红外与激光工程
2023, 52(11): 20230151
1 长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信国防重点学科实验室，吉林 长春 130022
3 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
为解决机载激光通信中光电跟踪平台获得脱靶量存在滞后的问题，将协方差匹配技术与Sage-Husa自适应Kalman滤波相结合应用到脱靶量滞后补偿中。首先，通过Sage-Husa自适应Kalman算法补偿滞后的脱靶量，并引入遗忘滤波的思想降低过去的量测数据对现在的影响；然后，加入基于协方差匹配技术的判据，判据生效时更新噪声协方差阵，同时增大遗忘因子使量测先验协方差阵误差估计值与理论值更快地相容达到平衡，保证系统的实时性。在仿真中目标为等效正弦运动时改进的Kalman滤波比普通Kalman滤波降低了31.1%的预测误差。在实验验证中改进的Kalman滤波跟踪精度提高18.5%，实时性提高了18%，满足了控制系统对脱靶量滞后补偿的要求，使系统运行更稳定。
机载激光通信 脱靶量滞后 协方差匹配技术 自适应Kalman 遗忘因子 实时性 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0706008
1 长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 130012
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室，吉林 长春 130022
为了解决机载激光通信平台在工作环境中，因自身运动姿态的变换、工作环境的不稳定、外界大气湍流等外界因素对跟踪系统的干扰问题，提出一种比例积分微分（PID）与自抗扰控制（ADRC）结合的算法，在线性的自抗扰环节加入PID控制算法，对系统进行仿真和实验测试。结果表明，改进型ADRC在跟踪精度、抗扰动能力和鲁棒性方面都优于传统ADRC，改进型ADRC在跟踪精度上约为6.8，传统ADRC的跟踪精度约为8，可以看出，改进型ADRC的跟踪精度较传统ADRC提高了15%左右。将改进型ADRC系统的控制算法代入实际的快反镜系统中也有良好的跟踪效果。
光纤光学与光通信 快速反射镜 线性自抗扰控制 比例积分微分控制 抗扰动 机载激光通信 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0706007
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信国防重点学科实验室，吉林 长春 130022
为了减少机载激光通信光电跟踪稳定平台的脱靶量误差，提出一种基于观测器的二自由度内模控制方法。以经过电流环化简后的速度环为被控对象，采用二自由度内模控制对系统进行校正，将干扰观测器的控制律引入到二自由度内模控制中以降低模型误差和外部扰动对系统性能的影响。通过仿真和实验验证了所提方法的高性能。实验结果显示，改进的内模控制在抗干扰能力、鲁棒性和跟踪性能上都优于传统内模控制；将改进的内模控制算法用于实际系统中也有较好的跟踪性能，其跟踪精度约为143 μrad，与传统内模控制相比提高了约24%。
光纤光学与光通信 机载激光通信 二自由度内模控制 干扰 干扰观测器 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0106007
1 长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022
2 长春理工大学 空地激光通信国防重点学科实验室，长春 130022
3 长春理工大学 光电工程学院，长春 130022
为解决在外部扰动情况下自适应光学中倾斜镜的控制问题，提出了一种基于扰动观测器的滑模控制方法来抑制结构振动。在倾斜镜控制系统中，将新的扰动观测器加入到传统滑模控制方法中，设计新的滑模控制率来抑制抖振。改进后的扰动观测器不受精确模型的限制，仿真结果证明了该方法能够比较准确的跟踪系统状态，抑制扰动效果明显，降低了系统误差，输出曲线更接近给定的输入信号。实验结果表明，所设计的方法与传统滑模控制方法相比，方位轴控制误差由1.637 μrad降低到1.083 μrad，精度提高约51.2%，俯仰轴控制误差由1.966 μrad降低到1.614 μrad，精度提高约21.8%。该方法可大幅削弱由滑模控制方法造成的抖振及外部扰动，提高倾斜镜控制系统的稳定性。
自适应光学 倾斜镜 滑模控制 扰动观测器 抖振 Adaptive optics Tip-tilt mirror Sliding mode control Disturbance observer Chattering
长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
在闭环控制回路中引入限幅型加速度惯量反馈和扩张状态观测器复合的优化算法,保证机载激光通信平台对瞬态阶跃响应的稳定性,优化了平台对环路各阶扰动的抑制能力。从系统扰动响应的角度对常规加速度惯量反馈算法进行阐述,分析了该算法的输入输出(I/O)特性和扰动抑制能力,并指出它在实际应用中存在的问题。逐一地引入限幅算法、降阶扩张状态观测器对常规加速度惯量算法进行分步改进,给出改进过程中的性能分析和特性分析。搭建仿真模型和物理实验对所提优化算法进行验证。实验结果表明:当平台以70 (°)/s的速度阶跃时,改进后的控制环路的阶跃超调量幅值约为比例-积分-微分(PID)控制环路的50%;当平台进行5 (°)/Hz的空间扰动隔离时,与PID控制环路相比,改进后的平台对信标光的动态稳定精度从198 μrad[均方根(RMS)统计方式]提升至14.28 μrad(RMS),控制环路的动态扰动隔离度有11.42 dB的优化表现。
光通信 加速度惯量反馈 机载激光通信平台 光轴稳定 扩张状态观测器 扰动响应 扰动隔离 光学学报
2021, 41(23): 2306007
1 长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室，吉林 长春 130022
3 长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022
针对空间激光通信组网各网络拓扑节点高度动态、通信链路搭建困难的问题，在现有“一点对多点”组网光学原理基础上，对其反射镜光学天线伺服性能进行研究。通过实验对针对反射镜的基于位置环和基于速度环的两种不同的光闭环控制策略进行对比，结果显示：基于速度环的光闭环策略在跟踪换向时会出现瞬间较大误差抖动，而基于位置环的光闭环策略的跟踪误差在换向时更加平稳，且误差较小。利用Matlab平台进行了基于速度环的光闭环跟踪仿真，仿真得到的跟踪误差与实际跟踪误差基本一致，但并无较大的换向误差。结合低速启动实验，得出结论：该误差来源于速度环较差的低速启动性能，通过增加位置环降低换向跟踪误差的方案适用于轴系谐振频率较高的光机系统。实验还对位置环跟踪下的速度前馈进行了研究，结果表明：前馈增益从0到2递增时，位置跟踪误差先减小后增大，跟踪误差最小值出现在增益值为0.95~1.05附近。
光通信 空间激光通信组网 反射镜 光闭环性能 速度前馈 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0906007
1 长春理工大学电子信息工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
通过分析互补性氧化金属半导体(CMOS)相机的信号传递模型, 建立了CMOS相机信号与噪声间的传递函数模型, 推导了相机输出图像信号与图像噪声间的线性关系。搭建了相机性能参数测试系统, 对CMOS相机的转换增益、最大信噪比、时域暗噪声进行了测试, 并将实测值与指标值进行了对比。研究结果表明, 所提测试方法能较精确地测出相机的性能参数, 适用于大部分型号相机光电参数的测试。
探测器 光电器件 转换增益 最大信噪比 暗噪声 激光与光电子学进展
2018, 55(10): 100401
1 长春理工大学电子信息工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空间光电技术研究所, 吉林 长春 130022
为提高相机动态范围, 提出了一种基于相机光电参数的图像融合方法。该方法首先通过对相机的转换增益以及黑电平偏移进行测试确定融合系数, 得到高动态范围图像, 经过灰度拉伸后得到可显示的图像。从像质评价方面选取 3组不同光强下融合图像, 分别从主观和客观两方面与 2种传统的融合算法进行比较同时将相机融合前后的动态范围进行了比较。选用辰芯 G2020型互补性氧化金属半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)图像传感器完成实验测试, 融合前高增益模式以及低增益模式下相机动态范围分别为 59.2 dB和 66.1 dB, 经该方法处理后相机动态范围达到87.5dB, 且成像质较好, 同时本文方法计算量小, 易于硬件实现。
图像动态范围 像素级图像融合 光子转移曲线 像质评价 image dynamic range pixel level image fusion photon transfer curve image quality evaluation
