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高性能快速控制反射镜研究

吴鑫  
【摘要】:快速控制反射镜是光学扫描器件的一种,是激光雷达、自适应光学、空间光通信等应用领域的关键器件之一。国内现有传统的激光扫描器由于频率、体积、功耗、控制等多方面因素结合的限制,不能满足现有高端应用领域对于激光扫描的需求。西方发达国家在诸多领域已经有很成熟的激光扫描器,但是在技术引进方面存在对国内的相关限制。因此我们需要开展面向高端应用的高性能激光扫描器的研究,为开发具有市场竞争力和自主创新的新系统奠定基础。 本论文概述了现有的各种激光扫描器,同时给出了国外现有音圈电机驱动和压电陶瓷驱动的快速控制反射镜的性能。介绍了快速控制反射镜的硬件结构和软件结构的组成和作用。开展了基于两种驱动器驱动的三种不同结构的快速控制反射镜的研究。主要研究内容和成果综述如下: 在机械结构方面,首先分别介绍了三种快速控制反射镜的总体结构,分析了各自的工作原理。然后围绕三种结构,对关键部件进行了仿真计算,主要包括音圈电机和压电位移放大结构,得出了适合需求的结构。为了将驱动器的输出成功转化为合适的扫描偏转,综合考虑频率、角度的需求,对柔性铰链进行了特殊的设计。针对不同反射镜,经过仿真、测试、修改与优化,设计了不同的高效的柔性铰链结构。并根据结构布局和空间尺寸要求,设计了不同的反馈装置用于扫描状态的实时探测。 在电学设计方面,首先设计了三种快速控制反射镜通用的控制电路。然后分别介绍了不同反射镜各自所特有的驱动电路和信号处理电路。对于音圈电机驱动二维反射镜:介绍了反馈信号的调理电路和基于音频功放芯片的驱动电路。为电机软启动设计了基于光耦的隔离电路,结合芯片的散热需求设计了散热模块。对于压电驱动一维反射镜:设计了基于电阻应变片的反馈电路和基于分离原件的高压驱动电路。搭建了抑制机械结构谐振的陷波电路,结合陷波电路的频率点和衰减幅度做了理论分析。对于压电驱动二维反射镜:研究了集成高压驱动电路和基于电容位移传感器的信号调理电路。 在控制算法方面,首先设计并优化了信号滤噪算法以消除信号采集过程中噪声对控制的影响。然后分别介绍了三种快速控制反射镜相应的控制算法。对于音圈电机驱动反射镜:通过对音圈电机进行建模,经由系统辨识得出传递函数,设计了闭环控制器抑制谐振对反射镜进行控制。对于压电驱动一维反射镜:针对压电固有的迟滞特性,分析了压电扫描器中迟滞回线的修正原理及方法,设计了自学习前馈控制补偿器,抑制了压电陶瓷的迟滞效应。对于压电驱动二维反射镜:针对其特有的三支撑结构,进行了驱动算法的解耦。模拟了三驱动器条件下的二维单镜面扫描,同时分析了入射光线和镜面法线夹角对于扫描视场的影响。 在测试方面,搭建了基于位敏探测器和数据采集卡的测试平台,设计了基于虚拟仪器的测试程序,介绍了测试的基本步骤。分别测试了三种快速控制反射镜的扫描角度、扫描频率、扫描线性度等基本性能。对于各自的测试结果进行了分析比较,经过控制的扫描结果在性能上得到了大幅提高。 最后,针对满足空间多目标探测干扰的需求提出了一种阵列式快速控制反射镜。


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