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1、编 号CK/JGCT/FA03密 级内部阶段标记Y页 数32激光载波测控与通讯技术研究高精度跟踪瞄准系统方案设计报告编 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会 签档 号件 号目 次1 概述12 使用背景分析与系统组成12.1 使用背景分析12.2 系统原理与结构组成13 指标分析与设计33.1 系统探测器与传感器选择33.1.1 精跟踪回路光斑探测器33.1.2 快速反射镜43.1.3 编码器选择63.1.4 电机参数83.1.5 功率放大器93.1.6 精回路探测CCD相机（短波相机）93.1.7 粗回路探测CCD相机103.1.8 小型组合惯导姿态测量
2、系统103.1.9 伺服控制器123.2 跟踪精度分析与设计143.2.1 精跟踪回路设计与分析143.2.2 粗跟踪回路设计与分析183.2.3 三级视轴稳定跟踪回路设计与分析234 设计总结28I1 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10-8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，对于动基座设备甚至使用三级控制系统。本课题中激光通讯设备为了实现激光的捕
3、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2urad（0.4）。2 使用背景分析与系统组成2.1 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。2.2 系统原理与结构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
4、。对于固定基座固定基座使用的激光通讯设备，设备口径在100mm以下，结构框架相对重量较轻、带宽较高，同时由于作用距离相对较近（跟踪精度相对较低），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。 单级控制结构的原理框图但对于动基座使用的和远距离使用的激光通讯设备，由于跟踪精度要求较高和基座扰动的存在，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f=Am*Sin(wt)，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0.51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
5、环带宽6-8Hz，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。图2复合轴控制系统结构原理框图同时为了消除基座晃动引起的扰动误差，需要引进实现动基座视轴稳定的三级控制系统。这种三级控制系统主要实现基座晃动下的视轴稳定跟踪，有利于跟踪精度的提高和目标捕获。这种三级控制系统需要采用组合惯导系统对基座的姿态进行测量，通过坐标转换公式计算出基座的扰动速度，将计算出的
6、基座扰动速度顺馈到设备的粗跟踪回路的速度环，从而实现降低基座扰动对设备视轴指向的影响。引入三级控制的设备控制系统原理框图如图3所示。图3引入三级控制的设备控制系统原理框图3 指标分析与设计3.1 系统探测器与传感器选择3.1.1 精跟踪回路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
7、，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，这4块光斑在探测器表面分别产生的阻抗电流为，根据电流的大小可计算出光斑在坐标系中的位置。图4右图为实验室用的QD器件。图4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式中：电压为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
8、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5V AD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
9、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。图5 QD信号采集处理框图a) 系统拟选用QD主要参数如下：b) QD靶面尺寸：3mm3mm；c) 光谱范围：1310-1550nm；d) 入射光斑尺寸：0.2-1mm。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，接收系统像元角分辨率约为0.56rad，其光学视场为419rad。同时QD的数据更新率可以达到
10、2000Hz。3.1.2 快速反射镜快速反射镜选用PI公司的S-340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0.1rad，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1 PI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0.1rad全行程重复性1rad机械谐振频率（5015mm玻璃镜）900Hz20%图6 PI S-340实物图当反射镜直径50mm厚度15mm时，谐振
11、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0.5mrad（103）的视场偏移。精跟踪系统视场角为1.5mrad1.5mrad。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）。快反镜的控制驱动器采用PI公司E-P04K004型号的配套控制器，该驱动器具有双通道信号处理和功放驱功能，是一款小型OEM型驱动器。图7 E-P04K004型号快反镜控制器E-P04K004控制器的功放驱动性能如表2所示：表2 E-P04K004控制器的功放驱动性能目标位移信号控制输
12、入电压范围- 10 to + 10V驱动电压输出范围- 20 to + 120V最大输出功率100W平均输出功率28 W最大输出电流500 mA平均输出电流200 mA电流过载保护防短路设计输入阻抗50 k对比NEWPORT公司的FSM-300快反镜指标如下：表3 FSM-300快速反射镜主要参数口径25mm开环行程26.2mrad行程（机械转角）26.2mrad位置分辨率1rad全行程重复性3rad机械谐振频率（5015mm玻璃镜）800Hz通过对比可以发现，本文选用的快反镜在精度和分辨率上远高于NEWPORT公司的FSM-300快反镜。3.1.3 编码器选择编码器拟采用海德汉公司的两款高精
13、度编码器,型号分别是RON905和RCN829。RON905是一款增量式编码器，系统测角精度高达0.4，分辨率是29位。图8 RON905编码器实物图图9 RON905编码器尺寸图RCN829是一款绝对式编码器，具体指标如下：系统精度1位置测量分辨率: 0.00005时钟频率小于8MHz最大转速：1000R/min图10 RCN829编码器实物图图11 RCN829编码器尺寸图3.1.4 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。方位力矩电机峰值堵转电压 40V4V峰值堵转电流 25A峰值堵转力矩 不小于80Nm
14、70V时空载转速 25r/min连续堵转力矩 不小于50Nm连续堵转电压 30V3V连续堵转电流 14.5A转动惯量 3.6kg.m2力矩波动系数 不大于1%重量 97kg俯仰力矩电机峰值堵转电压 30V3V峰值堵转电流 6.3A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 25V2.5 V连续堵转电流 4A转动惯量 0.105kg.m2力矩波动系数 不大于2%重量 13.5kg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。3.1.5 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12所示。功率放大器内部采用6单元IGBT-IPM智能模块为核心功率器
