液晶偏振光栅(LCPG)可实现光束非机械偏转,LCPG在实际制备中液晶分子填充不均匀会导致液晶层厚度不均匀,从而使光通过级联LCPGs有效区域的同一位置时的衍射效率降低。为了提高级联LCPGs的衍射效率,基于琼斯矩阵理论分析了驱动电压对LCPG衍射效率的影响,利用三级级联LCPGs构建光束偏转实验装置,通过施加不同驱动电压来测量光斑能量,得到衍射效率随电压的变化关系曲线。实验结果表明,当电压在2.0~2.4 V范围内时,+1级衍射效率达到0.80~0.84。

为了提高机载光电稳瞄平台的抗扰动能力和动态响应特性, 在平台上进行了基于线性自抗扰控制的改进控制方法研究。改进的线性自抗扰控制器采用模型辅助的降阶线性扩张状态观测器以及采用系统输出量和输出量微分来产生控制量, 不仅可以减小观测器的相位滞后和观测负担, 提高观测器对扰动的估计能力, 还可以减小观测器滞后和估计误差对控制律的影响。仿真实验结果表明: 改进的线性自抗扰控制器在低中频段具有更好的频域特性, 阶跃响应实验中表现出更好的动态响应特性, 在系统输入为零的条件下, 给系统施加幅值为?仔、频率为2.5 Hz的正弦波力矩扰动和正弦波角速度扰动, 基于线性自抗扰控制器的系统输出残差峰值分别为0.175 (°)/s与0.566 (°)/s, 基于改进的线性自抗扰控制器的系统输出残差峰值分别为0.155 (°)/s与0.030 (°)/s, 实验结果验证了改进方法的有效性。

针对四旋翼无人机参数不确定性和对外部干扰敏感的问题, 提出一种基于线性自抗扰的轨迹跟踪控制系统设计方案。线性自抗扰能够很好地克服无人机的强耦合性、模型不确定性以及外部干扰问题。将四旋翼无人机的轨迹跟踪控制系统分为内外两个环路, 内环采用线性自抗扰控制器,外环采用简单的PD控制器。在仿真平台上对线性自抗扰控制系统进行轨迹跟踪实验, 并与传统的PID控制系统进行对比分析。通过仿真实验证明,所设计的线性自抗扰控制器不仅能够很好地估计并补偿系统所受内外部干扰, 而且对四旋翼无人机参数的不确定性具有较强的鲁棒性, 能够满足无人机姿态调节快速和高稳定度的控制要求, 性能指标明显优于PID控制器。

由于ADRC控制策略相比传统的PID控制方法有着诸多优点, 因此该方法应用在了不同的领域。针对当今空间光通信APT系统精跟踪部分, 采用自抗扰控制策略对其进行控制: 首先分析了线性自抗扰参数对APT系统扰动的影响, 然后将自抗扰控制策略加入到实验仿真中, 对APT系统的扰动进行实时估计, 并通过回路在控制量中加以补偿, 最后对自抗扰控制的参数进行整定, 以提升精跟踪部分的噪声抑制效果及APT系统的跟踪精度。实验结果表明, 自抗扰控制策略应用在光通信APT系统精跟踪部分, 减小了系统跟踪误差, 提升了系统的快速性, 增强了系统鲁棒性, 满足空间光通信APT系统的高精度控制和噪声抑制需求。

为了分析液晶相控阵空间光调制特性与驱动电压之间的关系, 根据液晶连续体弹性形变理论, 提出一种基于非线性最小二乘差分迭代求解液晶指向矢空间分布的方法。该方法利用液晶材料的电光特性, 以阈值电压时的液晶指向矢分布作为初始值, 通过非线性最小二乘法推导在驱动电场的作用下液晶指向矢的空间分布情况, 以及稳定状态时液晶相位延迟与驱动电压之间的相位调制特性曲线。最终通过实验完成了理论验证, 控制液晶相控阵的驱动电压, 实现对远场光束指向的偏转控制。利用驱动电压直接求解电位移矢量, 为后续指向矢与电位移耦合迭代提供初始值, 不仅减少了计算量, 而且更加符合液晶分子在实际电场作用下的运动过程, 减少了模型误差。结果表明: 在系统的终止误差为1.0×10-8时, 不同电压下的迭代时间均值为0.33 s; 在驱动电压为5 V的情况下, 该算法与差分迭代相比, 液晶分子倾斜角的角度误差精度提高了0.09 rad。

液晶相控阵作为一种新型的可编程相位调制器件，可实现小角度范围内的光束偏转。但由于液晶相控阵制作工艺难度大、且受温度及大气扰动等影响，使得光束偏转系统实际偏转角与预期偏转角之间存在一定误差。为了提高液晶相控阵光束偏转精度，本文提出了一种基于分数阶PIλDμ控制器的光束偏转闭环控制回路。CCD作为探测元件，接收待测物体漫反射回来的光。采用斜射式三角测量法，计算预期偏转角与实际偏转角的偏转误差。将误差信号输入到分数阶PIλDμ控制器，控制器生成控制信号传给被控对象液晶相控阵，最终实现光束精确偏转。经仿真实验和性能分析，系统阶跃响应测试经过2步迭代达到稳定输出状态，闭环带宽为7.67 rad/s，对幅值为1、频率为1的正弦扰动信号系统抑制比为-1806 dB。验证了分数阶PIλDμ控制算法能够快速地抑制扰动和噪声，且扰动抑制效果好，稳定性高。

为提升光电稳定平台的快速响应和扰动抑制能力, 设计了基于平台模型的线性自抗扰控制器。通过系统辨识的方法, 获取光电稳定平台的近似模型,然后将获取的模型信息加入到扩张状态观测器设计中, 进行线性自抗扰控制器的设计, 并与未采用模型信息的线性自抗扰控制器进行仿真对比。仿真结果表明: 基于平台模型信息设计的线性自抗扰控制器可有效提高光电稳定平台的响应速度和扰动抑制能力。

单光子雪崩光电二极管(SPAD)是目前激光测距领域常见的单光子探测器。针对SPAD在单光子探测应用中的高速淬灭问题, 设计了一种可以快速淬灭雪崩电流、缩短偏置电压恢复时间的主被动混合淬灭电路。根据实际使用的SPAD器件相关性能参数, 建立了SPAD的SPICE模型; 使用被动淬灭电路对该模型进行验证, 证实了该模型的准确性和实用性; 结合SPICE模型, 通过计算机仿真技术对主被动混合淬灭电路进行了参数调整和功能验证。结果表明, 所设计电路的淬灭时间和恢复时间分别达到200和400ps, 满足单光子激光测距的应用需求。该混合淬灭电路结构简单, 可以用于全集成单光子阵列探测器的相关研究。

针对光波导光学相控阵的光束优化问题，提出了一种基于遗传算法的幅值和相位混合加权的边瓣优化方法。以一维线阵为例，对混合加权的实现方法进行了分析，并在此基础上对提出的遗传优化算法进行仿真实验。仿真结果表明：优化后的天线方向图将栅瓣压缩为副瓣，同时峰值副瓣电平得到了明显改善；优化搜索过程中有、无主瓣均能达到压缩边瓣的目的。该算法具有良好的收敛性能，采用该算法对方向图进行优化设计,能够有效提高设计的效率和质量,在方向图综合中具有非常好的实际工程应用性。

为了解决液晶光学相控阵实际偏转效率远低于理论水平的问题，分别从迭代次数和衍射效率两个方面，将蝙蝠算法与粒子群算法进行了对比。仿真结果表明，蝙蝠算法的优化效果良好，迭代速度快于粒子群算法的，且在相控阵的波束优化方面具有良好的应用前景。