上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620
压电驱动柔性微纳米定位平台通常呈现低阻尼谐振模态，高速运动时易激发机械谐振，从而严重影响控制系统稳定性、控制带宽和轨迹跟踪精度。为消除当前谐振控制器对平台动力学建模精度的依赖性，该文设计了一种自适应陷波滤波器来实现压电微纳定位平台的在线实时抑制谐振。首先，搭建了压电驱动柔性微纳定位平台系统并建立其机电耦合动力学模型；其次，利用快速傅里叶变换方法在线分析了闭环系统误差信号，设计平台频率特性提取算法，实现了对陷波滤波器参数的在线自适应整定；最后，利用所设计的自适应陷波滤波器对阶跃信号和三角波信号进行轨迹跟踪实验。实验结果表明，自适应陷波滤波器可以很好地实现谐振的在线抑制，能够有效提升平台的稳定性和轨迹跟踪精度。
微纳米定位平台 压电陶瓷驱动器 在线谐振抑制 自适应陷波滤波器 柔性机构 micro/nano positioning platform piezoelectric ceramic driver online resonance suppression adaptive notch filter flexible mechanism
1 南京理工大学 机械工程学院，江苏南京20094
2 吉林大学 机械与航空航天工程学院，吉林长春13005
3 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海200240
三轴快速刀具伺服（Fast Tool Servo， FTS）具有更高的刀具空间运动柔性，逐渐用于复杂光学曲面和微纳结构表面的切削加工。针对所研制电磁-压电混合驱动三轴FTS存在的轴间耦合、高频谐振和迟滞非线性等因素对轨迹跟踪性能的影响，研究综合补偿策略实现三轴空间轨迹的高性能跟踪控制。以陷波滤波器抑制系统高频谐振，以前馈解耦补偿弱化平面轴间耦合；针对法应力电磁驱动和压电驱动的迟滞非线性，提出以线性动力学模型级联Prandtl-Ishlinskii模型描述各轴的动态迟滞特性，并构建无需直接求逆的迟滞前馈补偿模型，实现系统的迟滞非线性补偿。谐波扫频测试结果表明：所采用的陷波滤波器可以很好地消除高频谐振，前馈解耦补偿可将平面XY轴间的耦合幅值降低约14 dB。宽频域内迟滞建模结果表明：平面XY轴和Z轴的动态迟滞建模误差分别小于±2.2%和±1.8%。以PID为主控制器，对宽频谐波（10~100 Hz）的跟踪结果表明：采用综合补偿策略获得各轴的最大跟踪误差约为仅采用逆动力学前馈补偿的25%~50%，进一步对空间螺旋球面轨迹进行了跟踪测试，证明了所构建的综合补偿控制策略的有效性。
快速刀具伺服 轨迹跟踪控制 陷波滤波器 前馈解耦补偿 动态迟滞模型 fast tool servo trajectory tracking control notch filter feed-forward decoupling compensation dynamic hysteresis model 光学 精密工程
2023, 31(15): 2236
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学中山研究院，广东 中山 528437
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林 长春 130033
4 英国西苏格兰大学计算工程与物理学院薄膜、传感器与图像研究所，佩斯利 PA1 2BE，英国
为满足GREGOR望远系统末端的测试需求，实现对某些荧光光谱干扰信号的有效过滤和屏蔽，在可见光范围内设计并制备了一种高透射深截止多腔负滤光片。采用变迹函数不同级次的高阶迭代算法，通过设计厚度调制层来有效抑制通带波纹；在B270基底上采用离子束辅助反应磁控溅射的沉积方法进行制备，使用光控法和时间控制法相结合的方案对非四分之一膜层厚度进行监控。实验结果表明，实际制备结果与理论设计吻合较好，制备工艺可行性较高。所设计的多腔负滤光片膜系结构总层数为190层，总厚度约为20 μm，测得各通带透射率均大于90%，截止深度大于0.1%，反射带半峰全宽小于24 nm，最大位置偏差为2 nm，样品的均匀性良好，测试结果完全满足实际应用需求。
薄膜 多腔负滤光片 反应磁控溅射 Nb2O5 SiO2 中国激光
2023, 50(13): 1303102
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065
亚波长光栅结构表现出优异的陷波滤光特性, 其经典设计是设定亚波长的几何结构参数, 求解麦克斯韦方程组, 设定优化算法求解出最优解, 需要消耗大量的时间和计算资源。 提出一种基于深度学习的逆向设计方法, 搭建了可以同时实现正向模拟与逆向设计的串联神经网络。 基于python语言的Tensorflow库进行网络搭建; 优化均匀波导层的高度、 亚波长光栅的高度、 折射率、 周期以及占空比; 研究亚波长光栅在0.45~0.7 μm的陷波滤光特性。 采用严格耦合波分析(RCWA)数值模拟生成23 100组数据集, 在生成的数据集中随机选择18 480组数据作为训练集, 4 620组作为测试集, 并对不同的网络层数, 网络节点以及Batch_size进行了研究。 结果显示经过1 000次的迭代后, 当网络的模型结构为5×50×200×500×200×26, Batch_size大小为128时, 网络性能最佳。 相比独立的网络模型, 串联神经网络的正向模拟测试集损失率从0.033 63降到了0.004 5, 逆向设计的测试集损失率从0.702 98降到了0.052 98, 同时解决了由数据的非唯一性导致的网络逆向设计过程中无法收敛的问题。 在完成训练的网络中输入任意的光谱曲线, 网络平均在1.35 s内给出亚波长光栅的几何结构参数; 并与RCWA数值模拟曲线进行相关性分析, 曲线相似系数均大于0.658 1, 属于强相关。 另外, 设计红、 绿、 蓝三种颜色的陷波滤光片, 其峰值反射率分别可以达到98.91%, 99.98%和99.88%, 与传统方法相比, 该方法可以快速、 精确的求解出光栅的几何参数, 为亚波长光栅设计提供了新方法。
神经网络 亚波长结构 深度学习 陷波滤光片 Neural network Sub-wavelength structure Deep learning Notch filter 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1393
在小型无人直升机领域, 激光陀螺捷联惯导不仅用于导航, 而且用于飞行姿态控制, 对激光陀螺捷联惯导的导航精度和实时性都有较高要求。而传统的高阶有限脉冲响应(FIR)低通滤波器对激光陀螺惯性测量单元(IMU)输出信号滤波后会产生较大的时间延迟, 使得滤波后信号难以满足系统姿态控制的要求。为了兼顾测量精度和响应时间, 研究了一种最小均方(LMS)自适应陷波器与低阶FIR低通滤波器相结合的滤波方法, 并在其中引入了无限脉冲响应(IIR)窄带滤波器, 解决了抖频参考信号的获取问题。理论分析和试验结果表明: 该方法不仅能有效消除抖动偏频信号和外界高频噪声的影响, 而且可以显著缩短延迟时间至2 ms, 具有很高的工程实用价值。
激光陀螺 自适应陷波器 姿态控制 低通滤波器 惯性测量单元 laser gyro adaptive notch filter attitude control low pass filter Inertial measurement unit
1 中国电子科技集团公司第九研究所, 四川 绵阳 621000
2 电子科技大学 电子科学与工程学院, 四川 成都 610054
针对基于环球耦合谐振的钇铁石榴石(YIG)小球陷波器装配调试工艺复杂、不利于多通道集成的问题, 提出了一种采用静磁波技术来实现YIG单晶薄膜陷波器结构与设计方法。该文通过对单晶薄膜陷波器工作原理的分析, 静磁反向体波的角频率与波数(ω-k)色散特性与微带激励谐振换能器的静磁波激励特性的数值计算及器件仿真优化, 设计了调谐工作频段为6~8 GHz的实用化YIG单晶薄膜陷波器。设计仿真与实验结果表明, 在6~8 GHz内调谐频段陷波器均能保证良好的通带插损、阻带深度及30 dB阻带带宽等技术指标。
陷波器 钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜 静磁反向体波 色散 辐射电阻 notch filter YIG single crystal thin film magneto-static backward bulk wave dispersion radiation resistance
中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
该文介绍了一种单端口、端口阻抗50 Ω的S波段薄膜体声波谐振器(FBAR)陷波器, 其采用了梯形拓扑结构与外围匹配电路相结合的方式。对FBAR陷波器芯片的设计过程、工艺实现进行了说明。测试制备的FBAR陷波器,其陷波频段为2 399~2 412 MHz, 陷波抑制达35 dBc; 通带频率分别为1 800~2 300 MHz和2 500~2 800 MHz, 通带插损仅1 dB; 3 dBc开口宽度为69 MHz。FBAR陷波器芯片尺寸为1.2 mm×1.2 mm×0.35 mm。结果表明, 陷波器实测与仿真结果两者相吻合。
薄膜体声波谐振器(FBAR) 陷波器 芯片 梯形结构 低插损 film bulk acoustic resonator(FBAR) notch filter chip ladder-type structure low insertion loss
光子学报
2021, 50(11): 1131002
