系统结构原理框图3指标分析与设计31系统探测器与传感器选择311光斑探测器光斑检测系统是一种由输入光信号照射到目标靶面，目标靶面经过光电转换探测到输入信号位置以及光斑强度的系统，并能和光斑跟踪系统一起根据检测所得的数据对输入光信号光强重心位置进行解算。其系统的主要元件为四象限探测器（QD），原理如下。QD是一种光电探测设备，其感光面按照X、Y轴被分为4个部分，等同于直角坐标系中的四个象限。当激光束成像到探测器的光敏面上时，形成一个光斑，如图15左图所示。光斑在探测器的四个象限中也被分成四个部分，面积分别表示为1234S、，这4块光斑在探测器表面分别产生的阻抗电流为1234II、，根据电流的大小可计算出光斑在坐标系中的位置。图3右图为实验室用的QD器件。图3光斑示意图及PSD当光斑中心不在探测器中心时，光斑的偏移将改变光斑在四个象限上的投影面积，光斑的偏移量YX和与光斑在四个象限上投影面积差成正比，即与探测器四个象限的输出电流差成正比，由于电流经过放大电路转换成电压（为了易于后端主控板接收信号），因此激光光斑中心的偏移距离可表示为142314231423123412341234SIVXKKKIYI式中电压V、为QD各象限输出的光电流信号转化成的电压信号，K是一个可调节系数，用上面的公式即可算出脱靶量信息。QD接收光信号后输出的是四项弱电压信号，输出信号幅值在毫伏级，这样的弱信号不能直接送到AD转换器使用，需要经过运算放大处理，将其放大到适合AD转换量程上限的强信号，在选用5VAD转换器的情况下，当入射光使探测器输出饱和的情况下，需要将此时的饱和输出电压值放大到接近AD转换器的上限转换电压值5V，但不能超出量程。QD输出的弱信号本身会含有一定的背景噪声信号，这些噪声信号一般均为高频信号，为了削弱这些高频噪声信号对探测器位置检测计算的影响，需要在信号放大后进行低通滤波信号处理，低通滤波截至频率设计到20KHZ。经过低通滤波处理后的每一路信号分别送到8通道16位高精度AD转换器的每一个输入端进行A/D转换处理，将其转换成16高精度数字信号，DSP控制芯片将这四路数字信号通过总线采集到控制器内，通过QD探测器的位置解算公式就计算出探测器采集到的光斑重心位置数据。四路弱信号运算放大器PSD的V3输出信号PSD的V4输出信号PSD的V2输出信号PSD的V1输出信号四路低通滤波电路四路16位高精度AD转换器总线DSP运算控制器图4QD信号采集处理框图系统拟选用QD主要参数如下AQD靶面尺寸3MM3MM；B光谱范围13101550NM；C入射光斑尺寸021MM。目前实验室测量结果如下使用波长为1550NM，光斑位置分辨率为2M，数据输出频率2000HZ。如果将QD换算为成靶面分辨率的话，约为15001500。由光学系统参数设计可知，接收系统接收视场为15MRAD，则接收系统像元角分辨率约为573360015/100015000206同时QD的数据更新率可以达到2000HZ。312快速反射镜快速反射镜选用PI公司的S340型号高速压电偏摆镜，其满振幅摆动频率可以达到1KHZ，并且其本身带有位置检测元件，这种位置检测装置采用压电陶瓷进行位置检测，分辨率为01RAD，摆动范围最大为2MRAD，重复精度可以达到1RAD，同时其可载荷最大面积为100MM的反射镜。其基本技术指标如表1所示，实物图见图5。表1PI快速反射镜主要参数口径50MM开环行程2MRAD20行程（机械转角）2MRAD位置分辨率01RAD全行程重复性1RAD机械谐振频率（5015MM玻璃镜）900HZ20图5PIS340实物图当反射镜直径50MM厚度15MM时，谐振频率可以达到900HZ。经过光学设计计算，在系统入瞳直径为240MM时，倾斜45放置的口径50MM（倾斜方向）反射镜，转动2MRAD时，约可以实现05MRAD（103）的视场偏移。精跟踪系统视场角为15MRAD15MRAD。快速反射镜的行程覆盖在精跟踪视场之内（精跟踪市场选的偏大是为了光斑静态瞄准容易考虑）。313编码器选择对于粗跟踪回路，位置和速度的测量元件均采用观点编码器，针对精度指标要求，跟踪架方位、俯仰角度测量传感器均选用24位绝对式光电轴角编码器。2243601907分辨率为（24位）0077，测角精度小于1。码盘是编码器的核心元件，它是具有若干同心码道图的玻璃盘，每条码道由若干等周期的透明与不透明的线条组成。码盘如图6所示。图6编码器码盘24位码盘的分辨率为式中N位数分辨率狭缝是与码盘配对使用的另一重要零件，它限定了从码盘上提取信号的位置，保证从码盘上正确读取数据，码盘相对狭缝运动时，透过狭缝的光通量被码道图案调制，并为光电器件接收，变为光电流输出，其幅值随码盘转角变化，变化周期取决于码道线条宽度。各路光电流流各自的负载（信号处理电路中的负载电位计）后，变为一组模拟电压信号，再经整形，即成为与码道图案基本一致的数字信号。在较粗的码道部分，狭缝为窄缝，一般说，缝愈窄读数愈精。在较细的码道，狭缝可以作成多条即应用莫尔条纹技术提取信号，以增加通光面积与光电流。方位角及俯仰角编码器主要零部件完全相同，机械结构件略有区别，图7为角编码器结构，其中码盘直接安装在轴头上，与读数头相对转动后，由读数头输出的模拟量角度信息被送到信号处理电路放大、整形、细分、对径相加、校正、译码，变换成二进制代码送控制计算机，同时这组代码又经码制转换，被译成十六进制数码显示器供目视读数。1光源2码盘3狭缝（指示光栅）4光电接收器5主轴图7编码器结构图314电机参数粗跟踪回路采用的执行元件是力矩电机，力矩电机具有力矩输出大，力矩波动系数小等优点，适合于做高精度控制系统的驱动元件。A方位力矩电机峰值堵转电压70V7V峰值堵转电流25A峰值堵转力矩不小于600NM70V时空载转速25R/MIN连续堵转力矩不小于350NM连续堵转电压40V4V连续堵转电流145A转动惯量36KGM2力矩波动系数不大于1重量97KGB俯仰力矩电机峰值堵转电压60V6V峰值堵转电流63A峰值堵转力矩不小于64NM60V时空载转速50R/MIN连续堵转力矩不小于40NM连续堵转电压38V38V连续堵转电流4A转动惯量0105KGM2力矩波动系数不大于2重量135KG根据以往类似设备检测数据，选用该型号力矩电机可满足最大速度和最大加速度的任务要求。315功率放大器功率放大器完成对PWM控制信号进行功率放大，由25A大功率开关电源和30A功率级组成，装于一个机箱内，采用机箱散热与风冷结合方式，其结构如图431所示。功率放大器内部采用6单元IGBTIPM智能模块为核心功率器件，IPM模块的驱动电路内置，具有软开关功能，能防止误导通。IPM内含多种保护电路过流保护、负载短路保护、控制电压欠压保护及过热保护，并内含报警输出功能，当IPM出现保护动作时，有报警信号输出，该信号可使控制计算机停止输出驱动信号，并有指示灯显示报警。图8功率放大器32精度分析321设计分析3211精度分析与系统带宽设计复合轴跟踪系统的跟踪精度要求为跟踪误差均方根值小于5RAD（1），这是一个很高的要求。同时，我们考虑到粗跟踪系统会为精跟踪系统带来高达30HZ左右的振动干扰，它严重影响着系统对目标的高精度跟踪，因此，精跟踪系统要具有足够的控制带宽对其进行抑制，才能达到要求，从而保证跟踪精度的实现。跟踪精度与系统带宽之间的关系可用如下公式进行粗略的估算。对于我们现在采用的二阶校正形式的一阶无差度系统，加速度品质因数与系统位置回路闭环带宽存在如下关系KAA235FB2式中KA加速度品质因数；AKA对应的角频率；FB位置回路闭环带宽。对于精跟踪系统，一般扰动输入可写为AAMSINT，其中AM5000139（取决于精跟踪系统的稳态随机误差）；2314301884（RAD/S）。有最大加速度AMAM249337（/S）为达到跟踪精度均方根值1，所需加速度品质因数KAAM/EM493373600/31592061/S2则（HZ）1305ABF因此有位置回路开环带宽FC130/265HZ，开环剪切频率C408RAD/S。对于母系统，目标运动最大角加速度一般不超过AM1/S2。要求跟踪误差最大值小于103/617，所需加速度品质因数KAAM/EM13600/17211761/S2则（HZ）7853ABKF因此有位置回路开环带宽FC778/2389HZ，开环剪切频率C244RAD/S，可取C25RAD/S。这时速度回路开环剪切频率CV5C125RAD/S，因此有速度回路开环带宽FCV125/2314199HZ，闭环带宽FBV2FCV398HZ。控制对象机械谐振频率FR2FBV796HZ。因此，应使跟踪架机械谐振频率大于80HZ。3212滞后时间对控制系统带宽的影响分析探测器曝光时间（采样时间）和数据处理时间（包括传输时间在内）所产生的延时共同构成了处理系统的滞后。通常用下式表示GS1ETS/SETS式中T采样周期；T延迟时间。图像处理系统的滞后主要对控制系统的相角滞后产生影响。由采样保持和延迟导致的相位滞后为PT/2TCP573式中CP位置回路开环剪切频率。控制系统位置回路设计相位裕度为PC，而系统实际相角为PM，有PMPCP。工程实践和理论研究表明，要使闭环系统具有良好的稳定性，应该满足PM大于40。由此可得CP（PCPM）/T/2T573其中PC可取70。这就是探测器采样频率和处理延迟对控制系统带宽的影响。设图像处理器的处理延迟时间为半帧，则采样频率和控制系统闭环带宽的关系如下表2采样频率和控制系统闭环带宽采样频率（HZ）控制系统闭环带宽（HZ）10016675008337100016674在实际过程中还将采用外推预测补偿方法，减小滞后造成的相位延迟，以扩展控制系统带宽。3213设计分析总结为保证精跟踪子系统的控制带宽，我们采取如下措施第一，选用高帧频探测器。子系统选用的四象限探测器像元数为15001500，其分辨率更是达到了02，数据输出帧频可以达到2000HZ，满足了采样频率是带宽的5倍以上的要求。第二，四象限探测器数据输出不存在滞后延迟的问题，从而可以保证子系统的带宽可以做到65HZ以上。第三，选用压电陶瓷驱动的快速反射镜，在光学口径和工作行程都满足设计要求的条件下，其谐振频率达到900HZ以上，可以满足精跟踪系统的控制需求。要使精跟踪子系统最终精度达到1（RMS）的控制要求，粗跟踪母系统的跟踪精度应做到17以内。根据母子系统之间带宽关系，可以考虑将母系统的闭环带宽做在810HZ左右。为此，应满足以下条件第一，跟踪架的谐振频率在80HZ以上。第二，编码器采用24位，编码器采样频率和功率放大器控制频率为800HZ。第三，粗跟踪探测器与精跟踪探测器选用同一个探测器，输出数据可以达到2000HZ，不会给系统带来延迟和相位滞后，从而轻松保证粗跟踪处理系统的带宽达到810HZ以上，以达到跟踪精度要求。322仿真分析针对上文的设计参数分析，下面对设计的系统进行仿真分析和数据比较。粗跟踪回路的跟踪精度要做到17以内，根据以往设备经验，这个数据比较容易达到，因为激光光斑对准后运动特性较低，加速度和速度都分别小于1/S2和1/S。所内某型号经纬仪在低速（05度加速度，2度角速度）目标跟踪时的稳态误差跟踪曲线如图9所示。543210123451298595892118914861783208023772674297132683565单位（角秒）系列1图9某型号经纬仪目标跟踪时的稳态误差跟踪曲线从图中可以看出，跟踪稳态误差小于4，远小于粗跟踪17的精度要求。当目标运动特性加速度降低到0时，相当于设备作低速等速目标跟踪，所内某型号经纬仪作05/S匀速目标跟送时的跟踪误差曲线如图10所示。从图中可以看出跟踪误差只有12。1510500511513146279401253156618792192250528183131344437574070单位（角秒）图10某型号经纬仪作05/S匀速目标跟送时的跟踪误差曲线对于精跟踪系统，要使其跟踪误差小于1，不仅仅要考虑粗跟踪系统残留的跟踪误差（包含30HZ左右的振动扰动），还需要考虑其基座引入的晃动干扰FAMSINWT3SIN08T。建立精回路的系统仿真模型如图11所示。在仿真输入端只加入粗跟踪系统残留的跟踪误差（包含30HZ左右的振动扰动）R5SIN187T时精跟踪系统的跟踪误差曲线如图12所示，稳态跟踪误差小于06。CONTROLLERCONTROLLERZEROORDERHOLD2Z1UNITDELAYSINEWAVESCOPE6SCOPE5S340S340图11精回路的系统仿真模型图12精跟踪误差曲线当考虑基座引入的晃动干扰FAMSINWT3SIN08T时，系统地稳态跟踪误差仿真结果如图13所示。通过曲线可以看出稳态跟踪误差小于085。图13精跟踪误差仿真曲线通过上面的分析和仿真可以看出，只要严格按照精度指标分析去选取系统的各个检测元件，控制好系统的噪声干扰，通过精回路的高带宽设计，是可以实现高精