邢振冲[1]2018年在《灵巧型长焦多波段共口径光学系统的研究》文中研究说明光电系统在军事侦察,伪装识别,地质勘查,环境检测,防火救灾等领域得到了广泛应用。跟瞄系统作为光电系统中的一类,通过探测并判定目标,进而对目标进行识别和跟踪。并在跟踪过程中,获取目标特征信息并反馈给处理系统进行结算。传统的分布式结构限制了光学口径的大小,从而限制了系统的探测范围,采用共口径设计不仅可以提高探测能力,还可以减小体积,这对于机载设备是很有利的,采用激光发射与回波信号接收使用同一个口径即激光发射与接收共口径的实施方案,不仅可以提高元件的利用率、降低成本;而且可以精确对准激光的发射光轴与回波信号接收光轴,从而提高测量精度。而单一波段仅能反应目标的部分特性,为了准确全面并且不受干扰的获取目标信息,需要综合目标不同波段的图像信息,实现全天候准确跟瞄目标。激光发射与接收共口径,不仅可以扩大激光的国外很早就开展了灵巧型长焦多波段共口径光学系统成像系统的研制工作。本文以具体的创新项目为依托,研究了灵巧型长焦多波段共口径光学系统设计过程中的部分问题。主要对多波段共口径光学系统的设计,检测,装调与分析,拼接式光学窗口研究,激光发射接收共口径等关键技术进行了研究。根据项目需求,设计了用于球型悬挂式光电系统和用于嵌入式光电系统的两种灵巧型长焦多波段共口径光学系统,球型光学系统采用卡塞格林系统作为共口径前端,实现了可见光,中波红外以及激光接收的共口径设计,焦距和F数分别为:嵌入式光学系统采用离轴叁反系统作为共口径前端,实现了可见光,中波红外以及激光发射,接收共口径设计。对设计好的光学系统进行了杂散光分析,根据分析结果设计合理的遮光罩和挡光环,两套系统的杂散光系数均满足要求。对红外系统还需要进一步分析其冷反射,建立合适的冷反射数学模型,并结合实际的光学实用需求,分析灵巧型红外光学系统冷反射以及调焦过程中冷反射的变化情况,并指导光学设计进一步改进优化。据后向散射噪声的偏振特性,提出采用光学手段进行后向散射噪声抑制。在后向散射噪声抑制研究过程中,利用琼斯矩阵对共口径激光系统中后向散射噪声的组成成分进行分析,依据共口径激光系统原理搭建实验光路对系统中后向散射噪声组成成分进行测量。理论分析与实验结果表明:激光共口径系统中的后向散射噪声偏振态与激光照射脉冲偏振态相同,当激光发射脉冲主要为P偏振脉冲时,后向散射噪声由沿P方向与沿S方向振动的线偏振激光脉冲组成,其中P分量为偏振分光棱镜分光面反射能量,且为主要成分,S分量为激光发射脉冲中的小部分。因此,可应用提高发射激光脉冲的线偏振度以减小后向散射噪声中S分量,提高接收光路中元件偏振消光比消除P分量的方法,抑制系统内部后向散射噪声,且此方法具有系统结构简单,工作稳定高效,且拥有较大的带宽的特点。利用衍射光学相关知识以及傅里叶变换等数学方法,建立了拼接式光学窗口对光学系统传递函数影响的数学模型,分析了拼接窗口的参数,光学系统参数与光学系统传递函数之间的关系,该数学模型可以根据光学系统需求指导拼接窗口的加工设计。针对灵巧型离轴叁反非球面设计制定合适的检测方案,设计对应的补偿器,并对加工好的非球面进行复检。完成了卡塞格林系统与离轴叁反光学系统的装调工作。综上所述,本课题为灵巧型长焦多波段共口径光学系统的研究储备了大量的理论与实践经验,为设计超长探测距离,多功能灵巧光电瞄准系统提供了技术支持。
董登峰, 周维虎, 纪荣祎, 张滋黎, 劳达宝[2]2016年在《激光跟踪仪精密跟踪系统的设计》文中指出对激光跟踪仪的跟踪伺服控制系统进行了整体研究并给出了总体设计方案。针对跟踪目标的精密探测问题,研究了新型探测手段以及微弱光电信号的精细调理技术与数字滤波方法,使得脱靶量探测稳定性优于±2.0μm。针对跟踪角度精密测量问题,设计了圆光栅数据采集系统,实现了角度脉冲的细分、辨向与准确计数;基于谐波分析方法建立了跟踪过程中的误差补偿模型,将角度测量精度由3.5″提高到1.5″。建立了跟踪伺服电机的数学模型,分析了电流环在跟踪控制中的作用机理,提出了电流、速度、位置叁闭环控制结构和复合跟踪控制策略。跟踪实验表明:系统最远跟踪距离不小于41.7m,跟踪速度不低于2.0m/s。该项技术还能为空间动态目标跟踪、激光通信等提供有益借鉴。
张前[3]2014年在《基于FPGA的激光跟踪测量系统的设计》文中认为随着现代工业的发展，人们对于在某些场合的叁维坐标测量有更高的要求。例如在工业机器人、航天航空、船舶制造等领域，需要进行大范围、高精度的现场测量。传统的测量方法，例如叁坐标测量机，已经难以满足这种要求。伴随着机器人测量学的发展，激光跟踪干涉测量方法应运而生。相比传统的测量方法，激光跟踪测量方法具有高精度、无导轨、大范围、实时动态等优点，得到了广泛应用。本文基于球坐标法测量原理和现场可编程门阵列（FPGA），进行了激光跟踪测量系统中跟踪部分的光学、机械、硬件电路、软件等部分的设计。根据球坐标法原理，首先对激光跟踪测量系统进行了光学部分的设计，采用法拉第器作为光隔离器改进了传统的光路。根据跟踪系统对机械转动部分的动力学要求，设计了跟踪转头的机械结构，并进行了电机的选型。选用二维枕形位置敏感探测器（PSD）作为激光光斑重心的位置传感器，并对PSD的信号进行了后续处理。以AD公司的AD820作为运算放大器构建了T型反馈网络结构的I/V转换电路。经过转换和放大电路的信号再由AD转换电路转换成数字信号输入FPGA。基于Altera公司的FPGA芯片cyclone IV，用Verilog HDL语言设计了软件结构。包括叁个部分：AD采样控制、坐标转换和电机控制。AD采样软件部分控制上述AD采样电路将PSD的电极电压值读取到FPGA中并输入坐标运算模块，坐标转换部分是由基本的浮点运算模块组合而成。运算单元可以计算出光点的位置和电机需要转动的角度，再由电机驱动部分驱动电机带动机械部分转动完成跟踪。在上述设计的基础上，对整个系统的性能进行了实验验证。实验包括对PSD及后续转换电路输入电压的线性度的测量、目标镜接收范围即系统测量范围的检验和系统跟踪能力的验证。实验结果证明，跟踪系统可以对距离转镜2m内、以0.1m/s运动的物体实现稳定跟踪。
邓新禹[4]2017年在《水下激光通信光电跟踪控制系统研究》文中指出水下激光通信具有保密性好、容量大、传输速度快等优点,可广泛应用于水下对潜通信、水下资源勘查和海洋环境监测等领域,在军事和民用领域都有着至关重要的意义。水下激光通信链路的快速建立和持续稳定的维持是水下激光通信应用的基本条件。在存在平台扰动和海水随机信道扰动等条件下,如何在远距离实现高精度、快速的对准是实现水下激光通信必须解决的问题。本文针对水下激光通信过程中,系统受到外界环境的干扰而导致通信失效的问题进行了研究,利用光电跟踪系统的特点,结合水下激光通信技术,设计研制了一套水下激光通信光电跟踪控制系统。首先,研究了应用于光电跟踪系统的常用目标跟踪算法,针对水下激光通信过程中激光光斑不断移动的问题,仿真分析了各种目标跟踪算法的跟踪效果与应用环境适用性,设计了Mean Shift算法与卡尔曼滤波算法相结合的目标跟踪程序,在实验室中进行了实验测试。其次,设计了水下激光通信光电跟踪控制系统的整体结构,针对伺服控制系统研究了基于视频图像四象限跟踪原理的电机控制算法,根据电机的数学模型建立了与脱靶量对应的占空比比例控制方程,设计了电机控制模块的上位机程序。针对水下环境对平台的影响,研制了以MPU9250为惯性传感单元的稳定控制模块,实验结果表明,在目标丢失的情况下可以通过稳定控制模块使系统恢复成航向角、俯仰角均为0°的稳定状态。然后,针对水下激光通信光电跟踪控制系统的实际应用背景问题,研究了激光信号的PPM调制原理,设计了PPM调制激光通信系统,并在实验室测试了文字信息的水下激光通信传输效果。最后,搭建实验系统在实验室测试了光电跟踪控制系统的室内目标跟踪性能和水下激光光斑跟踪性能,并对水下激光通信光电跟踪控制系统的通信效果进行了实验测试。实验结果表明,水下激光通信光电跟踪控制系统可以跟踪移动的激光光斑并实现水下激光通信功能,具有一定的工程意义。
张亚娟[5]2012年在《单站式激光跟踪坐标测量系统研究》文中指出单站式激光跟踪系统是一种测量精度高、测量范围大的叁坐标测量系统。本文对系统的建模、‘鸟巢’坐标标定、误差分析和补偿、伺服控制等关键技术进行了研究。建成了一套具有测量功能的单站式激光跟踪仪，为开发具有自主知识产权的大范围、高精度跟踪测量产品奠定了基础。所做工作总结为以下几个方面：搭建了回转精度高、机械结构误差小的激光跟踪系统。提出了根据反射光轨迹调节跟踪转镜位置误差和光线对准误差的方法。以DSP芯片为控制核心，搭建了直流电机的数字化伺服控制平台，并编写了便于调试的上位机软件。为研究单站式激光跟踪系统的关键技术创造了条件。建立了只包含两个未知参数的系统数学模型，仿真验证了模型的正确性。创立了采用约束球面标定‘鸟巢’坐标的原理。克服了现有的直线约束标定法和平面约束标定法原始误差大、误差传递系数高、抗噪性能差、收敛域较窄的缺点。设计了采用叁坐标测量机和Renishaw QC20-W球杆仪对‘鸟巢’坐标进行球面约束标定的实验装置。实验结果表明球面约束标定法比直线约束标定法和平面约束标定法标定精度更高。分析了单站式激光跟踪系统的各项误差源并提出了误差补偿方案。建立了包含回转轴线异面距离和镜面安装偏心的标定模型和误差补偿模型。对误差补偿方法进行了仿真和实验。实验结果表明，误差补偿后系统的测量精度提高了38%。推导了激光跟踪系统的位置敏感元件对目标镜位移的运动感知数学模型，实现了跟踪系统两回转轴跟踪量的解耦。在复合控制的基础上，为控制系统的位置环添加模糊调节器，建立了综合控制器。实验结果表明综合控制器使系统跟踪目标时的脱靶量相对于复合控制器减小了80%，跟踪速度提高了35%。对本文所建立的跟踪控制系统进行了跟踪范围测试实验、重复性精度检测实验、单轴测量精度检测实验、综合测量实验以及不同目标镜的光程差检测实验。实验结果表明，跟踪系统能够在3.2m的范围内对以高达0.5m/s速度运行的目标实现跟踪测量。与双频激光干涉仪的对比测长实验表明，系统在3.2m内的测量误差为±8.5μm。
郇宝贵[6]2012年在《便携式激光跟踪仪电控系统设计与实现》文中研究说明随着20世纪60年代激光技术的出现,高精度的测量技术进入了一个新的发展时期。与电磁波及超声波相比,激光具有高单色性、高方向性和相干性好等特点,因而被广泛用于高精度的计量测量上,从而使激光跟踪测量技术日益受到人们的重视。目前激光跟踪测量仪发展的主要趋势是提高激光测量系统本身的测量精度和实现小型化,为系统测量的实时性与精度的提高具有重要意义。本课题旨在针对便携式、体积小、精度高、稳定性好的高精度激光跟踪测量系统开展研究工作,主要任务是设计与实现便携式激光跟踪仪电控系统。电控系统主要由ARM9处理器、FPGA芯片以及外围的接口设备等组成。电控系统的核心是数字控制模块内部的嵌入式ARM9处理器与FPGA芯片,在LINUX嵌入式操作系统平台上ARM9处理器主要负责传感器数据采集、与上位机的数据通信与管理、实时多任务控制以及进行PID跟踪控制运算。FPGA模块则利用Verilog HDL语言进行编程,通过LVDS接口实现对增量式编码器、ADM、IFM、PSD等信号的采集,并采用状态机机制对编码器进行精确计数,提高了系统的可靠性和稳定性；实现了电机速度的测定、电机方向的判定以及与外部数据处理模块通信。利用可靠的PID算法设计了电机控制器,利用采集的位置偏差信号作为速度参考信号,电机的速度信号作为反馈信号,形成单闭环速度控制系统。实验验证了系统的跟踪特性,在大约35米的范围内具有较好的跟踪性能。最后对电路进行了软件仿真及系统整体测试,通过对实验数据的分析,论证了所设计的电控系统可以达到跟踪水平角测量范围在±270°垂直角测量范围在-45°～65°,水平角及垂直角测量精度都在3.5”,系统跟踪精度优于2角分,最大跟踪角速度2rad/s,最大跟踪角加速度1rad/s2,达到跟踪系统的指标要求。
王晓洋[7]2016年在《激光跟踪仪电控系统设计与仿真》文中研究表明激光跟踪仪是一种对空间目标能够跟踪定位的叁维坐标测量系统,可实现柔性、大范围、高精度以及实时动态现场测量等要求,有广阔的应用市场和重要的研究意义。本文阐述了激光跟踪仪的测量原理,详细分析了激光跟踪仪的跟踪性能及测量误差,并结合实验分析了激光跟踪仪的动态性能指标,根据相关指标设计了激光跟踪测量系统的主控板、二次电源电路板和功率驱动板,完成了电控系统的设计。为了通过PSD位置偏差信号控制电机跟踪目标,分析了位置探测器的性能原理,并根据A/D转换器的操作时序图设计了对应的FPGA采集算法,通过FPGA内部的状态机实现A/D转换器的读写操作,再对其滤波运算,得到光斑信息。重点分析研究了激光跟踪仪测角系统,完成了基于FPGA的测角系统的电路设计,在该设计中,采用Verilog HDL硬件电路语言设计有限状态机处理测角圆光栅输出信号,实现了信号的鉴相、四倍频和计数功能,测角分辨力达到0.08",并通过示波器以及QuartusⅡ软件的在线逻辑分析仪验证了圆光栅接口电路设计的合理性。详细介绍了激光跟踪仪伺服控制建模仿真的相关内容。首先研究分析了PID控制算法原理,介绍了PID参数整定方法,并分析了不同的控制算法在工程项目中的应用,然后完成了激光跟踪测量系统所用的电机的选型,并分别建立方位电机和俯仰电机的数学模型,最后搭建激光跟踪仪的伺服控制系统模型,由浅入深,针对力矩电机数学模型,使用MATLAB/Simulink设计电流调节器、速度调节器和位置调节器。以阶跃信号和正弦信号为参考输入信号,并通过示波器分析所建立系统的动态响应曲线,仿真验证激光跟踪仪伺服控制系统建模的合理性,最终完成了激光跟踪仪对距离35m处的目标靶镜的动态跟踪定位,完成激光跟踪仪伺服控制系统的建模仿真。最后分析了目前存在的问题,明确了下一步研究的重心和方向。
朱凌建[8]2004年在《外置式激光跟踪测距方法的研究》文中提出激光跟踪测量是近年来发展起来的一种无导轨精密测长技术，可以应用于航天航空、机械制造及水电建筑等行业的大型机械现场组装与安装。目前激光跟踪测量系统大都采用一体化的结构，即直接转动激光器和干涉系统达到测量过程中光路不间断的目的。这样的测量系统实现比较容易，但必须对整个系统统筹进行设计，现有的激光干涉仪无法实现跟踪测量。这是因为要控制完整的激光干涉仪转动以实现光线的跟踪难度很大，仪器的自重较重、转动惯量大、重心随仪器型号各异等严重影响跟踪性能。因此研究独立于激光干涉仪的跟踪系统——外置式激光跟踪测距系统非常有意义。 作者根据国内外激光跟踪测量系统发展情况，介绍了外置式激光跟踪测距系统的原理，采用球形跟踪伺服装置的设计思想，设计了两维旋转跟踪伺服装置。通过理论分析和试验研究，设计了一套涉及光学、精密机械、电子、计算机和自动控制等多学科技术的测量控制方案，建立了以光电池为光斑位置信号检测传感器，采用ADuC812数据采集芯片进行数据采集和不完全微分数字PID控制算法的跟踪测量控制系统，通过跟踪测量实验验证了这种方法的可行性。 本文提出的外置式激光跟踪测距系统应用于无导轨曲线测量的设计方法在大型机械现场组装与安装中具有较高的参考价值和实用价值，提出的球形跟踪伺服机构的设计思想，不仅简化了伺服机构，对跟踪伺服机构的设计提供了新思路，而且对机器人设计及其他工业领域机构设计都具有一定的参考价值。实验结果表西安理工大学硕士学位论文明这套跟踪测量系统能够适用于高精度、响应速度快和动态性能要求高的工业现场安装与测量，具有广泛的应用前景，同时也为双频激光干涉仪在大工件和现场测量、定位的应用提供了一种有效的方法与技术，并为叁维空间的跟踪测量方法的研究奠定基础。
佚名[9]2011年在《光电子技术》文中研究说明O4320110102394种钌配合物室温和低温条件下发光机理的比较研究/倪泉丰,陈禹,沈涵,巢晖,王惠,计亮年(中山大学光电材料与技术国家重点实验室)//光学学报.―2010,30(8).―2350～2354.以4种钌配合物[Ru(bpy)3]2+,[Ru(bpy)2HPIP]2+,[Ru(dmb)2PIP]2+,[Ru(dmb)2DMNP]2+为研究对象,采用时间分辨的光谱技术分别测量了这4种钌配合物在室温和低温情况下的稳态发光光谱及瞬态发光动力学过程。结果表明,4种样品在低温条件下的发光强度较之室温条件均有所
李人东[10]2005年在《双波长卫星激光测距能力和精度的提高》文中研究表明卫星激光测距(SLR)是卫星单次测量精度最高的一种技术,目前的测量精度为亚厘米量级,大气改正和卫星角反射器效应已成为限制SLR 进一步提高测距精度的主要因素。目前SLR 采用Marini-Murray 模型进行大气改正,其精度为5-10mm。为得到毫米级测量精度,卫星激光测距系统应工作在双波长测量模式,实现大气改正的无模型化修正。本论文是对上海天文台初期的双波长激光测距系统的改进,研究了双波长激光测距领域的关键技术,包括:双波长激光测距系统的设计、双波长最佳波长组合的选取等;测量了Raman 激光的发散角和抖动,研究了发散角和抖动对双波长激光测距的影响,提高了测距回波率;采用增加Raman 激光系统两发射光路的光程差,分离了同一通道中混合的红绿光资料,进一步提高了资料的处理精度。通过对上海天文台初期的双波长激光测距试验系统改进,解决了两波长平行发射的高精度调整、单/双波长的切换以及双计时器的数据实时采集等方面的问题,提高了上海天文台双波长激光测距系统的测距能力和测距精度,实现了对近地卫星的准常规观测,并获得了大量有效的双波长资料。建立了双波长资料处理软件,提出并研究了距离差分平均和距离平均差分两种数据处理方法。双波长卫星测距资料处理的结果表明:应用这两种方法可以得到精度更高的大气改正值。最后与Marini-Murray 模型进行比较,在目前精度下,没有发现明显的偏差。结合上海天文台激光测距的实际情况以及国际上激光测距的发展趋势,提出了上海天文台下一步的工作设想。随着高精度事件计时器等设备的应用,采用以上的研究成果,双波长测量的数据将能用于高精度大气改正。
参考文献：
[1]. 灵巧型长焦多波段共口径光学系统的研究[D]. 邢振冲. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 2018
[2]. 激光跟踪仪精密跟踪系统的设计[J]. 董登峰, 周维虎, 纪荣祎, 张滋黎, 劳达宝. 光学精密工程. 2016
[3]. 基于FPGA的激光跟踪测量系统的设计[D]. 张前. 清华大学. 2014
[4]. 水下激光通信光电跟踪控制系统研究[D]. 邓新禹. 哈尔滨工业大学. 2017
[5]. 单站式激光跟踪坐标测量系统研究[D]. 张亚娟. 天津大学. 2012
[6]. 便携式激光跟踪仪电控系统设计与实现[D]. 郇宝贵. 西安工业大学. 2012
[7]. 激光跟踪仪电控系统设计与仿真[D]. 王晓洋. 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所). 2016
[8]. 外置式激光跟踪测距方法的研究[D]. 朱凌建. 西安理工大学. 2004
[9]. 光电子技术[J]. 佚名. 中国无线电电子学文摘. 2011
[10]. 双波长卫星激光测距能力和精度的提高[D]. 李人东. 中国科学院研究生院（上海天文台）. 2005
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