CN117537937A - 一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统，在四象限探测器前增加双平凸透镜的成像系统，通过将测试光束的束腰和成像系统的前焦点都设置在压电快反镜FSM上，将成像系统后焦点和参考光束束腰设置在四象限探测器QPD上，实现测量非线性的抑制，并有效抑制了零位偏移，同时FSM还能实时标定相角转换系数，并依据QPD的测量结果进行高精度的指向控制，能有效确保参考光路和测量光路共轴性。本发明的系统不仅抑制了光束偏移导致的测角非线性和零位偏移，还能有效提高测角的范围，进一步提升指向控制系统的稳定性和可靠性，能够广泛拓展应用在其他的差分波前传感测量的光学系统中。
Description
技术领域
本发明属于波前传感与光学精密测量技术领域，具体涉及一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统。
背景技术
差分波前传感技术（DWS技术）是一种基于激光波前相位差的高精度角度测量技术，广泛应用于光路高精度指向控制中，以此来确保光路的稳定性。其测量方式为，两束存在一定频差的激光，满足外差干涉条件，产生外差信号，在四象限探测器QPD的四个像面分别产生四路干涉信号。对QPD像面的干涉信号分别对左右象限或上下象限做差，可以得到pitch和yaw方向的相位差，理想情况下的相角转换系数可由以下公式得，
其中为上下象限或者左右象限的相位差，r为探测器的半径，λ为激光波长，α为角度偏差。
太极计划激光指向调控方案介绍，中国光学, 2019, 12(3): 425-431. doi:10.3788/CO.20191203.0425，公开了一套复杂而精密的激光指向调控方案将整个过程将分为两个阶段，首先进行激光捕获过程，在该过程中，使用星敏感器（STR）与电荷耦合器件（CCD）作为辅助捕获探测器，将激光指向不确定区域控制到μrad量级。之后进行激光精密指向过程，利用差分波前敏感测角（DWS）技术对激光指向稳定性进行控制。根据太极计划要求，对各阶段捕获探测器提出了视场及精度要求，并论述了采用DWS技术实现精密指向的可行性。
在差分波前传感技术使用过程中，需要测量光束和参考光束的重合位置处于探测器像面，才能准确的探测到角度误差。理想情况下，参考光束和测量光束具有较好的共轴性，在QPD上重合且平均分布，角度偏差与DWS技术测量的角度具有较好的一致性；实际的激光指向控制中，测量光束不可避免地会出现指向抖动等问题，耦合到探测器上，将会出现，参考光束位置不变，测量光束在QPD的像面产生光束偏移，两光束在QPD探测面重合程度降低且分布不均匀。对于DWS技术来说，随着光束偏移增大，重合程度降低，实际角度与DWS技术测量的角度不一致性会逐渐增大，这种误差是非线性的，难以通过控制系统修正；且这种情况同样降低了有效的角度测量范围。对于整个指向控制系统而言，这种非线性测量产生的误差将会影响指向控制的稳定性。
因此，如何解决光束偏移导致的测量非线性加剧的问题，且提供一种有效减小测量误差，提升角度测量响应范围的抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统，其特征在于：所述指向控制系统包括激光器、分束器、声光调制器、准直器、1/4波片、压电快反镜、分束镜、成像系统、四象限探测器和控制器，所述激光器出射激光，经过分束镜分束后，由声光调制器移频，产生频差为的两束激光，两束激光由准直器输出后，经过1/4波片呈现线偏振态；其中，一束由分束镜反射的光束为参考光束，一束由压电快反镜反射的光束为测量光束，两光束束腰均位于反射镜镜面，垂直入射成像系统后，进入四象限探测器中心，探测测量光束与参考光束的干涉信号，将其转换成电信号后，由控制器对压电快反镜进行驱动，进行相位测量和精密控制； 其中，成像系统采用共轭成像以实现测量光束和参考光束在四象限探测器的中心重合，抑制测量的非线性，所述成像系统前焦点控制在压电快反镜上，参考光束的束腰控制在四象限探测器上，抑制零位偏移。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述成像系统由两面平凸透镜组成，通过共轭成像的方式，将角度变化量反向成像至探测器的像面，其中两面平凸透镜平行放置且间隔两倍焦距，凸面朝向入射光入射方向。
作为本发明的优选技术方案：所述控制器包括AD采样模块、数字相位计和角度解算模块；所述AD采样模块将四象限探测器转化的电信号进行高精度测量并转换为数字信号；所述数字相位计，根据数字信号测算参考光束与测量光束的相位差；角度计算模块，根据采集的相位差信号计算参考光束和测量光束的角度差。
作为本发明的优选技术方案：所述参考光束的输入束腰置于成像系统入瞳位置，距离前一个透镜距离为f处，其输出束腰放置于QPD表面，用于确保波前曲率半径最大化，以降低装调导致的零位误差。
其中，零位误差满足该公式：，其中x为参考光束在x方向偏移量，/>为绕y轴的角度，s为传播距离，/>为束腰半径。
作为本发明的优选技术方案：所述测量光束传播时将束腰设置在压电快反镜的面上，且压电快反镜面上的光束入射点设置在距离成像系统前透镜焦距f处。
作为本发明的优选技术方案：压电快反镜根据四象限探测器计算出的实际角度误差进行快速、高精度光束指向控制，用于纠正参考光束与测量光束存在的初始位置偏差；
光束指向控制至少包括四象限探测器光电转换，相位测量，相角转换三个过程，四象限探测器确定激光束的理想位置，所述激光束通过光电转换器将其转换为电信号，所述电信号随后被送入相位计进行相位测量，根据所述相位测量的结果执行相角转换，用于优化光束的指向精度。
作为本发明的优选技术方案：相位测量为零时，对压电快反镜施加基于0位pitch和raw方向的信号，测量四象限探测器的上下象限和左右象限的相位，相除可得到实时的相角转换系数，控制器采用此时的相角转换系数进行高精度的指向角度测量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供的一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统，在四象限探测器前增加共轭成像系统，通过将测试光束的束腰和成像系统的前焦点都设置在压电快反镜FSM上，将成像系统后焦点和参考光束束腰设置在四象限探测器上，实现测量非线性的抑制，并有效抑制了零位偏移；同时压电快反镜还能实时标定实际的相角转换系数，并依据四象限探测器的测量结果进行高精度的指向控制，能有效确保参考光路和测量光路共轴性。该系统不仅抑制了光束偏移导致的测角非线性和零位偏移，还能有效提高测角的范围，进一步提升指向控制系统的稳定性和可靠性，能够广泛拓展应用在其他的差分波前传感测量的光学系统中。
附图说明
图1为 本发明的一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统地面模拟示意图；
图2为严格按照本发明的实施方式装调测试的误差信号与不添加成像系统且不严格装调的误差信号对比图；
附图中，激光器1；分束器2；第一声光调制器3；第二声光调制器4；第一准直器5；第二准直器6；第一1/4波片7； 第二1/4波片8；压电快反镜9；分束镜10；成像系统11； 四象限探测器12；控制器13。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
本发明一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统，由本地激光器，分束器，1/4波片，声光调制器AOM，压电快反镜压电快反镜，成像系统，四象限探测器QPD和控制器组成。
所述本地激光器发射激光；
所述分束器，对本地激光进行分束；
所述1/4波片对激光进行线偏振化，确保两束光的外差干涉效率。
所述声光调制器AOM，对分束的两束激光进行移频，确保其能满足外差干涉条件和后续探测器的带宽要求；
所述压电快反镜压电快反镜，对光束进行精密指向控制系统，用于相角转换系数的标定；
所述成像系统由两面平凸透镜组成，通过共轭成像的方式，将角度变化等量反向成像至探测器的像面；
进一步地，两面平凸透镜平行放置，凸面朝向入射光，间隔两倍焦距。
所述四象限探测器QPD将拍频产生的外差干涉光信号转化成电信号；
所述控制器接收来自所述QPD电信号，并对其进行相位测量和精密控制。
进一步地，控制器至少包括，AD采样模块，数字相位计，角度解算模块；
AD采样模块将四象限探测器QPD转化的电信号进行高精度测量并转换为数字信号；
数字相位计，根据数字信号测算参考光束与测量光束的相位差；
角度计算模块，根据采集的相位差信号计算参考光束和测量光束的角度差。
本发明的一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统，使用双透镜成像系统共轭成像的方式，抑制测量光束在四象限探测器QPD像面产生的位置偏移；通过合理的安置参考光束束腰，有效抑制了测量零位偏移，降低装调过程中产生的误差；通过高精度压电快反镜能够对光路进行精密指向调控，保证数据的真实性和可靠性。本发明的一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统，能有效抑制差分波前传感技术的非线性误差，维护指向控制系统的稳定性，具有装调简便，高稳定性和可靠性的特点，能够有效减小测量误差，提升角度测量响应范围，在差分波前传感测量的光学系统领域极具应用前景。
实施例1
图1是本发明提供的一种抑制差分波前传感技术非线性的测量装置示意图，用于抑制差分波前传感技术由光束偏移导致的测量非线性，从光束传播方向，依次为激光器1，分束器2，第一声光调制器3，第二声光调制器4，第一准直器5，第二准直器6，第一1/4波片7，第二1/4波片8，压电快反镜9，分束镜10，成像系统11，四象限探测器12，控制器13。
激光器1输出频率为F的激光，经过分束器2后，分为两路频率为F的激光，两束激光经过第一声光调制器3、第二声光调制器4移频后，产生频差为的两束激光，该方式能够不引入频率混叠导致的测量非线性误差，其中，该频差可调，一般在1kHz~25MHz之间。
进一步地，默认经过第二声光调制器4的、第二准直器6输出后的光束为参考光束，经过第二1/4波片8，使测量光束偏振态改为线偏，之后参考光束经过分束镜10的折射入射至成像系统中心，之后垂直入射至四象限探测器12中心。
一束作为参考光束，经由分束镜反射，沿中心光轴穿过成像系统，垂直入射至四象限探测器中心，另一束作为测量光束，经过压电快反镜反射后透射穿过成像系统，垂直入射至四象限探测器中心。
四象限探测器的表面测量光束与参考光束进行外差干涉测量，其拍频产生的外差干涉光信号转化成电信号；所述控制器接收来自所述四象限探测器的电信号，并对压电快反镜进行驱动，对四象限探测器进行相位测量和精密控制。
其中，成像系统由两个平凸透镜组成，焦距为f，两透镜平行排列，凸面朝向入射方向；
其中，第二准直器6出射的参考光束为高斯光束，其束腰需安置于成像系统入瞳位置，即透镜的前焦点，距离前一个透镜距离为f处。
所述参考光束的输入束腰置于成像系统入瞳位置，距离前一个透镜距离为f处，其输出束腰放置于四象限探测器表面，用于确保波前曲率半径最大化，用于降低装调导致的零位误差。
其中，零位误差满足该公式：，其中x为参考光束在x方向偏移量，/>为绕y轴的角度，s为传播距离，/>为束腰半径。
因此需要将束腰放置于在四象限探测器QPD的表面，确保波前曲率半径最大化以此减少装调导致的零位误差。由于高斯光束在束腰处半径变化较小，且高斯光束相对于束腰面对称，因此需要在安放在四象限探测器QPD前，将光束质量分析仪在光路中前后移动，找到两相同的光束半径，两位置中点即为束腰位置。
经过第一声光调制器的光束经由第一准直器5输出，默认为测量光束，测量光束同时经过第一1/4波片7，使其偏振方向与参考光束一致，确保后续拍频效率。
输出的测量光束经过压电快反镜9的折射，透射穿过分束镜10和成像系统，在四象限探测器12表面与参考光束进行外差干涉测量。
其中，测量光束的束腰需要被设置在压电快反镜9上，即压电快反镜9需要放置在距离成像系统前凸透镜焦距f处。
四象限探测器12将采集到的电信号输出给控制器，控制器对采集的信号进行相位测量。
测量的相位作为误差的反馈，将由控制器驱动压电快反镜9进行精密调节，当相位误差调至0时，标定为测量的零位。
此时对压电快反镜9施加基于0位pitch和raw方向的信号，测量此时四象限探测器12的上下象限和左右象限的相位，相除可得到实时的相角转换系数。
进一步地，在控制器中采用此时的计算得出的相角转换系数，进行高精度的指向角度测量，进一步提升系统的鲁棒性。
如图2所示，图中的正常测试是指采用本发明的一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统测试。本发明采用的装调和光路设置方式，经过实际开环测算，在0-800的角度测量范围将角度误差降至300/>一下，显著增加了差分波前传感的角度测量范围，并有效降低了角度测量误差。
本发明中，当指向位置光束发生角度偏移时，同样的误差角将直接反应在四象限探测器12的像面，由于共轭成像，所以测量光束和参考光束的干涉位置在四象限探测器12像面一致，以此，直接限制了差分波前传感的测量非线性效应，确保测量数据的真实性和有效性。
本发明经过闭环控制，参考光束和测量光束之间稳定性均能够得到有效的保证，依据实时测量的角度误差能够有效驱动压电快反镜9进行修正，以此来实现指向控制的稳定。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1. 一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统，其特征在于：所述指向控制系统包括激光器、分束器、声光调制器、准直器、1/4波片、压电快反镜、分束镜、成像系统、四象限探测器和控制器，所述激光器出射激光，经过分束器分束后，由声光调制器移频，产生频差为的两束激光，两束激光由准直器输出后，经过1/4波片呈现线偏振态；其中，一束由分束镜反射的光束为参考光束，一束由压电快反镜反射的光束为测量光束，两光束束腰均位于反射镜镜面，垂直入射成像系统后，进入四象限探测器中心，探测测量光束与参考光束的干涉信号，将其转换成电信号后，由控制器对压电快反镜进行驱动，进行相位测量和精密控制； 其中，成像系统采用共轭成像以实现测量光束和参考光束在四象限探测器的中心重合，抑制测量的非线性，所述成像系统前焦点控制在压电快反镜上，参考光束的束腰控制在四象限探测器上，抑制零位偏移。
2.如权利要求1所述的抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统,其特征在于：所述成像系统由两面平凸透镜组成，通过共轭成像的方式，将角度变化量反向成像至探测器的像面，其中两面平凸透镜平行放置且间隔两倍焦距，凸面朝向入射光入射方向。
3.如权利要求1所述的抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统,其特征在于：所述控制器包括AD采样模块、数字相位计和角度解算模块；所述AD采样模块将四象限探测器转化的电信号进行高精度测量并转换为数字信号；所述数字相位计，根据数字信号测算参考光束与测量光束的相位差；角度计算模块，根据采集的相位差信号计算参考光束和测量光束的角度差。
4.如权利要求1所述的抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统，其特征在于：所述参考光束的输入束腰置于成像系统入瞳位置，距离前一个透镜距离为焦距f处，其输出束腰放置于四象限探测器表面，用于确保波前曲率半径最大化，降低装调导致的零位误差。
5.如权利要求1所述的抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统，其特征在于：所述测量光束传播时将束腰设置在压电快反镜的面上，且压电快反镜面上的光束入射点设置在距离成像系统前透镜焦距f处。
6.如权利要求1所述的抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统，其特征在于：压电快反镜根据四象限探测器计算出的实际角度误差进行快速、高精度光束指向控制，用于纠正参考光束与测量光束存在的初始位置偏差；
光束指向控制至少包括四象限探测器光电转换，相位测量，相角转换三个过程，四象限探测器确定激光束的位置，所述激光束通过光电转换器将其转换为电信号，所述电信号随后被送入相位计进行相位测量，根据所述相位测量的结果执行相角转换，用于优化光束的指向精度。
7.如权利要求6所述一种抑制差分波前传感技术非线性的指向控制系统，其特征在于：相位测量为零时，对压电快反镜施加基于0位pitch和raw方向的信号，测量四象限探测器的上下象限和左右象限的相位，相除可得到实时的相角转换系数，控制器采用此时的相角转换系数进行高精度的指向角度测量。
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