1 长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
在机载光电转台、多自由度摇摆台等系统中，对于一些运动体与基座间没有确定的回转轴的柔性支撑、并联支撑平台，需要考虑非接触三轴角度测量方法，目前大部分的光电非接触三轴角度测量方案系统复杂，占用空间大，无法适用于如机载、星载等载荷对体积、质量敏感的场景。为此，文中提出了基于双位置敏感探测器（PSD）的非接触三轴角度测量方案，使用准直镜头汇聚、双面反射光楔反射，将光源在两片PSD上汇聚成像，利用PSD上的光斑位置坐标反解出三轴角度。描述了其工作原理以及传感器构成，分析了因两片PSD的相对位置偏移产生的误差，提出了对应补偿方法以减少焊装产生的PSD位置偏移对测量精度的影响。主要对采集的PSD模拟信号值的抖动噪声进行FIR滤波处理，分析了滤波器的相频响应特性，并在MCU中测量相位滞后时间以及滤波器的响应带宽，验证了该数字滤波器在系统内拥有较好的实时传输特性。自准直测量单元总质量为230 g，尺寸为50 mm×50 mm×50 mm。实验结果表明，34阶FIR滤波器将角度测量的误差减小至60%，在±2°测量范围内单轴测量时，方位角、俯仰角、横滚角的误差均方根分别为0.003°、0.007°、0.017°，组合测量时分别为0.006°、0.009°、0.021°，文中所提出的三维测角传感器精度较高，满足机载等场景的使用要求。
三轴姿态角度测量 非接触测量 位置敏感探测器 滤波带宽 响应频率 three-axis attitude angle measurement non-contact measurement position sensitive detector filter bandwidth response frequency 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230543
1 长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信国防重点实验室，吉林 长春 130022
在激光通信光端机伺服控制中，基于速度、加速度滞后补偿的等效复合控制技术能够大幅提高光端机的跟瞄精度，同时对系统稳定性影响较小。本文首先建立了卫星激光通信光端机双向跟瞄模型，分析了光端机工作扰动来源，解算出运动和扰动的等效正弦信号，在速度、位置双回路闭环控制的基础上，开展了等效复合控制技术研究；通过对控制参数进行基于方差的敏感度分析，完成了速度、加速度滞后补偿参数的优化设计；最后在室内构建了实验系统，完成了仿真分析和实验验证。实验结果表明，采用等效复合控制后，在双端运动状态下，跟踪误差为56.8，误差减小了80.06%，大幅提高了光端机粗跟踪动态的跟踪精度。
光通信 卫星激光通信 等效复合控制 参数优化 敏感度分析 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0906004
1 长春理工大学机电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点实验室, 吉林 长春 130022
为提高空间激光通信效率,实现空间激光通信组网,对激光通信组网从光端机控制技术进行研究。首先,阐述空间激光通信组网“一对四”系统原理,并分析从光端机控制方式;然后,对从光端机捷联控制技术建立数学模型并设计非线性跟踪微分器,对从光端机的方位轴进行MATLAB仿真分析;最后,搭建组网通信系统,对从光端机进行实验。实验结果表明,从光端机在引入非线性微分跟踪器后,其方位轴跟踪精度从105 μrad(3σ)降低到31 μrad(3σ),系统精度得到了有效的提高。
光通信 激光通信组网 从光端机 视轴稳定 微分测速 光学学报
2021, 41(14): 1406001
长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
为了保证移动地面站光电跟瞄系统在野外复杂环境下具有稳定的跟踪精度, 针对-20~40 ℃宽工作温度范围下信标接收镜头成像光斑弥散的问题, 进行了光学系统与光机结构的设计, 提出了一种以步进电机驱动补偿镜组的温度补偿方案。分析了极限温度条件下光学系统性能的改变以及不同温度补偿方案的效果, 针对光电跟瞄系统的指标要求, 设计了光机结构并进行了力学、光学性能的分析。分析结果表明, 系统一阶模态为370 Hz; 补偿镜组向前移动0695 mm能够补偿-20 ℃时光学系统成像光斑的弥散, 令中心视场光斑尺寸由73 μm降为32 μm, 边缘视场光斑尺寸由77 μm降为157 μm; 向后移动0885 6 mm能够补偿40 ℃时成像光斑的弥散, 令中心视场光斑尺寸由94 μm降为39 μm, 边缘视场光斑尺寸由96 μm降为218 μm; 使用ZYGO干涉仪对光学系统的像质进行检测, 波像差RMS值(均方根值)为0061λ(λ=6328 nm), PV值(峰谷值)为0466λ, 能够满足跟瞄系统指标要求。
激光通信 移动地面站 跟瞄系统 信标接收镜头 laser communication mobile ground station tracking and aiming system wide temperature range beacon receiver lens
长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
为了满足空间多节点激光通信系统的研制与调试要求,提出了一种多用途激光通信光学天线。通过替换透镜或分光组件,实现激光通信光学天线与自准直平行光管功能的切换。对主镜室进行加强设计,提高了系统整体刚度并使其具有遮光罩的功能。主镜室前端面与盘式次镜架连接,方便光学系统的装校工作,内部通过6个粘接点与主镜相连,后端面连接主镜室背板,以提供透镜组件、分光组件及主镜辅助支撑组件的安装接口。有限元分析结果表明,本结构1阶模态为345 Hz,环境温度在20 ℃±5 ℃范围内,主镜面形误差均方根值优于λ/28。使用4维(4D)干涉仪对系统波像差进行检测,结果表明,激光通信光学天线工作模式下系统波前均方根值优于λ/14,能够满足激光通信系统的指标要求。
光通信 光学天线 平行光管 多用途 激光与光电子学进展
2018, 55(2): 020602
长春理工大学空地激光通信国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
一对多激光通信网络通过基于旋转抛物面原理的伺服摆镜天线,对多点光端机的激光信号进行捕获、跟踪、通信,形成空间激光通信网络.论述了该伺服天线系统的基本原理、架构、跟踪算法与拼接技术,证明了旋转抛物面天线的形成原理,给出了伺服摆镜天线的可行性分析.介绍了跟踪系统的闭环架构,分别阐述了敏感器、执行器、控制器的组成及指标.给出用于光斑跟踪的带执行器限位的比例积分微分(PID)算法及调试方法.为了实现连续跟踪,引入多反射镜拼接技术,着重说明了反射镜拼接的实现方法.整个伺服天线系统以执行范围、跟踪精度、拼接可靠性为测试内容,最终实现了360°全向执行,小于50 mrad 跟踪误差和室内原理实验拼接成功率大于90%的技术指标,有效地保证了激光通信网络体系的正常运行.
激光通信 组网 中继天线 光束伺服
