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《西安电子科技大学》 2007年
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舰载大气激光通信系统中ATP技术研究

邵明贤  
【摘要】:大气激光通信具有高带宽、高码率、高保密性、低功耗等优点,非常适合于在海军舰艇编队内构建安全、隐蔽和抗毁的通信网。但是由于海上环境比较恶劣,加上激光信号光束窄、传输距离长,这就给通信链路的建立和保持造成了极大的困难。为了能进行可靠的通信,就需要研究专门的捕获、瞄准和跟踪(Acquisition, Pointing and Tracking简称ATP)系统,其作用是通过发射信标光,完成捕获、跟踪、瞄准,从而在通信端点之间建立链接。由于舰艇时刻处于相对运动中,因此要实现信号的快速捕获和高精度跟踪对相应的伺服控制系统来说是一个挑战。本文主要针对ATP转台结构形式和控制方法进行了研究。 首先,阐述国内外激光通信进展情况,说明研究舰艇之间激光通信的意义和重要性。 其次,分析大气激光通信的关键技术,并对光传感器误差进行了分析,得出光信号检测能力与光斑大小及光强弱有直接关系。 第三,对ATP系统的粗跟踪控制技术进行较为详细的探讨,确定了一个内环为中空圆柱体的立式ATP伺服转台。用ANSYS软件建立了转台模型,并对其进行模态分析。建立了转台较为真实的多质量模型并进行仿真,从仿真可以看到,按照本文方法选择的电机及驱动装置构成的转台具有较好的跟踪性能。 最后,为ATP系统设计一个模糊PID控制器,并与传统PID进行仿真对比,结果表明,加入模糊控制后,转台跟踪及抗干扰性能有了很大提高。改变载体的转动惯量,从仿真结果可以看出,模糊PID控制相对传统PID有较小的超调量和较好的摩擦补偿作用,满足了方位向的鲁棒性要求。
【关键词】:大气激光通信 ATP技术 模糊控制
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN929.1
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-7
  • 第一章 绪论7-15
  • 1.1 系统研制背景7
  • 1.2 国内外研究状况7-11
  • 1.2.1 国外研究状况7-10
  • 1.2.2 国内研究现状以及主要差距10-11
  • 1.3 ATP技术及天线驱动转台概述11-14
  • 1.3.1 ATP技术11-13
  • 1.3.2 天线驱动转台13-14
  • 1.4 本文的研究内容和意义14-15
  • 第二章 舰载式大气激光通信及其ATP技术15-23
  • 2.1 大气激光通信系统概述15-18
  • 2.1.1 系统组成15-16
  • 2.1.2 激光的发射与接收16-18
  • 2.2 FSO天线捕获跟踪瞄准(ATP)技术18-20
  • 2.2.1 ATP系统设计18-19
  • 2.2.2 ATP系统粗跟踪机构设计19-20
  • 2.2.3 ATP系统精跟踪机构设计20
  • 2.3 ATP系统的工作过程20-23
  • 第三章 误差信号的分析23-29
  • 3.1 伺服控制与误差提取23-24
  • 3.2 误差信号的提取(QD)24-25
  • 3.3 误差信号的灵敏度25-26
  • 3.4 光信号强弱对误差信号的影响26-29
  • 第四章 ATP系统二维转台模型29-41
  • 4.1 伺服机械结构因素与伺服系统性能的关系29-32
  • 4.1.1 转动惯量与伺服系统性能的关系29-30
  • 4.1.2 结构谐振频率与伺服系统性能的关系30
  • 4.1.3 摩擦力矩与伺服系统性能的关系30-31
  • 4.1.4 传动空回与伺服系统性能的关系31-32
  • 4.1.5 传动精度与伺服系统性能的关系32
  • 4.2 ATP系统二维转台结构设计及分析32-35
  • 4.2.1 ATP伺服机械结构形式的确定32-33
  • 4.2.2 机械结构模态分析33-35
  • 4.3 直流电动机的数学模型35-41
  • 4.3.1 电机理想数学模型35-36
  • 4.3.2 考虑结构刚度时电机拖动回路的数学模型36-39
  • 4.3.3 考虑系统非线性摩擦时电机拖动回路的数学模型39-41
  • 第五章 系统建模及其仿真41-55
  • 5.1 系统指标41-42
  • 5.2 转台俯仰向仿真42-55
  • 5.2.1 电动机及减速箱的选择42-44
  • 5.2.2 电机及减速箱选择方案验证44
  • 5.2.3 三闭环仿真模型及分析44-55
  • 第六章 模糊控制在ATP伺服转台中的应用55-67
  • 6.1 方位伺服控制器选择55
  • 6.2 模糊控制器设计方法55-58
  • 6.2.1 模糊控制的基本原理55-56
  • 6.2.2 模糊控制器的设计步骤56-58
  • 6.3 模糊PID控制器的设计58-62
  • 6.3.1 PID控制器参数Fuzzy调整原理58-59
  • 6.3.2 PID参数专家调整知识的Fuzzy调整模型59-62
  • 6.4 转台方位向仿真62-67
  • 6.4.1 技术指标62
  • 6.4.2 电机及减速箱的选择62-63
  • 6.4.3 仿真结果及分析63-67
  • 第七章 结论67-69
  • 附录69-71
  • 致谢71-73
  • 参考文献73-77
  • 硕士在读期间研究成果77-78

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