山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东青岛266590
快速反射镜（Fast Steering Mirror，FSM）是高精密光学系统中的关键仪器，基于音圈电机（Voice Coil Actuator，VCA）驱动的柔性支撑FSM存在复杂耦合特性，导致系统模型复杂并严重影响系统的控制性能，对于该问题，本文提出了一种基于系统辨识与模型降阶的双轴积分增广滑模控制方法。首先，采用基于脉冲响应的Hankel矩阵系统辨识方法建立VCA-FSM的精确耦合模型；随后，基于平衡实现与平衡截断，在保证模型精度的前提下对所建立的高阶模型进行降阶；其次，基于降阶模型，采用现代控制理论方法设计积分增广滑模控制器，通过设计状态观测器构造滑模切换函数与控制律，并在控制设计中改进符号函数以消除滑模抖振；最后，基于VCA-FSM伺服控制系统实验平台，开展频域与时域性能测试实验。实验结果表明：本文所提控制方法相较于单轴滑模、PID控制方法，系统的闭环跟踪带宽分别提高了约50.3%，251.3%，扰动抑制带宽分别提高了约39.9%，451.9%，阶跃响应调节时间分别缩短了约29.7%，97.7%，螺旋线跟踪精度分别提高了约48.5%，97.8%，且实现了对存在强耦合特性VCA-FSM的解耦控制。本文所提控制方法充分提高了VCA-FSM的控制性能。
快速反射镜 音圈电机 系统辨识 模型降阶 滑模控制 Fast Steering Mirror（FSM） Voice Coil Actuator（VCA） system identification model reduction sliding mode control 光学 精密工程
2023, 31(24): 3580
针对喷水推进型无人艇(USV)在水平面内的航向控制问题, 提出了一种改进的终端滑模控制方法。首先,建立了无人艇的Norrbin模型, 在此模型基础上设计了一种基于终端滑模控制的航向控制器, 同时,为了缓解滑模控制带来的抖振问题, 引入了S型生长曲线函数对传统指数趋近率进行改进, 并借助Lyapunov方法证明了控制系统的稳定性; 之后, 通过Matlab仿真实验验证了控制算法的正确性; 最后, 利用自主研发的“海鳐01”号无人艇对所设计的航向跟踪控制算法进行湖上实船试验, 结果验证了该算法在实际工程中应用的可行性。
无人艇 终端滑模控制 S型生长曲线函数 航向跟踪 USV terminal sliding mode control Sigmoid function heading tracking
1 海军工程大学兵器工程学院,武汉 430000
2 海军航空大学,山东 烟台 264001
针对多USV编队控制问题,提出了一种基于多智能体(MAS)的编队协调策略与实现算法。首先,利用USV搭载的Agent之间的交互,实现分布式编队协调,同时基于引导者-跟随者法设计了面向“元编队”的控制器；之后,通过仿真实验与分析验证了策略与算法的正确性与稳定性；最后,利用“海鱇”和“海鳐”USV对所提方法进行海上试验,试验结果验证了其在实际工程应用中的有效性。
多USV编队 协调策略 分布式控制 引导者-跟随者模式 multi-USV formation coordination strategy distributed control leader-follower mode
针对未知动态环境下欠驱动USV的多障碍物实时自主规避问题，提出了一种在线避障路径规划算法。算法基于全局路径的引导，充分考虑环境多障碍约束、USV本体运动学与动力学约束、既定航线约束，同时采用多目标函数作为优化函数，通过障碍物运动预测与滚动优化方式进行在线实时避障；之后，通过仿真实验与分析验证了算法的正确性；最后，利用某无人艇对所提避障算法进行湖上实验，结果验证了算法在实际工程应用中的有效性。
欠驱动USV 路径规划 实时避障 未知动态环境 多障碍物 underactuated USV path planning real-time obstacle avoidance unknown dynamic environment multiple obstacles
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System, Ministry of Education, Beijing 100081, China
We experimentally demonstrated an approach to generate arbitrary total angular momentum (TAM) states by using two liquid crystal devices. Photons’ TAM, the sum of spin and orbital angular momenta (SAM and OAM) under paraxial approximation, has found many applications in optics and attracted increasing attention in recent years. Our approach is based on the orthogonality of two eigen SAM components, that arbitrary TAM states will be produced through encoding different holograms in one system. The comparison with theoretical predications yields an excellent agreement, including both the separable state and the non-separable state. The proposed scheme takes a step forward for generating complex structured fields and broadens its application to various fields like laser processing and large capacity data transmission.
diffraction gratings polarization Chinese Optics Letters
2020, 18(11): 110503
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室, 北京 100081
基于von Karman谱模型采用分步相位屏幕方法,仿真模拟不同阶次径向偏振矢量光束在Kolmobarov大气湍流中的传输特性,并对其Stokes矢量、闪烁指数、光束重心径向偏移量进行分析。研究发现:大气湍流下径向偏振矢量光束的光强分布环形特征的最大识别距离大于标量涡旋光束,其闪烁指数与光束重心径向偏移量都小于标量涡旋光束;高阶光束能在更远的距离保持环形特征,具有更小的闪烁指数与光束重心径向偏移量;径向偏振矢量光束的Stokes矢量图像会发生扩散与畸变。仿真结果表明,大气湍流下径向偏振矢量光束比标量涡旋光束具有更好的大气湍流抗性,高阶光束的部分性质优于低阶光束。
大气光学 矢量光束 大气湍流 闪烁指数 大气传输 光学学报
2020, 40(11): 1101001
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 Institute of Advanced Structure Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
3 Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System, Ministry of Education, Beijing 100081, China
Multi-ring optical vortices are a kind of structured beams that carry orbital angular momentum (OAM) and have concentrical doughnut intensity distributions. In this Letter, we present both theoretically and experimentally a scheme that employs the dimensions of both the OAM states and radial index of multi-ring optical vortices simultaneously to accomplish high-dimensional free-space data coding/decoding transmissions. Such a scheme can further improve the coding efficiency when limited OAM states are available. In the proof-of-concept experiment, 64-ary coding/decoding employing 16 OAM states and four radial indices are present. Also, the coding/decoding performance when facing various atmosphere turbulences is evaluated. Furthermore, a 64 × 64 gray image (totally, 32,768 bits) is also transmitted through multi-ring optical vortices coding in free-space successfully, showing good transmission performance.
060.2605 Free-space optical communication 050.4865 Optical vortices 050.1950 Diffraction gratings Chinese Optics Letters
2019, 17(8): 080602
为了实现基于数字微镜器件的高质量全息图再现，阐述了数字微镜器件的灰度调制特性及其衍射特性，探讨了数字微镜器件进行全息显示的机理，实现了基于数字微镜器件的全息图高质量再现，并给出了相应的数值模拟结果。结果表明，经过灰度调整后的计算全息图再现效果有明显改善。这一结果对数字微镜用于计算全息显示是有帮助的。
信息光学 像质 灰度调整 数字微镜器件 information optics image quality gray scale adjustment digital micro-mirror device
为了进一步研究计算全息3维显示的方法，以数字微镜器件为空间光调制器，采用层析法，结合菲涅耳衍射积分算法中的角谱法，探讨了全息图的计算与数字微镜器件参量之间的关系，并利用修正立轴参考光编码的方式，得到了菲涅耳计算全息图。通过对计算全息图进行数值模拟及实验验证，均得到了较好的再现像。结果表明，该方法实现了3维物体的再现，为计算全息3维显示提供了一种有效的方法。
信息光学 3维显示 角谱法 数字微镜器件 information optics 3-D displaying angular spectral method digital micro-mirror device
