1 南京信息工程大学自动化学院，江苏 南京 210044
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国船舶重工集团公司第七一九研究所，湖北 武汉 430064
4 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110167
Overview: The fast steering mirror is an important component of a high-precision photoelectric tracking system. Fast steering mirrors are generally driven by voice coil motors with high linearity, high sensitivity, and high bandwidth to ensure adequate tracking and anti-interference accuracy of the whole system. In recent years, with the expansion of applications, the photoelectric tracking system has expanded from a fixed platform mounted on a foundation to a moving platform. However, the environment in which the motion platform is located is more severe and the internal and external interference caused by the carrier attitude change will be more complex and intense, leading to a serious decrease in the accuracy of the visual axis stabilization, and even make the tracking target out of the field of view and lose the target. In general, for the photoelectric tracking system in a moving platform, the traditional passive interference suppression methods and the active interference suppression methods that treat the interference as lumped interference will not be enough to ensure the high-precision stability of boresight. Therefore, this paper proposes a sliding mode composite layered interference observation and compensation control strategy which combines harmonic interference observation and extended state observation. Firstly, the harmonic disturbance observer is used to observe the harmonic disturbance with a priori frequency information. Then, the extended state observer is used to observe other unknown disturbances. Finally, based on the observed multi-source interference, the sliding mode nonlinear method with anti-interference ability is used to design a composite controller to maximize the suppression of multi-source disturbances suffered by the system. The experiment shows that the sliding mode composite layered interference observation compensation method proposed in this paper can estimate multi-source interference more accurately, has stronger interference suppression ability, and obtains higher boresight stabilization accuracy for the fast steering mirror compared with the traditional single interference observation compensation method.
快反镜 视轴稳定 复合分层 谐波干扰观测器 扩张状态观测器 滑模 fast steering mirror LOS stability composite layered harmonic disturbance observer extended state observer sliding mode
1 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
2 中国科学院光束控制重点实验室，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
因为发散角和线宽效应的存在，非平行光束入射窄带滤光片时，滤光片的透射特性会发生变化。特别是在斜入射时，窄带滤光膜透射通带波形更易从矩形向三角形退化，并且伴随峰值透过率降低等负面现象。虽然已知的卷积模型可以对非平行光束入射窄带滤光片的情况进行数值模拟，但是由于制备和测量误差的阻碍，其正确性和数值模拟的准确性没有严格的实验进行验证。通过膜系优化和测量误差修正降低相应误差及其影响，并通过等离子体辅助反应磁控溅射 (PARMS) 的方法制备了工作角度为17°的1 064 nm高性能窄带滤光片。滤光片的透射光谱分别由两款分光光度计Cary 7000和Lambda 1050测量得到。在不同条件下测得的光谱与数值模拟结果吻合得很好，充分验证了卷积模型的有效性和数值模拟的准确性。
窄带滤光片 数值模拟 发散角效应 线宽效应 narrow-band filter numerical simulation divergence-angle effect linewidth effect 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210757
1 中国科学院光电技术研究所光束控制重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
如何检测光学元件的偏心和倾斜误差是离轴望远镜系统装调中的一个关键问题。针对这一问题，提出了一种二阶灵敏度矩阵法。在偏心范围为（-3 mm，3 mm）和倾斜范围为（-3 mrad，3 mrad）时，绘制了Zernike系数与失调误差的关系曲线，该曲线与数据间的拟合优度都大于0.99，并求解出两个灵敏度矩阵，依据矩阵进行仿真实验，结果表明， x， y轴的均方根值分别为0.0023 mm 和 0.0043 mm，倾斜均方根值分别为0.0177 mrad和0.0031 mrad。仿真实验验证，与传统的灵敏度矩阵法相比，该方法具有更高的精度。
成像系统 离轴望远镜 失调误差 泽尼克系数 二阶灵敏度矩阵 激光与光电子学进展
2022, 59(8): 0811002
1 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
聚酰亚胺(PI)薄膜因具有优良的热稳定性、良好的机械强度等性能广泛应用于航空航天、微电子等领域，但应用在光学成像方向的报道极少。要将PI薄膜用于成像，对其本身的光学均匀性要求极为苛刻。本文实现了100 mm口径低热膨胀系数抗拉伸PI薄膜的光学均匀性满足瑞利判据，具有了成像领域应用的潜力。除了光学均匀性之外，该PI的拉伸强度为285 MPa，是PMDA-ODA型PI拉伸强度的~2.6倍；热膨胀系数约为3.2 ppm?K-1，可以与Novastrat?905相媲美，比商品化PI薄膜低一个数量级。这些优良的基础性能为进一步改进PI薄膜的空间适应性预留了更大的空间。PI光学均匀性的解决将为其在薄膜衍射光学元件中的应用奠定基础。
成像 低热膨胀系数 拉伸强度 光学均匀性 imaging low thermal expansion coefficient tensile strength optical homogeneity
1 中国科学院 光束控制重点实验室，成都 610209；中国科学院 光电技术研究所，成都 610209；中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院 光束控制重点实验室，成都 610209；中国科学院 光电技术研究所，成都 610209
分析了跟踪抖动对湍流大气传输远场光斑的影响。基于麦克斯韦电磁场理论，采用大气相干长度对大气湍流进行描述，推导了发射光束因跟踪抖动导致光轴偏离的远场表达式。在此基础上，利用相位屏法模拟抖动引起的倾斜相位和大气折射率起伏引起的相位调制，并采用低频补偿的功率谱反演法对传输过程进行了数值仿真。分析了不同跟踪抖动、湍流强度条件下远场光斑质心脱靶量的变化，以及不同尺寸模拟目标的回波概率。分析结果表明，在传输距离为10 km时，强湍流造成的远场光斑脱靶量可达几十μrad；当跟踪抖动较大时，湍流强弱对脱靶量影响差别很小。最后，对一定尺寸的模拟目标，从探测回波概率的角度给出了发射系统跟踪抖动量的控制范围。
跟踪抖动 大气湍流 功率谱反演 脱靶量 tracking jitter atmospheric turbulence power spectrum inversion method miss distance 强激光与粒子束
2020, 32(6): 061001
1 中国科学院光束控制重点实验室，四川成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
精密控制技术离不开光机电结构配置、电机驱动、传感器、控制算法以及载荷平台的发展，它是实现高精度光电跟踪的必要手段。无论固定地基平台还是运动平台，扰动抑制、目标跟踪以及分布式智能协同的三大关键技术始终是光电跟踪控制系统面临的技术难点。本文综述了针对上述几大关键问题的精密控制技术，展示了一些先进和前沿控制技术的研究成果，同时指出未来重点研究方向的主要思路。根据扰动影响的不同机理，从精密驱动、惯性稳定、振动控制三个方面介绍了相应扰动抑制技术的研究进展以及热点，并强调基于 Stewart平台的振动与指向一体化技术是空间光电跟踪系统的重要技术方向。复合轴控制系统仍然是提高目标跟踪最有效的根本方式，最基本的技术问题是提高精跟踪倾斜镜跟踪系统的性能。观测器控制尤其是仅有误差测量的观测器技术特别适用于复合轴光电跟踪系统，发展三级或者更高级的复合轴系统应该特别注意高性能电机的应用。最后，提出多智能协同光电系统是光电跟踪领域未来重点的发展方向，需要研究多智能体的协同定位、编队控制以及载荷平台一体化等精密控制技术。
光电跟踪 精密控制 扰动抑制 目标跟踪 智能协同 optical-electric tracking control high-precision control disturbance rejection target tracking intelligence cooperative
中国科学院 光束控制重点实验室，成都 610209；中国科学院 光电技术研究所，成都 610209；中国科学院大学，北京 100049
利用调焦方式可以实现焦距的连续变化从而对不同物距下的光学组件进行在线检测，但是调焦过程操作复杂且对调焦位移精度要求较高，景深内光学元件缺陷无法区分，难以实现真正意义上的在线检测。因此，本文提出了基于相机阵列的光学组件缺陷在线检测方法。首先建立了相机阵列的成像模型并给出了数字重聚焦表达式以及空间分辨率的表达式。接着利用MATLAB模拟相机阵列成像过程和数字重聚焦过程。最后进行实验验证，通过二维位移台带动相机对不同物距下的多个光学元件表面缺陷进行成像获得阵列相机图像，通过数字重聚焦算法得到不同物距下的光学元件表面缺陷分布信息。实验结果表明，基于相机阵列的光学组件缺陷在线检测技术能够同时对位于景深范围内的光学组件进行在线检测。该方法在光学元件缺陷在线检测方面有着一定的应用价值。
在线检测 相机阵列 数字重聚焦 光学组件 online detection camera array digital refocusing optical components 强激光与粒子束
2020, 32(5): 051001
1 中国科学院光电技术研究所光束控制重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
扫描哈特曼技术是检测大口径望远镜像质的常用方法,但其对不同阶次像差的检测能力和不同子孔径分布下的检测精度尚不明确。利用基于Zemax和Matlab的仿真模型对该技术的检测性能进行了探究。仿真结果表明:扫描哈特曼法能有效检测到最高第28阶像差,方均根(RMS)相对误差在5%以内,在对多阶混合像差检测时难以有效分辨其中的高阶成分;采用相切子孔径分布能较好地平衡检测精度和检测效率;增加子孔径数目能提升检测精度,但增加到一定数目后精度提升十分缓慢,同时检测时间大幅增加。
测量 扫描哈特曼技术 Zernike多项式 像质检测 子孔径斜率
1 中国科学院 光束控制重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院 光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
为实现对望远镜系统中光学元件表面缺陷在线检测, 介绍了一种用于光学元件表面缺陷检测的变焦距成像光学系统, 采用机械变焦形式实现变焦功能。根据望远镜系统技术要求计算出变焦距系统的关键参数, 通过Zemax软件设计并优化得到最终结果, 整个变焦系统的设计实现了90 mm~540 mm的6倍变焦, 在变焦过程中F数和像面位置保持不变, 变焦系统总长为553.1 mm。从调制传递函数(MTF)、点列图2个方面分析了系统的成像质量, 系统在各焦距处的MTF值在100 lp/mm处均大于0.3, 物方分辨率优于0.055 mm, 在不同焦距处弥散斑半径均方根值均控制在艾里斑半径范围内。最后对系统环境适应性进行了分析, 讨论了工作温度范围为-10℃~40℃时对系统成像质量的影响, 并给出了温度补偿方案。实验结果表明, 补偿后的系统成像质量良好, 满足实际需求。
光学元件 在线检测 变焦距光学系统 环境适应性分析 optical element online detection zoom optical system environmental adaptability analysis
