本發(fā)明屬于光束控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)涉及一種基于fpga的光束指向控制系統(tǒng)及其構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

慣性約束聚變(icf)大型激光裝置需要將上百束高能脈沖激光精確引導(dǎo)并聚焦到靶點(diǎn)。這種激光裝置通常采用與主光路激光嚴(yán)格同軸的連續(xù)模擬激光進(jìn)行光路準(zhǔn)直、引導(dǎo)及聚焦調(diào)整，并利用光路中的電動(dòng)光學(xué)器件以及遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)激光指向的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)多路強(qiáng)激光的高度聚焦，使其在很小的區(qū)域內(nèi)形成極高光功率密度的光場(chǎng)。這種實(shí)現(xiàn)精確打靶的控制技術(shù)是世界各大高功率激光靶場(chǎng)光學(xué)工程的研究前沿。目前已有的光束指向控制系統(tǒng)大多采用科學(xué)ccd進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)光斑信息采集，通過(guò)復(fù)雜的算法精確算出光束指向信息，最后由工控機(jī)計(jì)算出電動(dòng)光學(xué)器件的控制量，如圖1所示。

現(xiàn)有系統(tǒng)主要存在兩方面問(wèn)題，一方面，科學(xué)ccd不僅價(jià)格昂貴而且光束指向信息的計(jì)算方法比較復(fù)雜，很難滿足普遍性和實(shí)時(shí)性，另一方面，由于科學(xué)ccd的接收功率有限，需要增加衰減片降低激光輸入的能量，這樣有可能會(huì)引起能量衰減過(guò)度，對(duì)能量質(zhì)心的判斷造成干擾，而且衰減片上的灰塵會(huì)引起衍射現(xiàn)象，從而影響質(zhì)心的計(jì)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出了一種基于fpga的光束指向控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)h(yuǎn)場(chǎng)光束的質(zhì)心漂移進(jìn)行快速校準(zhǔn)控制，且成本低穩(wěn)定性高。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于fpga的光束指向控制系統(tǒng)，包括依次位于光束出射光路上的快速傾斜鏡fsm1、快速傾斜鏡fsm2、聚透鏡、光束分束器及靶面，該系統(tǒng)還包括四象限探測(cè)器qd、核心處理模塊、擾動(dòng)模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊，上述三個(gè)模塊基于fpga實(shí)現(xiàn)；

當(dāng)系統(tǒng)處于測(cè)試階段：

所述擾動(dòng)模塊，根據(jù)光束質(zhì)心位于靶面中心時(shí)傾斜鏡角度偏移量生成模擬不同已知噪聲的擾動(dòng)信號(hào)；

所述運(yùn)動(dòng)控制模塊，根據(jù)所述擾動(dòng)信號(hào)或調(diào)節(jié)量控制傾斜鏡fsm2的角度偏移量變化；

所述四象限探測(cè)器，用于采集經(jīng)光束分束器后分光光束的光斑，并將采集的光斑數(shù)據(jù)傳輸給核心處理模塊；

所述核心處理模塊，利用光斑能量分布計(jì)算出的光束角度實(shí)際偏移量、擾動(dòng)信號(hào)所造成的干擾偏移量，利用pid調(diào)節(jié)關(guān)系生成使光束達(dá)到理想偏移角的傾斜鏡fsm2調(diào)節(jié)量，并優(yōu)化pid調(diào)節(jié)關(guān)系；

當(dāng)系統(tǒng)處于工作階段：

所述四象限探測(cè)器用于采集經(jīng)光束分束器后分光光束的光斑，并將采集的光斑數(shù)據(jù)傳輸給核心處理模塊；

所述核心處理模塊，根據(jù)所述光斑質(zhì)心變化判斷未知噪聲的類型，選擇對(duì)應(yīng)的pid調(diào)節(jié)關(guān)系，然后根據(jù)光斑能量分布計(jì)算出的光束角度實(shí)際偏移量，計(jì)算傾斜鏡fsm2的調(diào)節(jié)量；

所述運(yùn)動(dòng)控制模塊，根據(jù)傾斜鏡fsm2的調(diào)節(jié)量控制傾斜鏡fsm2的角度偏移量變化，使靶面上的光斑質(zhì)心位于設(shè)定位置。

進(jìn)一步地，當(dāng)模擬高斯噪聲時(shí)，所述擾動(dòng)信號(hào)為：概率密度函數(shù)其中θ1表示初始傾斜鏡fsm1的角度偏移量，μ表示設(shè)定的角度偏移量θ1的期望，σ表示設(shè)定的角度偏移量θ1的標(biāo)準(zhǔn)差；當(dāng)模擬線性噪聲時(shí)，所述擾動(dòng)信號(hào)為線性變化規(guī)律y(θ)＝aθ1，其中θ1表示初始傾斜鏡fsm1的角度偏移量，a為設(shè)定的θ1的線性漂移量的系數(shù)。

進(jìn)一步地，在測(cè)試階段，核心處理模塊具體工作過(guò)程為：

首先，將預(yù)設(shè)的光束理想偏移角干擾偏移角及光束角度實(shí)際偏移角作為核心處理模塊中pid調(diào)節(jié)器的輸入，pid調(diào)節(jié)器根據(jù)光束角度偏差值輸出傾斜鏡fsm2的調(diào)節(jié)量，其中所述pid調(diào)節(jié)器中設(shè)有傾斜鏡fsm2傾斜角與光束角度偏差值之間的pid調(diào)節(jié)關(guān)系；

其次，將傾斜鏡fsm2的調(diào)節(jié)量和qd再次檢測(cè)到的光束實(shí)際偏移角作為核心處理模塊中估計(jì)器的輸入，估計(jì)器估計(jì)出傾斜鏡fsm2的傾斜角與光束角度偏差值的關(guān)系，更新pid調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)關(guān)系；

通過(guò)不斷更新迭代pid調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)關(guān)系，使得運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)調(diào)節(jié)量控制傾斜鏡fsm2的角度偏移量變化，光束指向最終達(dá)到理想偏移角。

進(jìn)一步地，在工作階段，核心處理模塊進(jìn)一步通過(guò)qd采集的光斑信息判斷光斑的質(zhì)心是否在設(shè)定位置，如果沒(méi)有，通過(guò)不斷對(duì)fsm2的角度偏移量進(jìn)行微調(diào)，直到光束質(zhì)心回到設(shè)定位置，同時(shí)優(yōu)化pid調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)關(guān)系。

一種光束指向控制系統(tǒng)的構(gòu)建方法，具體過(guò)程為：

步驟一，沿激光光束出射光路依次設(shè)置傾斜鏡fsm1、傾斜鏡fsm2、聚透鏡、光束分束器及靶面，在光束分束器分出部分光束的光路上設(shè)置四象限探測(cè)器，在fpga上設(shè)置核心處理模塊、擾動(dòng)模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊；

步驟二，核心處理模塊根據(jù)入射至四象限探測(cè)器上光斑的能量分布，通過(guò)質(zhì)心位置計(jì)算得到光束入射至靶面的初始位置(x0，y0)；

步驟三，運(yùn)動(dòng)控制模塊調(diào)節(jié)傾斜鏡fsm1和傾斜鏡fsm2，使得光束質(zhì)心落在靶面的中心點(diǎn)(0，0)，并記錄此時(shí)傾斜鏡fsm1和傾斜鏡fsm2的角度偏移量θ1和θ2；

步驟四，擾動(dòng)模塊根據(jù)傾斜鏡fsm1的角度偏移量θ1，生成模擬不同已知噪聲的擾動(dòng)信號(hào)；

步驟五，運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)控制傾斜鏡fsm1傾斜角變化；核心處理模塊中的pid調(diào)節(jié)器根據(jù)光束理想偏移角已知噪聲所造成的干擾偏移角和由qd實(shí)際檢測(cè)到的光束實(shí)際偏移角根據(jù)pid控制關(guān)系計(jì)算用于控制傾斜鏡fsm2的調(diào)節(jié)量；

步驟六，運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)調(diào)節(jié)量控制fsm2角度偏移量變化；核心處理模塊中的估計(jì)器根據(jù)所述調(diào)節(jié)量和由qd再次檢測(cè)到的光束實(shí)際偏移角估計(jì)出pid調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)關(guān)系，更新pid調(diào)節(jié)器中的調(diào)節(jié)關(guān)系；

步驟七，重復(fù)步驟五-步驟六，直至根據(jù)pid調(diào)節(jié)器輸出的控制量控制傾斜鏡fsm2后，光束達(dá)到理想偏移角完成光束指向控制系統(tǒng)的構(gòu)建。

有益效果：

第一，本發(fā)明采用四象限探測(cè)器作為激光指向檢測(cè)模塊，具有成本低，穩(wěn)定性更高和計(jì)算方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

第二，本發(fā)明提出光束指向控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)光束的質(zhì)心漂移的快速計(jì)算及校準(zhǔn)，并且將四象限探測(cè)器及三個(gè)模塊集成在基于fpga的控制系統(tǒng)中，減少了科學(xué)ccd、衰減片和工控機(jī)等模塊的使用，就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程光束的精確預(yù)測(cè)和控制。

附圖說(shuō)明

圖1為傳統(tǒng)的光束控制系統(tǒng)；

圖2為基于fpga的光束指向控制系統(tǒng)；

圖3為基于fpga的光束指向控制流程；

圖4為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

一種基于fpga的光束指向控制系統(tǒng)，如圖2所示，包括依次位于光束出射光路上的傾斜鏡fsm1、傾斜鏡fsm2、聚透鏡、光束分束器及靶面，該系統(tǒng)還包括四象限探測(cè)器、核心處理模塊、擾動(dòng)模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊，上述三個(gè)模塊基于fpga實(shí)現(xiàn)；核心處理模塊主要負(fù)責(zé)光束指向漂移的判定和控制信號(hào)的產(chǎn)生，擾動(dòng)模塊主要負(fù)責(zé)擾動(dòng)信號(hào)的模擬，運(yùn)動(dòng)控制模塊主要負(fù)責(zé)控制傾斜鏡fsm1和傾斜鏡fsm2傾斜角從而達(dá)到光束偏移的控制。待控制的激光束通過(guò)兩個(gè)快速傾斜鏡fsm(faststeeringmirror)fsm1和fsm2后到達(dá)聚透鏡，并通過(guò)光束分束器beamsplitter到達(dá)四象限探測(cè)器(four-quadrantdetector，qd)及目標(biāo)靶面，qd將采集到的光斑數(shù)據(jù)送入基于fpga的核心處理模塊后，核心處理模塊先根據(jù)光斑的能量分布通過(guò)質(zhì)心位置的計(jì)算將光束的位置偏移量，再計(jì)算出角度偏移量，采用一定的控制策略將對(duì)fsm1和fsm2輸入干擾信號(hào)和控制信號(hào)，最終獲得理想的光束指向。

當(dāng)系統(tǒng)處于測(cè)試階段，此時(shí)是利用已知模擬噪聲模型進(jìn)行，該過(guò)程的目的是為了獲取不同噪聲所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)的pid調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)關(guān)系：

擾動(dòng)模塊根據(jù)光束質(zhì)心位于靶面中心時(shí)傾斜鏡角度偏移量生成模擬不同已知噪聲的擾動(dòng)信號(hào)。當(dāng)模擬高斯噪聲時(shí)，所述擾動(dòng)信號(hào)為：概率密度函數(shù)其中θ1表示初始fsm1的角度偏移量，μ表示設(shè)定的角度偏移量θ1的期望，σ表示設(shè)定的角度偏移量θ1的標(biāo)準(zhǔn)差；當(dāng)模擬線性噪聲時(shí)，所述擾動(dòng)信號(hào)為線性變化規(guī)律y(θ)＝aθ1，其中θ1表示初始fsm1的角度偏移量，a為設(shè)定的θ1的線性漂移量的系數(shù)。

運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)所述擾動(dòng)信號(hào)或調(diào)節(jié)量控制傾斜鏡fsm2的角度偏移量變化。當(dāng)進(jìn)行高斯噪聲模擬時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制模塊控制傾斜鏡fsm1的角度偏移量θ1按照概率密度函數(shù)規(guī)律變化對(duì)光束產(chǎn)生高斯噪聲；當(dāng)進(jìn)行線性噪聲模擬時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制模塊控制傾斜鏡fsm1的角度偏移量θ1按照y(θ)＝aθ1的規(guī)律線性變化對(duì)光束產(chǎn)生線性噪聲。

四象限探測(cè)器用于采集經(jīng)光束分束器后分光光束的光斑，并將采集的光斑數(shù)據(jù)傳輸給核心處理模塊。

核心處理模塊利用所述光斑能量分布計(jì)算出光束的角度實(shí)際偏移量、擾動(dòng)信號(hào)所造成的干擾偏移量，根據(jù)pid調(diào)節(jié)關(guān)系生成使光束達(dá)到理想偏移角的傾斜鏡fsm2調(diào)節(jié)信號(hào)，并優(yōu)化pid調(diào)節(jié)關(guān)系。具體過(guò)程為：首先，核心處理模塊中預(yù)設(shè)有光束理想偏移角由已知擾動(dòng)信號(hào)計(jì)算干擾偏移角并且環(huán)境中還會(huì)存在其他未知干擾噪聲，需要同時(shí)計(jì)算光束實(shí)際偏移角將上述三種偏移角作為pid調(diào)節(jié)器的輸入，pid調(diào)節(jié)器根據(jù)光束角度偏差值輸出傾斜鏡fsm2的調(diào)節(jié)量控制光束指向，其中所述pid控制器中設(shè)有初始傾斜鏡fsm2傾斜角與光束角度偏差值之間的pid調(diào)節(jié)關(guān)系。其次，將傾斜鏡fsm2的調(diào)節(jié)量和qd再次檢測(cè)到的光束實(shí)際偏移角作為核心處理模塊中估計(jì)器的輸入，估計(jì)器估計(jì)出傾斜鏡fsm2的傾斜角與光束角度偏差值的關(guān)系，更新pid調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)關(guān)系；通過(guò)不斷更新迭代pid調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)關(guān)系，使得運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)調(diào)節(jié)量控制傾斜鏡fsm2的角度偏移量變化，光束指向最終達(dá)到理想偏移角。

當(dāng)系統(tǒng)處于工作階段，此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)構(gòu)建完成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未知噪聲的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)和控制：

四象限探測(cè)器用于采集經(jīng)光束分束器后分光光束的光斑，并將采集的光斑數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊。

核心處理模塊根據(jù)所述光斑質(zhì)心變化判斷未知噪聲的類型，選擇對(duì)應(yīng)的pid調(diào)節(jié)關(guān)系，利用所選pid調(diào)節(jié)關(guān)系根據(jù)光斑數(shù)據(jù)所計(jì)算的光束角度實(shí)際偏差量，計(jì)算傾斜鏡fsm2的調(diào)節(jié)量；所述運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)所述fsm2的調(diào)節(jié)量控制傾斜鏡fsm2的角度偏移量變化，使靶面上的光斑質(zhì)心位于設(shè)定位置(即理想位置)。

核心處理模塊能通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，根據(jù)實(shí)際測(cè)試的光束漂移的數(shù)據(jù)，將線性漂移、熱漂移和其他高斯噪聲組合成的混合高速噪聲信號(hào)快速識(shí)別出來(lái)，運(yùn)用在該控制系統(tǒng)下建立的控制方法，不僅對(duì)不同類型的噪聲進(jìn)行快速精確地校正，提高了光束指向控制的速度和精度，而且可以通過(guò)qd的反饋信號(hào)不斷地優(yōu)化pid調(diào)節(jié)關(guān)系，使得該控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境干擾下具有魯棒性。

本發(fā)明提供一種光束指向控制系統(tǒng)的構(gòu)建方法，如圖3所示，具體過(guò)程為：

(1)沿激光光束出射光路依次設(shè)置傾斜鏡fsm1、傾斜鏡fsm2、聚透鏡、光束分束器及靶面，在光束分束器分出部分光束的光路上設(shè)置四象限探測(cè)器，在fpga上設(shè)置核心處理模塊、擾動(dòng)模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊；

(2)在系統(tǒng)調(diào)試階段，待測(cè)激光打開(kāi)時(shí)，激光束通過(guò)兩個(gè)快速傾斜鏡(faststeeringmirror，fsm)fsm1和fsm2到達(dá)聚透鏡lens，其中聚透鏡lens是用于獲得光束的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑。

(3)光束經(jīng)過(guò)聚透鏡lens后，經(jīng)距離聚透鏡f1處的光束分束器beamsplitter分束后，大部分的光束到達(dá)靶面，其中靶面與聚透鏡之間的距離為f；僅有一小部分光束到達(dá)四象限探測(cè)器(four-quadrantdetector，qd)，所述qd用于采集入射至其表面光斑的能量分布，并將采集到的光斑能量分布數(shù)據(jù)送入基于fpga的核心處理模塊。

(4)核心處理模塊根據(jù)光斑的能量分布通過(guò)質(zhì)心位置的計(jì)算得到光束入射至靶面的初始位置(x0，y0)。

(5)根據(jù)所述初始位置(x0，y0)通過(guò)調(diào)節(jié)傾斜鏡fsm1和傾斜鏡fsm2，使得光束質(zhì)心落在靶面的中心點(diǎn)(0，0)，并記錄此時(shí)傾斜鏡fsm1和傾斜鏡fsm2的角度偏移量θ1和θ2。

(6)核心處理模塊通過(guò)控制傾斜鏡fsm1的偏移角θ1實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束的噪聲干擾：具體為：

高斯噪聲干擾：控制傾斜鏡fsm1的角度偏移量θ1按照概率密度函數(shù)規(guī)律變化對(duì)光束產(chǎn)生高斯噪聲，其中θ1表示fsm1的角度偏移量，μ表示角度偏移量θ1的期望，σ表示角度偏移量θ1的標(biāo)準(zhǔn)差。在這個(gè)干擾過(guò)程中，計(jì)算傾斜鏡fsm1的偏移角度每變化一次對(duì)應(yīng)的光束質(zhì)心位置(x,y)記錄下來(lái)，計(jì)算由高斯噪聲所造成的干擾偏移角其中f為聚透鏡lens中心點(diǎn)到靶面中心點(diǎn)的距離。

線性噪聲干擾：控制傾斜鏡fsm1的角度偏移量θ1按照y(θ)＝aθ1的規(guī)律線性變化對(duì)光束產(chǎn)生線性噪聲，其中a為θ1的線性漂移量的系數(shù)。在這個(gè)干擾過(guò)程中，計(jì)算傾斜鏡fsm1的偏移角度每變化一次對(duì)應(yīng)的光束質(zhì)心位置(x,y)記錄下來(lái)，并計(jì)算由線性噪聲所造成的干擾偏移角其中f為聚透鏡lens中心點(diǎn)到靶面中心點(diǎn)的距離。

(7)由步驟6產(chǎn)生的已知噪聲模型，控制系統(tǒng)將采用圖4所示的自適應(yīng)控制方法對(duì)光束指向進(jìn)行控制，首先將設(shè)定的光束理想偏移角步驟6噪聲所造成的干擾偏移角和由qd實(shí)際檢測(cè)到的光束實(shí)際偏移角為pid(比例-積分-微分)調(diào)節(jié)器的輸入，pid調(diào)節(jié)器根據(jù)光束角度偏差值輸出傾斜鏡fsm2的調(diào)節(jié)量控制光束指向，使光束達(dá)到理想偏移角所述pid調(diào)節(jié)器中設(shè)有傾斜鏡fsm2傾斜角與光束角度偏差之間的pid調(diào)節(jié)關(guān)系，運(yùn)動(dòng)控模塊根據(jù)所述調(diào)節(jié)量控制傾斜鏡fsm2的角度偏移量；其次將傾斜鏡fsm2的調(diào)節(jié)量和qd再次檢測(cè)到的光束實(shí)際偏移角作為核心處理模塊中估計(jì)器的輸入，通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)的方法可以估計(jì)出傾斜鏡fsm2的傾斜角與光束角度偏差值的關(guān)系，更新pid調(diào)節(jié)器的控制關(guān)系。通過(guò)不斷更新迭代pid調(diào)節(jié)器的控制關(guān)系，使得運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)調(diào)節(jié)量控制傾斜鏡fsm2的角度偏移量變化，光束指向最終達(dá)到理想偏移角。最終得到針對(duì)高斯噪聲、線性噪聲等干擾情況下的最優(yōu)的傾斜鏡fsm2的pid調(diào)節(jié)關(guān)系。

步驟(1)-步驟(7)完成了系統(tǒng)的構(gòu)建。

(8)系統(tǒng)在實(shí)際工作中，將傾斜鏡fsm1的角度偏移量固定為θ1，fsm2的角度偏移量初始設(shè)為θ2，由于外界噪聲的干擾會(huì)造成入射至靶面的光束的質(zhì)心發(fā)生變化，通過(guò)觀測(cè)靶面上光束質(zhì)心的變化和分布特點(diǎn)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，預(yù)測(cè)外界干擾噪聲的類型，判斷出是高斯噪聲還是線性噪聲等，根據(jù)噪聲類型選定對(duì)應(yīng)的pid調(diào)節(jié)關(guān)系，根據(jù)光束實(shí)際偏移角，利用選定的的pid調(diào)節(jié)關(guān)系計(jì)算傾斜角鏡fsm2的調(diào)節(jié)量，按照所計(jì)算的調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)斜角鏡fsm2，使光束質(zhì)心迅速回到理想位置。

(9)通過(guò)qd的反饋信號(hào)判斷質(zhì)心是否在理想位置，如果沒(méi)有，通過(guò)不斷對(duì)fsm2的角度偏移量進(jìn)行微調(diào)，直到光束質(zhì)心回到理想位置，同時(shí)優(yōu)化pid調(diào)節(jié)關(guān)系。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。