光束抖動主動控制技術(shù)研究進(jìn)展

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，陜西 西安 710072; 2.中國工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川 綿陽 621900)

基于運(yùn)動載體的激光發(fā)射系統(tǒng)在對目標(biāo)進(jìn)行有效跟蹤瞄準(zhǔn)時，由于載體的隨機(jī)振動和環(huán)境擾動，無法保持光軸穩(wěn)定，導(dǎo)致跟蹤精度、跟瞄穩(wěn)定性、跟蹤能力、光束質(zhì)量都大為下降，降低了系統(tǒng)的綜合性能[1-2]。機(jī)載的激光空間通信和激光功率遠(yuǎn)程輸運(yùn)光學(xué)系統(tǒng)，要求將激光功率通過長距離傳輸后仍能集中于目標(biāo)上。因此，如何穩(wěn)定光束使其不受隨機(jī)振動和環(huán)境干擾影響成為一個亟待解決的問題[3-4]。

本文闡述了載體振動和環(huán)境擾動下光束抖動的控制問題。光束抖動控制技術(shù)主要用于載體振動和環(huán)境擾動下穩(wěn)定光束的指向，控制光束穩(wěn)定在選定的瞄準(zhǔn)點(diǎn)上，提高光學(xué)系統(tǒng)的指向穩(wěn)定精度，消除由于載體運(yùn)動和振動等引起的光束抖動。目前機(jī)載光電系統(tǒng)多采用平臺整體穩(wěn)定方式，并從機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制算法上提出各種補(bǔ)償技術(shù)來提高穩(wěn)定精度。要提高光學(xué)系統(tǒng)的指向穩(wěn)定精度，其中高精度高帶寬響應(yīng)的快速反射鏡和先進(jìn)控制算法是關(guān)鍵。

1 光束穩(wěn)定技術(shù)概述

目前，運(yùn)動載體上的激光發(fā)射控制系統(tǒng)多采用復(fù)合軸跟蹤控制系統(tǒng)。如圖1所示[5]，圖中為光束穩(wěn)定控制系統(tǒng)中使用的復(fù)合軸穩(wěn)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括粗、精兩套穩(wěn)定控制回路，粗跟蹤系統(tǒng)采用伺服電機(jī)和激光陀螺等作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制范圍大，但控制精度和響應(yīng)速度較差，主要用于目標(biāo)的快速捕獲；子軸精跟蹤系統(tǒng)具有水平和俯仰兩軸，可分別施加控制，子軸精跟蹤系統(tǒng)通常采用快速反射鏡(FSM)作為控制元件，響應(yīng)速度快、控制精度好。子系統(tǒng)可對主系統(tǒng)的跟蹤殘余誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)的跟蹤精度。

圖1 復(fù)合軸控制系統(tǒng)

機(jī)載激光系統(tǒng)面臨的振動環(huán)境包括飛行過程中結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動和機(jī)艙內(nèi)部強(qiáng)噪聲環(huán)境(聲壓級85 dB以上)，這種惡劣的振動環(huán)境帶來的光束抖動問題不可忽視。對于機(jī)載激光系統(tǒng)而言，其光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，受到內(nèi)外部動態(tài)載荷的干擾影響也更為劇烈，如飛機(jī)艙內(nèi)噪聲、結(jié)構(gòu)振動、溫度變化等，載體平臺結(jié)構(gòu)振動以及設(shè)備所處的環(huán)境噪聲是誘導(dǎo)光束抖動的主要原因[6-9]。如圖2所示，在振動及環(huán)境噪聲擾動下，光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部元件發(fā)生振動和光路失調(diào)，這使得光路系統(tǒng)發(fā)射的光束在傳輸過程中產(chǎn)生抖動[10]。載體的結(jié)構(gòu)振動和環(huán)境擾動使得光電跟瞄系統(tǒng)的光軸或者發(fā)射的光束產(chǎn)生角度偏離，即光束抖動。在機(jī)載激光通信等應(yīng)用中，激光在發(fā)射源和目標(biāo)之間是一種點(diǎn)對點(diǎn)傳輸過程，激光系統(tǒng)發(fā)射光束的光軸要在在較長距離上保持精確指向，以達(dá)到微弧度的穩(wěn)定精度。同時還需要保證發(fā)射的激光光束聚焦后能夠在一定時間內(nèi)持續(xù)地照射在目標(biāo)的同一塊區(qū)域上。因此，必須控制光束使其穩(wěn)定在選定的瞄準(zhǔn)點(diǎn)上，否則將造成激光光束的焦點(diǎn)在目標(biāo)上抖動。這種抖動使得光學(xué)接收系統(tǒng)上的光斑位置產(chǎn)生隨機(jī)波動，不利于光學(xué)信號的接收。

圖2 結(jié)構(gòu)振動和環(huán)境擾動對機(jī)載光學(xué)系統(tǒng)的影響

為了控制光學(xué)系統(tǒng)在隨機(jī)振動和環(huán)境擾動激勵下的振動，工程人員首先嘗試將光學(xué)系統(tǒng)與振源隔離，如光學(xué)隔振平臺，它可以有效地隔離地板傳遞到光學(xué)系統(tǒng)上的振動[11-12]。這類隔振平臺采用被動隔振和主動隔振技術(shù)，被動隔振系統(tǒng)通常有橡膠隔振、空氣彈簧、磁懸浮隔振器等，隔振裝置安裝在振源和光學(xué)系統(tǒng)之間，相當(dāng)于一個低通濾波器，可以有效隔絕中高頻的振動；而主動隔振系統(tǒng)通常采用電磁驅(qū)動器，通過反饋控制隔振平臺的位移。此外，增加平臺結(jié)構(gòu)的阻尼也是有效的振動控制措施；對于平臺的基礎(chǔ)振動，采用柔性支撐隔振可使光束抖動量顯著減小。美國CSA公司研制了一種用于光路準(zhǔn)直系統(tǒng)的振動隔離裝置，AS/VIS，即機(jī)載穩(wěn)定隔振系統(tǒng)，采用電磁驅(qū)動器和空氣彈簧進(jìn)行主動減振，在5～200 Hz的動態(tài)范圍內(nèi)可以顯著減振。這種平臺整體隔振方式隔振效果好，可以保護(hù)敏感的光學(xué)系統(tǒng)不受高頻振動的影響。近年來，隔振平臺已經(jīng)發(fā)展到超低頻(0.7～1.2 Hz)、振動速度0.02 mm/s、振幅0.6～1.5 μm的超低頻固有頻率的精密隔振平臺。機(jī)載光學(xué)系統(tǒng)通常還采用了一種Hexapod隔振平臺用于多軸隔振，這種方式有利于不同自由度下解耦隔振模態(tài)和主動控制。

2 高性能快速反射鏡研究

在精跟蹤控制系統(tǒng)方面，美國伯明翰大學(xué)Skormin[13]等為機(jī)載激光通信系統(tǒng)提出了振動環(huán)境下光束抖動的預(yù)測和控制方法，并提出了通過傳感器測量光束偏移，用快速反射鏡進(jìn)行光束抖動控制的方案。這種光束抖動的控制方式主要是基于反射式光學(xué)穩(wěn)像原理，利用快速反射鏡對光軸的微小擾動進(jìn)行補(bǔ)償，如圖3所示。圖中為基于快速反射鏡的光束控制系統(tǒng)，它將快速反射鏡和加速度傳感器等集成在一起，構(gòu)成一個指向平衡系統(tǒng)，通過光電探測器將探測到的誤差信號反饋給快速反射鏡，快速反射鏡調(diào)整鏡面角度，從而控制光束方向，使得激光被穩(wěn)定在探測器中心處，這樣就消除了光束抖動[14]。在光束抖動控制中，快速反射鏡和高精度的光學(xué)信號探測器的作用很重要?？焖俜瓷溏R是光電精密跟蹤系統(tǒng)中必不可少的一部分，利用反射面在光源和接收器之間控制光束。它既可以用來在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中校正光路中的傾斜誤差，也可以用來穩(wěn)定光束的指向，還可以在光學(xué)精密儀器中作為快速跟蹤的關(guān)鍵器件。

圖3 基于快速反射鏡的光束抖動控制系統(tǒng)

FSM利用音圈電機(jī)或者分辨率達(dá)到微米級的壓電驅(qū)動器驅(qū)動[15]，其慣性遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)架，可大幅度提高諧振頻率，與高靈敏度、高響應(yīng)速度的傳感器相結(jié)合，可以構(gòu)成高精度的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，極大地提高系統(tǒng)的跟蹤帶寬和響應(yīng)速度，同時使系統(tǒng)有較高的角度分辨能力。MIT林肯實(shí)驗(yàn)室設(shè)計的高帶寬傾斜鏡(HBSM)能達(dá)到 0.2 μrad瞄準(zhǔn)精度，抑制高達(dá) 1 kHz的抖動?？焖俜瓷溏R是光束抖動控制中的核心元件，決定了控制系統(tǒng)的控制帶寬和控制精度[16]。由音圈電機(jī)驅(qū)動的快速反射鏡偏轉(zhuǎn)范圍大(10 mrad)，驅(qū)動力大，但控制帶寬較小，精度較低。由壓電驅(qū)動的快速反射鏡控制精度高，響應(yīng)頻率高；但是，壓電作動器的遲滯效應(yīng)以及支撐結(jié)構(gòu)限制了其控制帶寬，且控制角度范圍較小(1～3 mrad)。對快速反射鏡形狀以及內(nèi)部鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以提高驅(qū)動器的工作效率和工作頻率范圍。Perez[17]使用MEMS反射鏡抑制光束抖動，這種MEMS反射鏡直徑只有3.5 mm，降低了反射鏡的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，有利于反射鏡的快速調(diào)節(jié)和提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度的提高。

3 光束抖動控制算法研究

3.1 傳統(tǒng)控制算法

對于一個完整的光束穩(wěn)定控制系統(tǒng)，采用的算法決定了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。傳統(tǒng)的控制方法一般選用PID方法，該方法設(shè)計簡單，抑制能力取決于閉環(huán)控制系統(tǒng)的帶寬，對抑制能力范圍內(nèi)的寬帶和窄帶的擾動都有很好的抑制效果。但控制精度差，在復(fù)雜擾動環(huán)境下無法有效抑制光束抖動。傳統(tǒng)的控制算法控制模型和參數(shù)固定，不能有效應(yīng)對時變隨機(jī)擾動。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于機(jī)載振動環(huán)境的復(fù)雜性和多變性，機(jī)載激光系統(tǒng)受到的干擾是隨機(jī)變化的，如不穩(wěn)定氣流引起的飛機(jī)結(jié)構(gòu)顫振、氣動噪聲激勵等。對于機(jī)載激光系統(tǒng)，不僅存在結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動激勵，還存在強(qiáng)噪聲干擾帶來的劇烈氣壓波動，Glaese和McEver[18-20]研究了噪聲擾動下光束抖動控制問題。由環(huán)境噪聲引起的光束擾動的頻譜特點(diǎn)是頻率多變、頻帶較寬，這是因?yàn)閷?shí)際使用環(huán)境隨飛機(jī)飛行狀態(tài)不斷改變，載機(jī)振動和環(huán)境擾動也隨時間不斷變化，且擾動頻率不固定，所以造成的光束抖動在功率密度譜上是寬頻帶的[21]。

PID算法對于低頻擾動具有較好的適應(yīng)性，但是外界擾動特性未知時，調(diào)整PID的控制參數(shù)是非常困難的。由于PID控制方法的簡便性，使得PID控制方法仍然具有很高的工程實(shí)用價值。如果改進(jìn)PID方法，使之具備自抗擾能力，將極大提高該方法的有效性。崔寧等人[22]設(shè)計了自抗擾模糊控制算法，使得PID算法中系數(shù)可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)，達(dá)到8 μrad的跟蹤精度；聶光戎等人[23]通過對PID算法添加自抗擾控制器，改善了光束指向穩(wěn)定控制中動態(tài)干擾導(dǎo)致的超調(diào)，增加光束控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

杜克大學(xué)McEver采用LQG方法設(shè)計了一種光束抖動前饋控制方案，實(shí)驗(yàn)中利用揚(yáng)聲器產(chǎn)生的噪聲誘導(dǎo)光束抖動，麥克風(fēng)采集的聲學(xué)信號和加速度傳感器采集的振動信號作為前饋參考信號，位置敏感探測器和快速反射鏡組成閉環(huán)控制回路。其結(jié)果表明，對于寬帶擾動，抖動幅值降低了50%，而窄帶擾動幾乎全部被抑制。此后McEver使用調(diào)Q參數(shù)方法設(shè)計了一種參數(shù)調(diào)節(jié)方法。該方法使用Q參數(shù)作為一種擾動預(yù)期加入控制回路中，其中Q參數(shù)通過參數(shù)互質(zhì)設(shè)計的反饋回路得到，該反饋回路分離出輸出信號中的干擾成分，用以補(bǔ)償環(huán)境擾動對光路系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在噪聲擾動源存在的情況下，光束抖動程度抑制了約60%。

3.2 自適應(yīng)控制算法

Anderson[24]等人提出將自適應(yīng)濾波方法用于控制寬頻帶上的光束抖動。自適應(yīng)控制是指通過修改控制器的參數(shù)或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)等調(diào)解方式，適應(yīng)控制對象模型的變化。光束穩(wěn)定自適應(yīng)控制技術(shù)的目標(biāo)是，根據(jù)測量的光路系統(tǒng)的環(huán)境干擾量和光束指向誤差，尋求自適應(yīng)控制策略，盡可能地抑制光束抖動。在自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)系統(tǒng)采集到的信號調(diào)整控制增益，系統(tǒng)信號包括誤差信號、擾動信號和控制信號等。其中誤差信號是指系統(tǒng)輸出信號與預(yù)期信號的差異，可以用來重新計算控制增益參數(shù)以便下一步減小誤差；擾動參考信號是通過傳感器測量得到的信號，如加速度信號，噪聲信號等?？刂破鲄?shù)通過一個自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)，即自適應(yīng)控制律。由于擾動信號只是反映了光路系統(tǒng)受到擾動程度，該信號還需通過一個設(shè)計好的參考模型，模擬出光路系統(tǒng)受到擾動后光束抖動的特性及預(yù)期控制效果，用來調(diào)整自適應(yīng)控制器中參數(shù)。

圖4為自適應(yīng)濾波方法示意圖，圖中x(n)為輸入?yún)⒖夹盘?，通過參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器后產(chǎn)生輸出信號y(n)，將輸出信號y(n)與擾動信號d(n)進(jìn)行比較，得到誤差信號e(n)。e(n)和x(n)通過自適應(yīng)算法對濾波器的參數(shù)w(n)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的目的是使誤差信號e(n)最小。自適應(yīng)濾波技術(shù)是控制算法的核心部分。自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)中最常用的是FIR橫向型結(jié)構(gòu)，圖5為橫向型濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 自適應(yīng)濾波方法示意圖

圖5 橫向型濾波器示意圖

美國海軍工程研究中心的Watkins[25-26]等人基于LJC實(shí)驗(yàn)平臺研究了自適應(yīng)算法。該平臺利用激振器引入振動激勵，并采用PSD探測光束抖動，快速反射鏡閉環(huán)控制光束。Watkins將濾波LMS方法用于光束抖動控制，LMS算法通過梯度搜索調(diào)整系數(shù)，使輸出誤差序列的均方值(MSE)最小化，并且根據(jù)該判據(jù)來修改權(quán)系數(shù)。其后，Yoon[27]又利用濾波遞推最小二乘(FXRLS)方法設(shè)計了自適應(yīng)濾波器，與FXLMS方法相比，這種算法在自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)上是相同的，不同的是RLS算法基于歸一化遞推算法改變了自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)迭代矩陣，使之收斂速度更快。

自適應(yīng)濾波LMS和RLS算法采用的自適應(yīng)濾波器階數(shù)固定，而Orzechowski等人[28-29]采用變階次的自適應(yīng)濾波器，設(shè)計了一種基于遞推最小二乘算法的梯度自適應(yīng)格型算法(GAL)和變階次自適應(yīng)控制方法。圖6為格型自適應(yīng)濾波器。對于自適應(yīng)濾波器而言，階數(shù)決定了算法的收斂速度和穩(wěn)定性，低階的濾波器收斂速度快，但穩(wěn)定性較差；而高階的濾波器穩(wěn)定性好，但需要更多的采樣數(shù)據(jù)。采用變階自適應(yīng)濾波器可以兼顧收斂速度和穩(wěn)定性的要求，與橫向?yàn)V波器相比，可以適應(yīng)更高的傳感器采樣率，以及更劇烈的環(huán)境擾動。

圖6 格型自適應(yīng)濾波器

Moon[30]等人將廣義預(yù)測控制算法(GPC)理論應(yīng)用于光束抖動控制中,如圖7所示。具體步驟是首先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識，通過統(tǒng)計方法得到系統(tǒng)參數(shù)的估計值和預(yù)測輸出值，并與實(shí)際系統(tǒng)輸出對比，反饋校正，不斷的預(yù)測和控制，調(diào)整控制器參數(shù)，以保證穩(wěn)態(tài)輸出方差最小。廣義預(yù)測控制是D.W.Clarke于1987年提出的一種重要的自校正控制算法，在自校正調(diào)節(jié)器的在線辨識、輸出預(yù)測、最小輸出方差控制的基礎(chǔ)上，應(yīng)用了滾動優(yōu)化策略，使之具備自適應(yīng)控制和預(yù)測控制的性能。GPC算法基于RLS系統(tǒng)辨識方法和廣義預(yù)測控制，加入了預(yù)測模型、權(quán)重系數(shù)滾動優(yōu)化過程和在線反饋校正，該算法呈現(xiàn)出優(yōu)良的控制性能和魯棒性。在實(shí)驗(yàn)中利用揚(yáng)聲器產(chǎn)生的噪聲誘導(dǎo)光束抖動，使用實(shí)時自適應(yīng)前饋和反饋廣義預(yù)測控制方法，可以實(shí)現(xiàn)大約40%的抖動抑制。

圖7 廣義預(yù)測控制算法

3.3 控制算法比較

Watkins為了比較LQG、LMS、GAL等算法的控制效果，在實(shí)驗(yàn)中通過擾動反射鏡引入光束抖動，該抖動信號在頻率分別為50 Hz與100 Hz的正弦信號基礎(chǔ)上混入了截止帶寬為200 Hz的白噪聲信號，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。LQG方法可以消除約70%抖動誤差，而LMS和GAL方法可以消除約80%抖動。Beerer在該實(shí)驗(yàn)臺上比較了PID算法和自適應(yīng)算法的控制效果，其跟蹤誤差RMS值如圖8所示。結(jié)果表明自適應(yīng)控制方法有更好的控制精度，而PID算法在收斂速度上效果更好[31-33]。

表1 LQG/LMS/GAL算法控制效果控制器

為了發(fā)揮不同控制算法的優(yōu)勢，丁科[34]等人研究了快速反射鏡控制的復(fù)合控制算法，認(rèn)為不同的控制算法適用的擾動頻率范圍并不完全相同，可能導(dǎo)致復(fù)合控制算法不收斂。為了拓展控制帶寬，實(shí)現(xiàn)寬頻帶干擾下的光束抖動控制，設(shè)計了一種解耦的復(fù)合控制算法，解決了現(xiàn)有直接復(fù)合算法不收斂的問題。Beerer在實(shí)驗(yàn)中將PID控制方法和自適應(yīng)濾波方法結(jié)合起來，認(rèn)為對于一些特定的無法穩(wěn)定控制的頻段可以采用濾波方法抑制，并且希望通過控制算法的復(fù)合應(yīng)用，提高控制算法的適用性。Moon[35]研究了布置在振動穩(wěn)定平臺上的傳感器位置和數(shù)量對控制算法的影響。在自適應(yīng)控制方法中，前饋控制中需要引入多種參考信號，擾動的參考信號有利于控制系統(tǒng)自適應(yīng)的尋找最優(yōu)控制參數(shù)，但是在復(fù)雜擾動環(huán)境下，各種環(huán)境擾動對系統(tǒng)誤差的貢獻(xiàn)并不相同，不同的傳感器信號的信噪比也不同。這時，就需要對傳感器的布置以及采樣信號進(jìn)行優(yōu)化分析。

圖8 PID算法與自適應(yīng)算法控制效果對比

4 結(jié)束語

在光束抖動主動控制技術(shù)中，傳統(tǒng)的反饋控制算法如PID等方法簡單，便于工程應(yīng)用，但是，其控制參數(shù)需要在使用前通過大量實(shí)驗(yàn)確定和優(yōu)化[36]，對時變擾動的抑制能力較差。前饋控制算法通過引入擾動參考信號，可以預(yù)先捕捉到擾動源規(guī)律，對于頻率單一的擾動有較好的抑制效果。實(shí)際光路系統(tǒng)由于搭載平臺和使用環(huán)境中干擾的不確定性，使用傳統(tǒng)控制方法在光束抖動控制中無法滿足系統(tǒng)時變抗擾性能，這時就需要自適應(yīng)控制方法。具體來說，對于窄帶擾動，由于干擾頻率固定，采用傳統(tǒng)的前饋和反饋控制方法就可以得到較好的控制效果；而對于實(shí)時變化的隨機(jī)擾動，需要自適應(yīng)控制方法以實(shí)現(xiàn)寬帶上的光束抖動控制。

近年來，激光技術(shù)已在通信、雷達(dá)、加工、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。光束控制技術(shù)是其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用在空間激光通信、機(jī)載激光武器中。研究在復(fù)雜干擾環(huán)境下的光束控制方法將有效提升機(jī)載激光系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性和瞄準(zhǔn)跟蹤精度，有利于提升系統(tǒng)的使用效率和綜合性能。面對復(fù)雜的使用環(huán)境，自適應(yīng)控制技術(shù)提供了有效抑制光束抖動的方法，具有一定的實(shí)用價值。