CN114137722B - 自适应光学中倾斜镜的最优控制方法 - Google Patents

自适应光学中倾斜镜的最优控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及自适应光学中倾斜镜的最优控制方法，包括以下步骤：第一阶段；激光器模拟信标光经过平行光管，在平行光管中模拟受到大气湍流扰动情况，通过截止滤光片，把滤掉其他波段的光束传输给倾斜镜；第二阶段；光束经变形镜校正后，经过分光镜的作用，一部分光束通过通信系统传输到终端处理器，另一部分光束传输到哈特曼传感器中，哈特曼传感器将接收到的信号经过滤波、放大后，通过CCD相机，存储到数据处理单元模块中等。本发明采用滑模控制方法，在动态过程中，确定一定的目标和原则进行不断的调整变化，通过切换函数求出控制量，使系统的运行轨迹保持在期望轨迹上，达到系统的期望性能。

Description

自适应光学中倾斜镜的最优控制方法
技术领域
本发明属于自由空间光通信自适应光学技术领域，具体涉及一种自适应光学中倾斜镜的最优控制方法。
背景技术
自适应光学(Adaptive Optics,AO)是一种综合性的新型光学技术。它涵盖了光学、通信、控制、计算机、机械等多门学科的知识，旨在实时校正光束在传播过程中由于外部环境所造成的随机波前畸变，实现改善光束质量，提高通信效率，以保持系统的良好性能。随着对自适应光学技术研究的逐步加深，其应用领域也逐渐扩增，在天文观测方面，几乎成为大型太阳望远镜的重要组成部分；在激光装置中，可以改善激光束输出光束的相位分布；同时在视网膜成像领域中也成功使用。
倾斜镜系统能够实时校正光束偏移，稳定对准接收端，具有运动惯性小、响应速度快、角分辨精度高、抗电磁干扰能力强等优点。在自适应光学中，由大气湍流导致的波前倾斜中一阶倾斜约占整体倾斜的87％，倾斜镜对于校正一阶倾斜起到至关重要的作用。
目前，倾斜镜控制器设计大多采用传统PID控制方法，通过对倾斜镜的机械与电气特性进行建模，大量时间反复整定相关的PID参数，并通过工程大量的实验反复调试来实现对倾斜镜的控制，另外，传统的PID控制率闭环带宽有限，往往是谐振频率的1/100-1/10，且扰动抑制带宽无法超过闭环带宽，处理各种干扰因素时的能力略显不足。
郭友明等人在“物理学报”期刊发表的题为《一种自适应光学系统响应矩阵的直接方法》中分析了传统离线标定方法，但是在实际运行过程中，倾斜镜会偏离标定的响应模型，传统离线标定方法采用的是静态数据，未考虑时变因素的影响，不能准确描述实际运行状态下的响应模型。
随着目标运动特性和不同控制的需求，跟踪系统的模式越来越复杂，为了能够满足大多数场合的需求，需要研究一种能够适应随机扰动的倾斜镜最优控制方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种自适应光学中倾斜镜的最优控制方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，如：传统离线标定方法采用的是静态数据，未考虑时变因素的影响，不能准确描述实际运行状态下的响应模型。随着目标运动特性和不同控制的需求，跟踪系统的模式越来越复杂。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
自适应光学中倾斜镜的最优控制方法，包括以下步骤：
S1：第一阶段；激光器模拟信标光经过平行光管，在平行光管中模拟受到大气湍流扰动情况，通过截止滤光片，把滤掉其他波段的光束传输给倾斜镜；
S2：第二阶段；入射光束经倾斜镜校正一阶倾斜反射到变形镜进行校正；光束经变形镜校正后，经过分光镜的作用，一部分光束通过通信系统传输到终端处理器，另一部分光束传输到哈特曼传感器中，哈特曼传感器将接收到的信号经过滤波、放大后，通过CCD相机，存储到数据处理单元模块中；
S3：第三阶段；数据处理模块根据哈特曼传感器接收到的信号计算出光斑质心的位置；在波前校正闭环工作的情况下，位置反馈控制器根据计算出的光斑质心位置来给定倾斜镜和变形镜的控制信息。
进一步的，步骤S3中还包括以下子步骤：
第一步：确定系统运动模型，哈特曼传感器计算出倾斜镜校正一阶倾斜所需要的转动电压，将电压转化成所偏转的角度；
第二步：通过一次微分原理，将角度信号微分成虚拟速度信号，模拟控制自适应光学系统的真实速度信号；
第三步：通过二次微分原理，将角度信号微分成虚拟加速度信号；
第四步：将加速度信号和理想数据做差，并求出相应的积分误差，再对加速度积分误差进行积分运算求出虚拟速度的初始速度校正量，最后在每次CCD相机接收新的数据信号时，用初始速度校正量来修正虚拟初始速度；
第五步：利用非线性扰动观测器来观测输入电压，使自适应光学系统在大气湍流扰动存在的情况下稳定。
进一步的，自适应光学系统中：信标光经平行光管模拟受到大气湍流影响后，经过截止滤光片保留785nm-1550nm波段，传输到倾斜镜，入射光束经倾斜镜校正后，传输到变形镜进行校正，变形镜和哈特曼传感器之间设置分光镜一和分光镜二，经变形镜校正后的光束反射到分光镜一后，一部分光束反射到分光镜二，另一部分透射到缩束镜，进而反射到精跟踪振镜完成其他光学分析，经过分光镜二的光束，一部分光束传输到哈特曼传感器，哈特曼传感器将接收到的信号经过滤波、放大后，通过CCD相机，存储到数据处理单元模块中进行自适应控制和光斑质心位置的计算，通过最优控制方法，将计算出的位置信息转换成电压的形式作用到倾斜镜驱动器上，使镜面进行偏转。
进一步的，变形镜根据输入电压信号控制各镜面驱动器来校正激光波面像差。
进一步的，分光镜反射波段800nm，透射波段1550nm。
进一步的，分光镜二反射波段800nm，透射其他波段光束。
进一步的，提供一数据显示装置，所述数据显示装置与所述数据处理单元模块连接。
进一步的，提供一数据存储装置，所述数据存储装置与所述数据处理单元模块连接。
进一步的，提供一无线通信装置和移动监控装置，所述数据处理单元模块通过所述无线通信装置与所述移动监控装置网络连接。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本发明采用滑模控制方法，在动态过程中，确定一定的目标和原则进行不断的调整变化，通过切换函数求出控制量，使系统的运行轨迹保持在期望轨迹上，达到系统的期望性能。
对于外部干扰以及模型参数的变化，设计扰动观测器观测出等效干扰，并在控制过程中引入等效补偿，实现对干扰的完全控制。
将滑模控制和扰动观测器相结合，对被控对象的模型和参数变化都不敏感，同时也不需要像传统PID算法进行大量实验调整参数。
附图说明
图1为本申请实施例的方法步骤流程示意图。
图2为本申请实施例的步骤S3子步骤流程示意图。
图3为本申请实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1-附图3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，因此提出自适应光学中倾斜镜的最优控制方法，包括以下步骤：
S1：第一阶段；激光器模拟信标光经过平行光管，在平行光管中模拟受到大气湍流扰动情况，通过截止滤光片，把滤掉其他波段的光束传输给倾斜镜；
S2：第二阶段；入射光束经倾斜镜校正一阶倾斜反射到变形镜进行校正；光束经变形镜校正后，经过分光镜的作用，一部分光束通过通信系统传输到终端处理器，另一部分光束传输到哈特曼传感器中，哈特曼传感器将接收到的信号经过滤波、放大后，通过CCD相机，存储到数据处理单元模块中；
S3：第三阶段；数据处理模块根据哈特曼传感器接收到的信号计算出光斑质心的位置；在波前校正闭环工作的情况下，位置反馈控制器根据计算出的光斑质心位置来给定倾斜镜和变形镜的控制信息。
如图2所示，进一步的，步骤S3中还包括以下子步骤：
第一步：确定系统运动模型，哈特曼传感器计算出倾斜镜校正一阶倾斜所需要的转动电压，将电压转化成所偏转的角度；
第二步：通过一次微分原理，将角度信号微分成虚拟速度信号，模拟控制自适应光学系统的真实速度信号；
第三步：通过二次微分原理，将角度信号微分成虚拟加速度信号；
第四步：将加速度信号和理想数据做差，并求出相应的积分误差，再对加速度积分误差进行积分运算求出虚拟速度的初始速度校正量，最后在每次CCD相机接收新的数据信号时，用初始速度校正量来修正虚拟初始速度；
第五步：利用非线性扰动观测器来观测输入电压，使自适应光学系统在大气湍流扰动存在的情况下稳定。
如图3所示，进一步的，自适应光学系统中：信标光经平行光管1模拟受到大气湍流影响后，经过截止滤光片2保留785nm-1550nm波段，传输到倾斜镜3，入射光束经倾斜镜3校正后，传输到变形镜4进行校正，变形镜4和哈特曼传感器7之间设置分光镜5和分光镜6，经变形镜校正后的光束反射到分光镜5后，一部分光束反射到分光镜6，另一部分透射到缩束镜10，进而反射到精跟踪振镜11完成其他光学分析，经过分光镜6的光束，一部分光束传输到哈特曼传感器7，哈特曼传感器将接收到的信号经过滤波、放大后，通过CCD相机8，存储到数据处理单元模块9中进行自适应控制和光斑质心位置的计算，通过最优控制方法，将计算出的位置信息转换成电压的形式作用到倾斜镜3驱动器上，使镜面进行偏转，从而提高系统的跟踪精度，也大大减小抖振。
其中，哈特曼传感器7、CCD相机8、数据处理单元9之间的信号传输极为关键，并且这三者之间的信号传输与其他部分(无线的光信号传导)不同，这三者是依靠有线连接来实现信号传输的，所以需要确保这之间的信号传输没有中断。
需识别哈特曼传感器7输出端的信号是否中断、识别CCD相机8输入端的信号是否中断、识别CCD相机8输出端的信号是否中断、识别数据处理单元9输入端的信号是否中断。
若哈特曼传感器7输出端的信号中断，则提供哈特曼传感器7故障报警。
若哈特曼传感器7输出端的信号未中断，CCD相机8输入端的信号中断，则提供哈特曼传感器7与CCD相机8之间的线路故障报警。
若哈特曼传感器7输出端的信号未中断，CCD相机8输入端的信号未中断，CCD相机8输出端的信号中断，则提供CCD相机8故障报警。
若哈特曼传感器7输出端的信号未中断，CCD相机8输入端的信号未中断，CCD相机8输出端的信号未中断，数据处理单元9输入端的信号中断；则提供CCD相机8与数据处理单元9之间线路故障报警。
平行光管1：对信标光束经大气湍流扰动进行模拟；
截止滤波片2：保留785nm-1550nm波段，对保留下的波段光束进行光学分析；
倾斜镜3：校正光束的波前倾斜畸变，使激光光束在大气湍流影响下实时稳定的与接收端对准；
变形镜4根据输入电压信号控制各镜面驱动器来校正激光波面像差。
分光镜5反射波段800nm，透射波段1550nm。
分光镜6反射波段800nm，透射其他波段光束。
哈特曼传感器7：通过波前重构，获得被测波前信息，实现波前检查；
CCD相机8：目标光检测；
数据处理单元9：将哈特曼传感器接收到的信号经过滤波、放大后，进行自适应控制和光斑质心位置的计算；
缩束镜10：对变形镜校正后的光束进行聚焦；
精跟踪振镜11：其他光学分析。
进一步的，提供一数据显示装置，所述数据显示装置与所述数据处理单元模块9连接。用于数据显示。
进一步的，提供一数据存储装置，所述数据存储装置与所述数据处理单元模块9连接。用于数据存储。
进一步的，提供一无线通信装置和移动监控装置，所述数据处理单元模块9通过所述无线通信装置与所述移动监控装置网络连接。用于数据传输通信。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.自适应光学中倾斜镜的最优控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：第一阶段；激光器模拟信标光经过平行光管，在平行光管中模拟受到大气湍流扰动情况，通过截止滤光片，把滤掉其他波段的光束传输给倾斜镜；
S2：第二阶段；入射光束经倾斜镜校正一阶倾斜反射到变形镜进行校正；光束经变形镜校正后，经过分光镜的作用，一部分光束通过通信系统传输到终端处理器，另一部分光束传输到哈特曼传感器中，哈特曼传感器将接收到的信号经过滤波、放大后，通过CCD相机，存储到数据处理单元模块中；
S3：第三阶段；数据处理单元模块根据哈特曼传感器接收到的信号计算出光斑质心的位置；在波前校正闭环工作的情况下，位置反馈控制器根据计算出的光斑质心位置来给定倾斜镜和变形镜的控制信息；
步骤S3中还包括以下子步骤：
第一步：确定系统运动模型，哈特曼传感器计算出倾斜镜校正一阶倾斜所需要的转动电压，将电压转化成所偏转的角度；
第二步：通过一次微分原理，将角度信号微分成虚拟速度信号，模拟控制自适应光学系统的真实速度信号；
第三步：通过二次微分原理，将角度信号微分成虚拟加速度信号；
第四步：将加速度信号和理想数据做差，并求出相应的积分误差，再对加速度积分误差进行积分运算求出虚拟速度的初始速度校正量，最后在每次CCD相机接收新的数据信号时，用初始速度校正量来修正虚拟初始速度；
第五步：利用非线性扰动观测器来观测输入电压，使自适应光学系统在大气湍流扰动存在的情况下稳定；
自适应光学系统中：信标光经平行光管（1）模拟受到大气湍流影响后，经过截止滤光片（2）保留785nm-1550nm波段，传输到倾斜镜（3），入射光束经倾斜镜（3）校正后，传输到变形镜（4）进行校正，变形镜（4）和哈特曼传感器（7）之间设置分光镜一（5）和分光镜二（6），经变形镜校正后的光束反射到分光镜一（5）后，一部分光束反射到分光镜二（6），另一部分透射到缩束镜（10），进而反射到精跟踪振镜（11）完成其他光学分析，经过分光镜二（6）的光束，一部分光束传输到哈特曼传感器（7），哈特曼传感器将接收到的信号经过滤波、放大后，通过CCD相机（8），存储到数据处理单元模块（9）中进行自适应控制和光斑质心位置的计算，通过最优控制方法，将计算出的位置信息转换成电压的形式作用到倾斜镜（3）驱动器上，使镜面进行偏转。
2.如权利要求1所述的自适应光学中倾斜镜的最优控制方法，其特征在于，变形镜（4）根据输入电压信号控制各镜面驱动器来校正激光波面像差。
3.如权利要求1所述的自适应光学中倾斜镜的最优控制方法，其特征在于，分光镜一（5）反射波段800nm，透射波段1550nm。
4.如权利要求1所述的自适应光学中倾斜镜的最优控制方法，其特征在于，分光镜二（6）反射波段800nm，透射其他波段光束。
5.如权利要求1所述的自适应光学中倾斜镜的最优控制方法，其特征在于，提供一数据显示装置，所述数据显示装置与所述数据处理单元模块（9）连接。
6.如权利要求1所述的自适应光学中倾斜镜的最优控制方法，其特征在于，提供一数据存储装置，所述数据存储装置与所述数据处理单元模块（9）连接。
7.如权利要求1-6任一项所述的自适应光学中倾斜镜的最优控制方法，其特征在于，提供一无线通信装置和移动监控装置，所述数据处理单元模块（9）通过所述无线通信装置与所述移动监控装置网络连接。
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