激光在振動環(huán)境中的傳輸及指向控制研究.pdf

1、光學(xué)系統(tǒng)受環(huán)境振動的影響會發(fā)生光軸偏離而引起光路失調(diào)，導(dǎo)致激光光束的指向穩(wěn)定性下降。對于一般的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)鏡片體積小剛度大，當(dāng)所受振動激勵較小時，激光光束傳輸計算方法可以僅考慮光學(xué)鏡片剛體位移導(dǎo)致的光軸偏離。然而，對于精密光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)振動激勵較大或光學(xué)鏡片剛度較小時，光學(xué)鏡片的彈性形變引起的光軸偏離對激光光束指向造成的影響不可忽略。為提高振動環(huán)境中精密光學(xué)系統(tǒng)激光光束指向穩(wěn)定性必須研究計及鏡片彈性形變的激光傳輸計算方法以及光束指向控制

2、方法。針對現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用中提升高精度激光光學(xué)系統(tǒng)指向精度的迫切需求，通過理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真以及實驗驗證三個手段，系統(tǒng)深入地研究了振動環(huán)境中計及鏡片彈性形變的激光光束傳輸分析方法，并利用此分析方法研究了光學(xué)系統(tǒng)光束指向控制問題。本文主要工作如下：
　　1.研究了考慮鏡片彈性形變的光學(xué)系統(tǒng)光路描述基本理論，提出了振動環(huán)境中激光光束傳輸矢量分析方法。
　　(1)在光學(xué)系統(tǒng)中，提出了光束空間矢量描述方法，解決了光束在空間中的位置和方向

3、的描述問題，推導(dǎo)了采用空間矢量表示的光學(xué)傳播基本定律公式。
　　(2)基于光束矢量描述方法，建立了反射、折射、平移失調(diào)、旋轉(zhuǎn)失調(diào)等激光傳輸及光學(xué)元件基本行為的空間矢量計算方法。在此基礎(chǔ)上研究了共軸光學(xué)系統(tǒng)和失調(diào)光學(xué)系統(tǒng)激光光束傳輸計算方法。
　　(3)提出了考慮鏡片彈性形變的光束傳輸計算方法。對比了該方法與鏡片剛體假設(shè)光束傳輸計算方法，通過對比研究，驗證了本文提出的振動環(huán)境中彈性體鏡片激光光束傳輸計算方法的有效性。
　

4、　2.研究了振動環(huán)境中光學(xué)系統(tǒng)元件動力學(xué)建模問題，基于該動力學(xué)模型，設(shè)計了含壓電作動元件的主動光學(xué)調(diào)整架。
　　(1)建立了光學(xué)調(diào)整架含連續(xù)接觸力的動力學(xué)模型。在建模過程中分析了一類典型光學(xué)調(diào)整架內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系，推導(dǎo)了光學(xué)調(diào)整架螺紋副接觸碰撞問題的連續(xù)接觸力模型。
　　(2)在光學(xué)調(diào)整架模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了用于激光光束指向控制的主動光學(xué)調(diào)整架，建立了壓電作動器的非對稱滯回非線性模型。研究結(jié)果表明：本文所建壓電滯回模型可以

5、準(zhǔn)確模擬不同頻率下的滯回特性曲線。
　　3.開展了振動環(huán)境中光學(xué)系統(tǒng)激光光束指向控制研究，設(shè)計了光束指向控制仿真系統(tǒng)。
　　(1)針對光束指向控制精度要求高的特點，在經(jīng)典模糊控制理論的基礎(chǔ)上，引入了被控對象偏差積分以及偏差二階微分輸入項，提出了用于激光光束指向穩(wěn)定性控制的四輸入模糊算法。針對該算法計算量大的問題，提出了四輸入模糊控制的分組模糊推理方法，實現(xiàn)四輸入模糊控制降維，減小了方法計算量。研究表明：四輸入模糊控制算法穩(wěn)態(tài)

6、靜差小，相比PID控制，收斂速度更快。
　　(2)建立了基于主動光學(xué)調(diào)整架的光束指向控制器?？刂品抡骝炞C了主動光學(xué)調(diào)整架應(yīng)用于激光光束指向控制的有效性。
　　(3)建立了基于快反鏡(FSM)的光束指向控制器。通過將四輸入模糊控制與PID控制仿真結(jié)果進行對比，驗證了四輸入模糊控制方法的有效性。
　　(4)建立了基于主動光學(xué)調(diào)整架和快反鏡聯(lián)合的光束指向控制器。提出了利用主動光學(xué)調(diào)整架和快反鏡對光束指向進行聯(lián)合控制的二級控制

7、方法。通過將基于主動光學(xué)調(diào)整架控制、快反鏡控制以及光學(xué)調(diào)整架-快反鏡聯(lián)合光束指向控制的仿真結(jié)果進行對比，證明了光束指向聯(lián)合主動控制可以提高光束指向精度。
　　4.建立了激光光束測量與控制實驗系統(tǒng)，進行了振動環(huán)境中激光光束指向控制實驗研究。
　　(1)設(shè)計并建立了激光光束測量控制實驗系統(tǒng)，并建成了光學(xué)設(shè)備要求的無塵、恒溫、恒濕的實驗環(huán)境。該系統(tǒng)能夠完成半物理實驗仿真并可用于光束空間位置測算。
　　(2)通過壓電作動器滯回

8、補償控制實驗以及主動光學(xué)調(diào)整架階躍響應(yīng)實驗，驗證了文中所建立的光學(xué)調(diào)整架系統(tǒng)及其作動器模型的合理性。
　　(3)通過基于主動光學(xué)調(diào)整架、快反鏡以及二者聯(lián)合的光束指向控制實驗，驗證了本文所設(shè)計的含作動器光學(xué)調(diào)整架作為激光光束指向主動控制裝置的有效性；驗證了四輸入可變模糊控制器在光束指向主動控制應(yīng)用中的有效性；驗證了主動光學(xué)調(diào)整架-快反鏡聯(lián)合主動控制可以提高激光光束指向控制精度。
　　論文提出了激光光束傳輸?shù)目臻g矢量分析方法，建