CN107121189B - 一种基于fpga的光束指向控制系统及其构建方法 - Google Patents

一种基于fpga的光束指向控制系统及其构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于FPGA的光束指向控制系统，包括依次位于光束出射光路上的快速倾斜镜FSM1、快速倾斜镜FSM2、聚透镜、光束分束器及靶面，该系统还包括四象限探测器QD、核心处理模块、扰动模块和运动控制模块，上述三个模块基于FPGA实现；当系统处于测试阶段：利用已知噪声的扰动信号优化PID调节关系；当系统处于工作阶段：根据未知噪声的类型，选择对应的PID调节关系，然后根据光束角度实际偏移量计算倾斜镜FSM2的调节量，控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化，使靶面上的光斑质心位于设定位置。该系统能够对远场光束的质心漂移进行快速校准控制，且成本低稳定性高。

Description

一种基于FPGA的光束指向控制系统及其构建方法
技术领域
本发明属于光束控制技术领域，具体地说涉及一种基于FPGA的光束指向控制系统及其构建方法。
背景技术
惯性约束聚变(ICF)大型激光装置需要将上百束高能脉冲激光精确引导并聚焦到靶点。这种激光装置通常采用与主光路激光严格同轴的连续模拟激光进行光路准直、引导及聚焦调整，并利用光路中的电动光学器件以及远场探测器实现对激光指向的闭环控制，从而实现多路强激光的高度聚焦，使其在很小的区域内形成极高光功率密度的光场。这种实现精确打靶的控制技术是世界各大高功率激光靶场光学工程的研究前沿。目前已有的光束指向控制系统大多采用科学CCD进行远场光斑信息采集，通过复杂的算法精确算出光束指向信息，最后由工控机计算出电动光学器件的控制量，如图1所示。
现有系统主要存在两方面问题，一方面，科学CCD不仅价格昂贵而且光束指向信息的计算方法比较复杂，很难满足普遍性和实时性，另一方面，由于科学CCD的接收功率有限，需要增加衰减片降低激光输入的能量，这样有可能会引起能量衰减过度，对能量质心的判断造成干扰，而且衰减片上的灰尘会引起衍射现象，从而影响质心的计算。
发明内容
本发明的目的是提出了一种基于FPGA的光束指向控制系统，该系统能够对远场光束的质心漂移进行快速校准控制，且成本低稳定性高。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于FPGA的光束指向控制系统，包括依次位于光束出射光路上的快速倾斜镜FSM1、快速倾斜镜FSM2、聚透镜、光束分束器及靶面，该系统还包括四象限探测器QD、核心处理模块、扰动模块和运动控制模块，上述三个模块基于FPGA实现；
当系统处于测试阶段：
所述扰动模块，根据光束质心位于靶面中心时倾斜镜角度偏移量生成模拟不同已知噪声的扰动信号；
所述运动控制模块，根据所述扰动信号或调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化；
所述四象限探测器，用于采集经光束分束器后分光光束的光斑，并将采集的光斑数据传输给核心处理模块；
所述核心处理模块，利用光斑能量分布计算出的光束角度实际偏移量、扰动信号所造成的干扰偏移量，利用PID调节关系生成使光束达到理想偏移角的倾斜镜FSM2调节量，并优化PID调节关系；
当系统处于工作阶段：
所述四象限探测器用于采集经光束分束器后分光光束的光斑，并将采集的光斑数据传输给核心处理模块；
所述核心处理模块，根据所述光斑质心变化判断未知噪声的类型，选择对应的PID调节关系，然后根据光斑能量分布计算出的光束角度实际偏移量，计算倾斜镜FSM2的调节量；
所述运动控制模块，根据倾斜镜FSM2的调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化，使靶面上的光斑质心位于设定位置。
进一步地，当模拟高斯噪声时，所述扰动信号为：概率密度函数其中θ1表示初始倾斜镜FSM1的角度偏移量，μ表示设定的角度偏移量θ1的期望，σ表示设定的角度偏移量θ1的标准差；当模拟线性噪声时，所述扰动信号为线性变化规律y(θ)＝aθ1，其中θ1表示初始倾斜镜FSM1的角度偏移量，a为设定的θ1的线性漂移量的系数。
进一步地，在测试阶段，核心处理模块具体工作过程为：
首先，将预设的光束理想偏移角干扰偏移角及光束角度实际偏移角作为核心处理模块中PID调节器的输入，PID调节器根据光束角度偏差值输出倾斜镜FSM2的调节量，其中所述PID调节器中设有倾斜镜FSM2倾斜角与光束角度偏差值之间的PID调节关系；
其次，将倾斜镜FSM2的调节量和QD再次检测到的光束实际偏移角作为核心处理模块中估计器的输入，估计器估计出倾斜镜FSM2的倾斜角与光束角度偏差值的关系，更新PID调节器的调节关系；
通过不断更新迭代PID调节器的调节关系，使得运动控制模块根据调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化，光束指向最终达到理想偏移角。
进一步地，在工作阶段，核心处理模块进一步通过QD采集的光斑信息判断光斑的质心是否在设定位置，如果没有，通过不断对FSM2的角度偏移量进行微调，直到光束质心回到设定位置，同时优化PID调节器的调节关系。
一种光束指向控制系统的构建方法，具体过程为：
步骤一，沿激光光束出射光路依次设置倾斜镜FSM1、倾斜镜FSM2、聚透镜、光束分束器及靶面，在光束分束器分出部分光束的光路上设置四象限探测器，在FPGA上设置核心处理模块、扰动模块和运动控制模块；
步骤二，核心处理模块根据入射至四象限探测器上光斑的能量分布，通过质心位置计算得到光束入射至靶面的初始位置(x0，y0)；
步骤三，运动控制模块调节倾斜镜FSM1和倾斜镜FSM2，使得光束质心落在靶面的中心点(0，0)，并记录此时倾斜镜FSM1和倾斜镜FSM2的角度偏移量θ1和θ2；
步骤四，扰动模块根据倾斜镜FSM1的角度偏移量θ1，生成模拟不同已知噪声的扰动信号；
步骤五，运动控制模块根据扰动信号控制倾斜镜FSM1倾斜角变化；核心处理模块中的PID调节器根据光束理想偏移角已知噪声所造成的干扰偏移角和由QD实际检测到的光束实际偏移角根据PID控制关系计算用于控制倾斜镜FSM2的调节量；
步骤六，运动控制模块根据调节量控制FSM2角度偏移量变化；核心处理模块中的估计器根据所述调节量和由QD再次检测到的光束实际偏移角估计出PID调节器的调节关系，更新PID调节器中的调节关系；
步骤七，重复步骤五-步骤六，直至根据PID调节器输出的控制量控制倾斜镜FSM2后，光束达到理想偏移角完成光束指向控制系统的构建。
有益效果：
第一，本发明采用四象限探测器作为激光指向检测模块，具有成本低，稳定性更高和计算方法简单等优点。
第二，本发明提出光束指向控制系统，以实现对远场光束的质心漂移的快速计算及校准，并且将四象限探测器及三个模块集成在基于FPGA的控制系统中，减少了科学CCD、衰减片和工控机等模块的使用，就能实现远程光束的精确预测和控制。
附图说明
图1为传统的光束控制系统；
图2为基于FPGA的光束指向控制系统；
图3为基于FPGA的光束指向控制流程；
图4为自适应控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
一种基于FPGA的光束指向控制系统，如图2所示，包括依次位于光束出射光路上的倾斜镜FSM1、倾斜镜FSM2、聚透镜、光束分束器及靶面，该系统还包括四象限探测器、核心处理模块、扰动模块和运动控制模块，上述三个模块基于FPGA实现；核心处理模块主要负责光束指向漂移的判定和控制信号的产生，扰动模块主要负责扰动信号的模拟，运动控制模块主要负责控制倾斜镜FSM1和倾斜镜FSM2倾斜角从而达到光束偏移的控制。待控制的激光束通过两个快速倾斜镜FSM(Fast Steering Mirror)FSM1和FSM2后到达聚透镜，并通过光束分束器BeamSplitter到达四象限探测器(Four-quadrant detector，QD)及目标靶面，QD将采集到的光斑数据送入基于FPGA的核心处理模块后，核心处理模块先根据光斑的能量分布通过质心位置的计算将光束的位置偏移量，再计算出角度偏移量，采用一定的控制策略将对FSM1和FSM2输入干扰信号和控制信号，最终获得理想的光束指向。
当系统处于测试阶段，此时是利用已知模拟噪声模型进行，该过程的目的是为了获取不同噪声所对应的最优的PID调节器的调节关系：
扰动模块根据光束质心位于靶面中心时倾斜镜角度偏移量生成模拟不同已知噪声的扰动信号。当模拟高斯噪声时，所述扰动信号为：概率密度函数其中θ1表示初始FSM1的角度偏移量，μ表示设定的角度偏移量θ1的期望，σ表示设定的角度偏移量θ1的标准差；当模拟线性噪声时，所述扰动信号为线性变化规律y(θ)＝aθ1，其中θ1表示初始FSM1的角度偏移量，a为设定的θ1的线性漂移量的系数。
运动控制模块根据所述扰动信号或调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化。当进行高斯噪声模拟时，运动控制模块控制倾斜镜FSM1的角度偏移量θ1按照概率密度函数规律变化对光束产生高斯噪声；当进行线性噪声模拟时，运动控制模块控制倾斜镜FSM1的角度偏移量θ1按照y(θ)＝aθ1的规律线性变化对光束产生线性噪声。
四象限探测器用于采集经光束分束器后分光光束的光斑，并将采集的光斑数据传输给核心处理模块。
核心处理模块利用所述光斑能量分布计算出光束的角度实际偏移量、扰动信号所造成的干扰偏移量，根据PID调节关系生成使光束达到理想偏移角的倾斜镜FSM2调节信号，并优化PID调节关系。具体过程为：首先，核心处理模块中预设有光束理想偏移角由已知扰动信号计算干扰偏移角并且环境中还会存在其他未知干扰噪声，需要同时计算光束实际偏移角将上述三种偏移角作为PID调节器的输入，PID调节器根据光束角度偏差值输出倾斜镜FSM2的调节量控制光束指向，其中所述PID控制器中设有初始倾斜镜FSM2倾斜角与光束角度偏差值之间的PID调节关系。其次，将倾斜镜FSM2的调节量和QD再次检测到的光束实际偏移角作为核心处理模块中估计器的输入，估计器估计出倾斜镜FSM2的倾斜角与光束角度偏差值的关系，更新PID调节器的调节关系；通过不断更新迭代PID调节器的调节关系，使得运动控制模块根据调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化，光束指向最终达到理想偏移角。
当系统处于工作阶段，此时系统已经构建完成，可以实现对未知噪声的精准调节和控制：
四象限探测器用于采集经光束分束器后分光光束的光斑，并将采集的光斑数据传输给数据处理模块。
核心处理模块根据所述光斑质心变化判断未知噪声的类型，选择对应的PID调节关系，利用所选PID调节关系根据光斑数据所计算的光束角度实际偏差量，计算倾斜镜FSM2的调节量；所述运动控制模块根据所述FSM2的调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化，使靶面上的光斑质心位于设定位置(即理想位置)。
核心处理模块能通过机器学习的方法，根据实际测试的光束漂移的数据，将线性漂移、热漂移和其他高斯噪声组合成的混合高速噪声信号快速识别出来，运用在该控制系统下建立的控制方法，不仅对不同类型的噪声进行快速精确地校正，提高了光束指向控制的速度和精度，而且可以通过QD的反馈信号不断地优化PID调节关系，使得该控制系统在动态环境干扰下具有鲁棒性。
本发明提供一种光束指向控制系统的构建方法，如图3所示，具体过程为：
(1)沿激光光束出射光路依次设置倾斜镜FSM1、倾斜镜FSM2、聚透镜、光束分束器及靶面，在光束分束器分出部分光束的光路上设置四象限探测器，在FPGA上设置核心处理模块、扰动模块和运动控制模块；
(2)在系统调试阶段，待测激光打开时，激光束通过两个快速倾斜镜(FastSteering Mirror，FSM)FSM1和FSM2到达聚透镜Lens，其中聚透镜Lens是用于获得光束的远场光斑。
(3)光束经过聚透镜Lens后，经距离聚透镜f1处的光束分束器Beam Splitter分束后，大部分的光束到达靶面，其中靶面与聚透镜之间的距离为f；仅有一小部分光束到达四象限探测器(Four-quadrant detector，QD)，所述QD用于采集入射至其表面光斑的能量分布，并将采集到的光斑能量分布数据送入基于FPGA的核心处理模块。
(4)核心处理模块根据光斑的能量分布通过质心位置的计算得到光束入射至靶面的初始位置(x0，y0)。
(5)根据所述初始位置(x0，y0)通过调节倾斜镜FSM1和倾斜镜FSM2，使得光束质心落在靶面的中心点(0，0)，并记录此时倾斜镜FSM1和倾斜镜FSM2的角度偏移量θ1和θ2。
(6)核心处理模块通过控制倾斜镜FSM1的偏移角θ1实现对激光束的噪声干扰：具体为：
高斯噪声干扰：控制倾斜镜FSM1的角度偏移量θ1按照概率密度函数规律变化对光束产生高斯噪声，其中θ1表示FSM1的角度偏移量，μ表示角度偏移量θ1的期望，σ表示角度偏移量θ1的标准差。在这个干扰过程中，计算倾斜镜FSM1的偏移角度每变化一次对应的光束质心位置(x,y)记录下来，计算由高斯噪声所造成的干扰偏移角 其中f为聚透镜Lens中心点到靶面中心点的距离。
线性噪声干扰：控制倾斜镜FSM1的角度偏移量θ1按照y(θ)＝aθ1的规律线性变化对光束产生线性噪声，其中a为θ1的线性漂移量的系数。在这个干扰过程中，计算倾斜镜FSM1的偏移角度每变化一次对应的光束质心位置(x,y)记录下来，并计算由线性噪声所造成的干扰偏移角其中f为聚透镜Lens中心点到靶面中心点的距离。
(7)由步骤6产生的已知噪声模型，控制系统将采用图4所示的自适应控制方法对光束指向进行控制，首先将设定的光束理想偏移角步骤6噪声所造成的干扰偏移角和由QD实际检测到的光束实际偏移角为PID(比例-积分-微分)调节器的输入，PID调节器根据光束角度偏差值输出倾斜镜FSM2的调节量控制光束指向，使光束达到理想偏移角所述PID调节器中设有倾斜镜FSM2倾斜角与光束角度偏差之间的PID调节关系，运动控模块根据所述调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量；其次将倾斜镜FSM2的调节量和QD再次检测到的光束实际偏移角作为核心处理模块中估计器的输入，通过系统辨识的方法可以估计出倾斜镜FSM2的倾斜角与光束角度偏差值的关系，更新PID调节器的控制关系。通过不断更新迭代PID调节器的控制关系，使得运动控制模块根据调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化，光束指向最终达到理想偏移角。最终得到针对高斯噪声、线性噪声等干扰情况下的最优的倾斜镜FSM2的PID调节关系。
步骤(1)-步骤(7)完成了系统的构建。
(8)系统在实际工作中，将倾斜镜FSM1的角度偏移量固定为θ1，FSM2的角度偏移量初始设为θ2，由于外界噪声的干扰会造成入射至靶面的光束的质心发生变化，通过观测靶面上光束质心的变化和分布特点，利用机器学习的方法，预测外界干扰噪声的类型，判断出是高斯噪声还是线性噪声等，根据噪声类型选定对应的PID调节关系，根据光束实际偏移角，利用选定的的PID调节关系计算倾斜角镜FSM2的调节量，按照所计算的调节量调节斜角镜FSM2，使光束质心迅速回到理想位置。
(9)通过QD的反馈信号判断质心是否在理想位置，如果没有，通过不断对FSM2的角度偏移量进行微调，直到光束质心回到理想位置，同时优化PID调节关系。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的光束指向控制系统，包括依次位于光束出射光路上的倾斜镜FSM1、倾斜镜FSM2、聚透镜、光束分束器及靶面，其特征在于，该系统还包括四象限探测器QD、核心处理模块、扰动模块和运动控制模块，上述三个模块基于FPGA实现；
当系统处于测试阶段：
所述扰动模块，根据光束质心位于靶面中心时倾斜镜角度偏移量生成模拟不同已知噪声的扰动信号；
所述运动控制模块，根据所述扰动信号或调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化；
所述四象限探测器，用于采集经光束分束器后分光光束的光斑，并将采集的光斑数据传输给核心处理模块；
所述核心处理模块，根据光斑能量分布计算出的光束角度实际偏移量、扰动信号所造成的干扰偏移量，利用PID调节关系生成使光束达到理想偏移角的倾斜镜FSM2调节量，并优化PID调节关系；
当系统处于工作阶段：
所述四象限探测器用于采集经光束分束器后分光光束的光斑，并将采集的光斑数据传输给核心处理模块；
所述核心处理模块，根据所述光斑质心变化判断未知噪声的类型，选择对应的PID调节关系，然后根据光斑能量分布计算出的光束角度实际偏移量，计算倾斜镜FSM2的调节量；
所述运动控制模块，根据倾斜镜FSM2的调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化，使靶面上的光斑质心位于设定位置。
2.根据权利要求1所述基于FPGA的光束指向控制系统，其特征在于，当模拟高斯噪声时，所述扰动信号为：概率密度函数 其中θ1表示初始倾斜镜FSM1的角度偏移量，μ表示设定的角度偏移量θ1的期望，σ表示设定的角度偏移量θ1的标准差；当模拟线性噪声时，所述扰动信号为线性变化规律y(θ)＝aθ1，其中θ1表示初始倾斜镜FSM1的角度偏移量，a为设定的θ1的线性漂移量的系数。
3.根据权利要求1所述基于FPGA的光束指向控制系统，其特征在于，在测试阶段，核心处理模块具体工作过程为：
首先，将预设的光束理想偏移角干扰偏移角及光束角度实际偏移角作为核心处理模块中PID调节器的输入，PID调节器根据光束角度偏差值输出倾斜镜FSM2的调节量，其中所述PID调节器中设有倾斜镜FSM2倾斜角与光束角度偏差值之间的PID调节关系；
其次，将倾斜镜FSM2的调节量和QD再次检测到的光束实际偏移角作为核心处理模块中估计器的输入，估计器估计出倾斜镜FSM2的倾斜角与光束角度偏差值的关系，更新PID调节器的调节关系；
通过不断更新迭代PID调节器的调节关系，使得运动控制模块根据调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化，光束指向最终达到理想偏移角。
4.根据权利要求1所述基于FPGA的光束指向控制系统，其特征在于，在工作阶段，核心处理模块进一步通过QD采集的光斑信息判断光斑的质心是否在设定位置，如果没有，通过不断对FSM2的角度偏移量进行微调，直到光束质心回到设定位置，同时优化PID调节器的调节关系。
5.一种光束指向控制系统的构建方法，其特征在于，具体过程为：
步骤一，沿激光光束出射光路依次设置倾斜镜FSM1、倾斜镜FSM2、聚透镜、光束分束器及靶面，在光束分束器分出部分光束的光路上设置四象限探测器，在FPGA上设置核心处理模块、扰动模块和运动控制模块；
步骤二，核心处理模块根据入射至四象限探测器上光斑的能量分布，通过质心位置计算得到光束入射至靶面的初始位置(x0，y0)；
步骤三，运动控制模块调节倾斜镜FSM1和倾斜镜FSM2，使得光束质心落在靶面的中心点(0，0)，并记录此时倾斜镜FSM1和倾斜镜FSM2的角度偏移量θ1和θ2；
步骤四，扰动模块根据倾斜镜FSM1的角度偏移量θ1，生成模拟不同已知噪声的扰动信号；
步骤五，运动控制模块根据扰动信号控制倾斜镜FSM1倾斜角变化；核心处理模块中的PID调节器根据光束理想偏移角已知噪声所造成的干扰偏移角和由QD实际检测到的光束实际偏移角根据PID控制关系计算用于控制倾斜镜FSM2的调节量；
步骤六，运动控制模块根据调节量控制FSM2角度偏移量变化；核心处理模块中的估计器根据所述调节量和由QD再次检测到的光束实际偏移角估计出PID调节器的调节关系，更新PID调节器中的调节关系；
步骤七，重复步骤五-步骤六，直至根据PID调节器输出的控制量控制倾斜镜FSM2后，光束达到理想偏移角完成光束指向控制系统的构建。
6.根据权利要求5所述光束指向控制系统的构建方法，其特征在于，利用所构建的控制系统时，若核心处理模块通过QD的反馈信号判断光束质心是否在设定位置，如果没有，通过不断对FSM2的角度偏移量进行微调，直到光束质心回到设定位置，同时优化PID调节器的调节关系。
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