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旋转双棱镜光束指向控制技术综述.docx

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】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。旋转双棱镜光束指向控制技术综述??范大鹏,周远,鲁亚飞,黑墨,熊飞湍,李凯(,湖南长沙410073;,湖南长沙410003;,北京100084)1引言光束指向控制技术既可用于光束指向调整,又可用于改变成像视轴,在自由空间光通信、红外对抗、激光指示器、激光雷达、光纤光开关等设备中有广泛的应用[1]。这些应用中普遍使用的指向机构有万向转架[2-6]和万向转镜[7-8]两种。万向转架机构将激光器、探测器等装置安装在一个多轴万向架上,控制其回转运动可实现光束或视轴的空间转向。该类机构体积大、惯量大、动态性能差、反应时间慢,对振动敏感,不利于载体平台安装及载体姿态平衡[1,4-6]。万向转镜机构利用安装在激光器或探测器前方的扫描镜的快速摆动来实现光束或视轴指向调整[9]。该类机构通常占用空间大,光束偏转对机械误差敏感,一般只用于***光束的偏转[10]。与上述传统的光束转向机构相比,基于旋转双棱镜设计的光束或视轴调整装置性能更为优异。旋转双棱镜系统通过两棱镜的共轴独立旋转改变光的传播方向,可实现光束或视轴的指向调整[5]。该系统结构紧凑,指向精度高,光损耗小,整体造价小,无时间色散效应,可控制大口径光束实现大角度偏转,机械传动误差对指向精度的影响也很小[10]。在自由空间激光通信、激光雷达、光纤光开关、激光指示器等领域中,旋转双棱镜可用于激光光束的转向及指向稳定调整。在空间观测、侦察监视、红外对抗、搜索营救、显微观察、干涉测量、机器视觉等领域中,旋转双棱镜可用于改变成像视轴,扩大搜索范围或成像视场。目前,旋转双棱镜已在光束扫描、远距离目标瞄准与跟踪等方面展现出广泛的应用前景[11-14]。本文分析了旋转双棱镜光束指向控制系统的光束指向机制,介绍了系统及其相关技术的研究进展和应用,总结了其面临的难题和发展趋势。,两棱镜的顶角和材料相同,能绕共同轴独立旋转,其光束偏转方式如图1所示。光束平行系统转轴入射,两棱镜Π1、Π2通过折射改变光束传播方向,然后通过改变两棱镜的转角θ1、θ2使出射光束在一定偏转角范围内实现任意指向调整[12,15-16]。旋转双棱镜光束转向机制的研究主要归纳为2个问题[17-18]:(1)由棱镜的转角θ1、θ2得出出射光束的偏转角Φ和方位角Θ(正向问题);(2)由出射光束的偏转角Φ和方位角Θ得出各棱镜的转角(反向问题)。正向问题的分析是旋转双棱镜光束指向应用的前提和基础。通过该问题的解算可以探讨旋转双棱镜光束扫描机制。反向问题是光学跟踪和目标指向应用中必须解决的关键问题,其解算可认为是正向问题的逆过程。[19]。该算法将棱镜看作为顶角较小的光楔,其对光束的偏转角大小只取决于棱镜楔角和折射率,出射光束指向棱镜主截面厚端,与棱镜方位及入射光束方向无关。其推算过程如图2所示,光束射入系统(O点)后,从棱镜Π1出射,随着棱镜的旋转,偏转矢量δ1末端将沿以δ1的大小为半径的圆周运动。光束入射棱镜Π2后,偏转矢量δ2末端将沿以δ2的大小为半径的圆周运动。系统总偏转矢量Φ可看作δ1和δ2的矢量和。该方法通过薄透镜近似形成简化模型,描述了系统光束偏转的主要规律,避免了繁琐的光路计算,适合光束偏转与扫描规律的理解及结果预测,已被许多研究者用于探讨双光楔(Risley棱镜)系统的光束扫描[9,16,20-22]。,得到了正向问题的一级近似解算式[23]。该方法的优势表现在,通过矩阵算式的扩展可对任意数目棱镜组成的棱镜组解算正向问题。Li对正向解算式进行了级数展开,舍弃高次项得到了正向问题的三级近似解,其解算精度得到大幅提升[24]。以上正向问题解算方法对光束的偏转作了一级近轴近似或三级近似,可用来分析双棱镜的小角度光束指向。大角度光束偏转正向问题的准确解可利用商业光学设计软件(如Zemax)分析获得,但其应用迭代的方法得出数值解,无法得出光束指向的解析解[25]。采用非近轴矢量光线追迹方法可推算正向问题的准确解析解[26-27]。即基于矢量折射理论,应用矢量形式的斯涅尔定律,沿着系统中光线的传输光路依次追迹得出准确解。,需要根据目标空间指向位置逆向确定棱镜的转角,其解算需以正向问题的分析为基础。理论上该反向问题可以依据正向解算过程重复逆向推算得以解决,但在实际推算中,棱镜界面上的矢量折射逆运算存在较大困难[28]。Boisset等人基于一级近轴近似理论提出了一种迭代方法解算反向问题,即采用闭环控制,根据测量信息寻找棱镜方位[19]。该方法依赖探测器测量数据,在许多实际应用中难以实现。Degnan利用近轴光线矩阵分析了双棱镜系统中的光线传输,提出了一种无需迭代算法的反向问题解算方法[29],该方法基于一级近似,用于大角度光束偏转的反向解算仍存在较大偏差。Yang于2008年首次给出了反向问题的准确解析解[18]。即利用非近轴矢量光线追迹方法由棱镜的转角推算出射光束指向的准确解析表达式。将其对棱镜转角求导,构造Jocobian矩阵解析公式。基于Jocobian矩阵公式应用多种非线性系统数值算法找出实现光束目标指向的棱镜转角值。该方法运算复杂,实际应用中可编制计算程序实现反向问题的实时解算。Li于2011年应用二步法推算了双棱镜光束指向系统的准确反向解[17]。即首先基于非近轴矢量光线追迹方法得出准确正向解,然后通过两个步骤推算反向解。第一步是保持一个棱镜不动,旋转另一个棱镜,使出射光束的偏转角达到目标值。第二步是在保持两棱镜的方位夹角不变的条件下同时旋转两个棱镜,使出射光束的方位角达到目标值。该方法大幅度地减小了运算复杂度,可准确地得出反向解析解。3理论与技术基础研究进展旋转双棱镜光束指向控制技术是Risley棱镜扫描技术的延伸。最初的Risley棱镜由一对光楔组成,只能实现光束的小角度偏转[30-31]。随着棱镜加工工艺的进步,旋转双棱镜逐渐能满足光束大角度指向与扫描的光学性能要求;而精密机械和控制技术的发展又使旋转双棱镜指向系统的光束偏转分辨率和精确度得到提升[12]。因此,利用旋转双棱镜系统实现光束的大角度精密转向已成热点研究主题。目前对其基础问题的研究集中在光束转向机制、光束扫描模式、棱镜回转控制、棱镜引起的光束变形、成像色差、成像畸变等方面。,需要探究光束的扫描模式,揭示光束扫描图案与棱镜结构、回转动态特性之间的内在联系,为系统结构及回转控制方案的设计提供依据。Marshall利用一级近轴近似方法系统研究了旋转双棱镜的扫描模式,分析了不同棱镜顶角、旋转角速度、初始角位置下的光束扫描图案[16]。通过合理设置两棱镜的顶角及旋转角速度的比值,可得到适合形状的扫描图案以满足具体的扫描应用需求。Jeon通过构造旋转矩阵,探讨了任意数目棱镜组成的棱镜组的扫描路径[23]。该方法仍然基于一级近似方程,将导致一定的扫描误差。Li应用非近轴光线追迹方法推导了光束扫描的精确路径并对光束指向表达式做级数展开得出了扫描路径的一级和三级近似分析方法[17,24]。研究结果表明:虽然近似方法和精确方法得出的光束指向角度差异较小,但用于远距离目标扫描和跟踪时,近似方法导致的光束指向位置误差仍然不可忽视。基于Li提出的方法,Horng分析了旋转双棱镜扫描系统中各种不同类型的误差源及其对扫描性能的影响[32]。结果表明:系统加工和棱镜回转控制的细微误差将引起光束扫描模式的明显变化。机械回转轴与系统光轴之间的未对准将严重影响光束指向和扫描精度。光束扫描模式的研究重点在于光束的扫描路径、扫描覆盖度、扫描速度及扫描精度。扫描路径和扫描覆盖度需要根据具体应用需求设计;扫描速度需结合系统机械动态特性、控制性能及应用需求协同研究;扫描精度除与光束指向分析方法有关外,还取决于系统的加工及安装精度,特别是系统的共轴安装精度。。即由光束的目标指向解算两棱镜的目标旋转方位,设计并优化控制算法控制电机旋转,使两棱镜旋转到目标方位,在尽可能短的时间内实现光束的精确指向调整。Boisset等人针对自由空间光互连的应用需求设计反馈闭环控制双棱镜的旋转,实现了光斑与探测器中心的自动对准[19]。该方法存在2点不足:(1)棱镜旋转控制基于探测器的测量信息,而一些应用中,因光学接收器的探测器视场较小,无法获得最初的测量信息,导致该方法失效。(2)由未对准误差推算棱镜转角时用的是近似方法,准确性受到限制。中科院上海光机所的孙建峰等人利用查表法获得棱镜的目标旋转角并与编码器测出的旋转角比较,将其误差信号输入比例-积分-微分(PID)控制器,控制电机旋转靠近目标值。采用遗传算法优化控制参数后的仿真结果表明该控制系统具有良好的控制性能[33]。Torales利用Adaline神经网络算法实现PID控制,构建了高精度棱镜扫描系统[34]。Sánchez根据目标跟踪的应用需求,针对3个棱镜组成的光束指向系统,优化了PID控制算法以降低棱镜角速度要求[14]。中科院上海光机所刘伟等人针对旋转双棱镜结合快速反射镜构成的粗精光束指向机构,建立了控制环传递函数的数学模型[35]。,会使光束形状发生变化。Schwarze等人初步研究了该变形效果,提出光束压缩因子粗略反比于出射角的余弦[6]。Ostaszewski通过实验得出了不同偏转角下出射光束的剖面照片,探讨了光束压缩效应对远场光强分布的影响[21]。定性结果表明:光束的偏转角越大,光束剖面压缩效应越明显。中科院上海光机所的孙建峰等人基于矢量折射理论,采用光线追迹的方法分析了旋转双棱镜大角度光束扫描中光束形状的变形特征[36]。结果表明:光束变形取决于两棱镜的方位夹角,光束形状在一些方向上被压缩而在另一些方向上被拉伸,但压缩效应表现得更显著。早期旋转双光楔系统的光束偏转角较小,光束变形现象不明显。对于大角度偏转的旋转双棱镜系统,光束变形现象的影响不可忽略。对于衍射受限的光学系统,旋转双棱镜系统对光束的变形效应将导致相应方向上远场能量分布的改变。压缩效应将使远场能量分布区域变宽,远程接收面上的光束照度减小。对于激光通信应用,该效应将使接收端信号减弱,信噪比降低。,旋转双棱镜被用来改变成像视轴指向,棱镜引起的色差变得不可忽视[37]。对棱镜色差校正的研究集中在两个方面:(1)采用不同折射率和不同色散的光学材料构建组合棱镜实现色差校正;(2)采用衍射光学元件实现消色差。组合棱镜方法是色差校正的传统方法,目前已有多家单位利用该方法对大角度旋转双棱镜光束指向系统的宽波段色差校正展开研究。加拿大国防技术研究与发展中心(DefenseR&D,Canada)根据其研制的红外眼成像系统应用需求,应用一级近似方法设计了硅-锗组合棱镜用于中波红外波段(3~5μm)的色差校正。针对远红外波段(8~),应用光学设计软件设计的锗-[38-39]。美国戴顿大学与肯特州立大学合作,针对红外对抗应用探讨了适合色差校正的红外材料特性,并列出了可供选择的红外材料种类。针对中波红外波段(2~5μm)组合不同材料构建组合棱镜并应用一级近似光线追迹方法得出了最优化的双棱镜消色差系统[40-42]。其优化的***化锂/硫化锌组合棱镜在0~45°。相同的方法用于优化3个棱镜组成的消色差旋转棱镜组,得到的AMTIR-1/。Florea等人针对2~12μm的红外宽波段,采用硫系玻璃结合适合材料构建了色散低、热学性能好的消色差棱镜[43]。由于衍射光栅具有负色散特性,在旋转双棱镜系统中加入光栅结构构造折射-衍射杂合棱镜可在一定波段内实现色差校正。Weber等人在硒化锌棱镜表面蚀刻衍射光栅,针对中波红外波段(3~5μm)制备了衍射校正的双棱镜扫描成像系统。该系统能在45°的视场范围内有效校正色差,系统成像分辨率得到显著提高[44]。Chen利用衍射-折射光学元件组合体(称为Grism)构建了消色差双棱镜系统,有效减小了系统成像的残余色差。该系统的最大光束偏转角为45°,系统成像残余色差在100μrad以下[4]。利用衍射光学元件校正棱镜色差在一些专利中也有提及[45-46]。。对于小角度偏转的双棱镜光束偏转系统,图像畸变较小,其影响可以忽略。当光束偏转角增大,成像畸变变得明显。最终的成像畸变大小和畸变特征与棱镜的旋转方位有关,必须针对旋转双棱镜系统的结构特点对其深入探讨并采用合适方法予以校正。Lavigne等人基于三维折射模型分析了旋转双棱镜带来的成像畸变,得出其畸变特征并采用单应变换的方法对其进行了校正。红外和可见光实验结果证实了这种方法的有效性和可行性[20]。4产品开发与应用自Rosell于1960年首次提出利用两块棱镜实现光束扫描以来[47],旋转双棱镜逐渐被作为指向装置应用在不同领域,面向不同应用需求的产品也逐渐问世。根据操作对象的不同,这些应用可以归纳为2个方面:(1)用于改变激光光束指向,控制波前偏移;(2)用于改变成像视轴指向,移动成像视场。根据目的的不同,旋转双棱镜的应用也分为2个方面:(1)用作光束或成像视轴扫描器,(2)用于远距离目标指向、瞄准与跟踪。旋转双棱镜扫描器的目的是将激光光束或成像视轴按一定的扫描路径投射到系列不同空间指向点,在一定范围内实现扫描覆盖。旋转双棱镜的目标指向跟踪应用是根据目标位置实时调整棱镜方位,达到高精度动态目标瞄准与跟踪的目的。-prisms--prisms-basedbeamsteeringdevices美国已有多家研究机构针对旋转双棱镜大角度光束指向展开了研究,开发了系列光束指向控制装置。图3和表1分别列出了目前有报道的几种典型装置的外形图和主要性能参数,包括工作波长、光束口径、视场宽度、指向精度、全场反应时间、反应带宽、系统直径、长度及质量。1、2、3号装置为美国OPTRA公司分别针对红外对抗、机载激光通信及光学避障的应用需求开发的旋转双棱镜红外光束指向控制系统,已形成商业产品投放市场[6,9,11]。1号装置结构紧凑,适宜用在空间受限载体平台上实现光束的大角度精确指向。2号装置可控制大口径光束,其瞄准重复精度达到30μrad。3号装置可实现光束连续和步进扫描,扫描速度可达6000r/min,分辨率达到25μrad。4号装置为美国鲍尔航空技术公司(BallAerospace&TechnologiesCorp.)所研制,可实现大口径光束的大角度转向[14,21]。该系统由3块旋转棱镜组成,具有

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