大惯量扫描镜的滑模自抗扰控制

针对大惯量扫描镜伺服系统中因柔性连接所导致的机械谐振问题,本文提出一种非线性滑模自抗扰控制方法对机械谐振加以抑制.首先建立了伺服系统谐振数学模型,并分析了自抗扰控制抑制谐振的原理;然后建立了速度环滑模自抗扰控制器,并在计算机仿真软件中针对连续-离散混合模型进行仿真;最后在大惯量扫描镜机构上进行控制实验.仿真结果表明,采用滑模自抗扰控制后,机械谐振得到了抑制,系统的动态性能得到了提高,系统更接近于刚性连接系统.实验结果表明,扫描镜摆动过程中匀速段及反向加速段的机械谐振得到了有效抑制,位置跟踪精度得到了有效提高,达到了设计要求(<1′′).

基于模型预估方法补偿扫描镜运动对成像影响分析

文中基于模型预估补偿方法,对扫描镜运动对成像的影响进行了分析。首先,对静止轨道气象卫星的姿态动力学环境进行了分析,确定出了扫描镜运动补偿的对象。其次,设计了基于模型预估的扫描镜运动补偿系统的方案、模型和算法。仿真结果表明,基于预估模型补偿方法能够减小扫描镜运动对扫描镜光轴指向的影响,提高扫描镜的成像质量。

两轴扫描镜数学模型的建立与简化

在分析扫描镜机械装置动能的基础上，利用力学拉格朗日方程推导出更为准确的运动方程．这是一个具有复杂非线性和强耦合的装置．确定了由该机械装置组成的闭环系统的稳定性．对机械装置非线性运动方程进行了线性化与简化处理．所给出的数学模型可作为设计扫描镜控制器的基础．

成像光谱仪运动补偿扫描镜的研制

基于光、机、电一体化的设计思想,研制了一套高精度扫描镜机构,用于提高空间相机对某些特定暗目标的观测能力。首先,根据相机总体下达的性能指标,讨论了可行的驱动方案,确定了以步进电机为核心的系统控制方法。然后,介绍了驱动单元、精密轴系和扫描镜支撑结构3项关键技术。最后,给出了扫描镜机构的工程分析结果并进行了相关例行试验。试验结果表明:设计的扫描镜机构定位误差优于40″,在工作速度范围内相对速度精度优于7%(均方根值),主轴径向跳动误差为2μm,满足了空间相机对扫描镜机构在稳定性、位置和速度精度、体积、重量等方面的要求。

扫描镜动态面形变化和模态分析

为了分析某热像仪帧扫描镜在工作状态下的面形变化和产生2000 H z共振的原因,并提供改进设计依据,根据帧扫描镜运动曲线计算了帧扫描镜的扫描角速度和角加速度,用有限元分析软件I-DEA S计算了扫描镜在扫描、加速、减速过程中面型的变化和前10阶固有模态,分析了扫描镜在试验中产生2000 H z共振的原因,并对扫描镜结构进行了改进,重新计算了面型变化和前10阶模态,试验证明消除了共振现象。最后提出了扫描镜设计时应注意动态下的面型变化是否满足要求,以及固有模态要避开驱动力矩中的干扰频率等要点。

基于微扫描镜的激光投影(英文)

利用微机械加工技术制造出一种新型微扫描镜,结合半导体激光器,可用于投影显示.激光器发出的光束被两个分别沿着X轴、Y轴扭转的镜面相继反射,扫描出二维图形.实验测得扫描镜在15V电压,频率为扫描镜谐振频率2倍的方波信号驱动下,镜子的光学扫描角度达±12°.由于每个镜子都沿各自轴以简谐规律扭转,扫描所得投影为李萨如图形.通过分析图形的形成原理并用Matlab仿真,选出了适用用于任意图案显示的扫描镜谐振频率组合(X轴2 400Hz,Y轴2 425Hz).该组合可以形成194×192个像素点,刷新频率为25Hz.在此基础上提出了一种通过调制激光开关来进行投影显示的方法.

扫描镜稳定度对TDI CCD测量精度的影响

利用TDI CCD成像数值仿真模型,研究了TDI CCD测量系统的测角精度随扫描镜速度稳定度的变化规律。首先根据TDI CCD推扫成像的物理过程,建立了数值仿真模型,设计了从光学像和扫描镜稳定度到数字图像的仿真链路;然后利用图像重心计算方法求取图像中心坐标并得到目标点的角位置坐标;通过蒙特卡诺法进行海量打靶试验,对结果进行统计得到扫描镜各稳定度水平上的测量精度值;最后将某工程样机的扫描镜速度稳定度带入仿真模型,仿真结果表明:测试误差增大5.67μrad,达到了像元角分辨率的1/4。在光学测量系统的系统设计时,需要考虑像元分辨率及扫描镜稳定度的综合影响,选用合适的扫描镜稳定度要求,使测量角分辨率满足用户需求。

45°二维扫描镜扫描轴系特性分析

对工作于三轴稳定平台的45°扫描镜绕不同轴系摆动时的摆动范围及扫描轨迹进行了分析比较,给出了扫描镜选用不同轴系时的扫描摆动角度的计算方法,在工程应用中具有重要实用意义。

MEMS二维静电驱动扫描镜设计和分析

给出了一种静电驱动二维微扫描镜的设计和制造方案,所设计的扫描镜具有绕X轴和Y轴转动的两个自由度,并具有体积小、功耗低、频率高等优点。推导了镜面旋转角表达式并分析了吸合效应。利用POL YMUMPS工艺完成了对扫描镜的加工,并着重分析了关键工艺步骤。结合有限元分析软件,对微扫描镜的频率特性以及静态旋转特性进行了分析和研究。分析结果表明,在120V和160V的电压下,扫描镜可分别产生沿X轴方向的±5.0°和沿Y轴方向±4.4°的偏转角。优化后的扫描镜能够工作在单频率状态下,具有较高的响应速度。

航空相机扫描镜系统的线性近似模型辨识

为深入认识摩擦对航空相机扫描镜系统频率响应特性的影响,获得更准确描述该系统真实动态的模型,使用随机相位多正弦信号测量了扫描镜系统的频率响应特性并进行了线性近似参数模型辨识。首先,介绍扫描镜系统辨识的实验平台与激励信号选择。然后,使用奇-奇频率随机相位多正弦信号分别测量扫描镜系统在非激励频率处和激励频率处的输出对输入信号幅值的依赖,从而定量评估摩擦非线性的影响。最后,基于信号采样均值及噪声采样方差、协方差估计辨识了扫描镜系统线性近似参数模型。实验结果表明,扫描镜系统的摩擦非线性主要出现在奇频率处,高于噪声10dB;系统的频率响应特性依输入信号幅值不同而各异,在低于20rad/s频率区该差别尤为显著。由于摩擦非线性影响,扫描镜系统需要使用3阶模型描述;与正弦扫描方法相比,基于多正弦信号激励获得的参数模型可更好地描述扫描镜系统真实动态特性。得到的结果为控制器的设计奠定了基础。

扫描镜运动对三轴稳定卫星姿态影响研究

推导了带扫描镜运动的星体姿态动力学方程 ,以此方程对扫描过程进行了仿真计算 ,分析了扫描镜做扫描运动时星体姿态运动的一般规律及星体与扫描镜之间惯量比对星体姿态的影响。结果表明 ,扫描镜的步进运动将引起星体滚动姿态的单调变化 ,而周期性的扫描运动将引起星体偏航和俯仰姿态的周期性运动。改变扫描镜绕步进轴的转动惯量主要影响星体滚动姿态 ,而改变扫描镜绕扫描轴的转动惯量 ,主要对星体俯仰。

机载LIDAR激光束与扫描镜对准误差影响分析

激光束与扫描镜对准误差是影响机载LIDAR定位精度的因素之一。以摆动扫描方式机载LIDAR系统为例,将激光束与扫描镜对准误差分解为水平和垂直对准误差,从机载LIDAR定位原理出发,定性和定量分析了两误差分量对LIDAR定位精度的影响。研究分析表明,激光束与扫描镜对准误差对摆动扫描LIDAR定位精度的影响随高度和扫描角的增加而增大,其中水平对准误差对X坐标产生的影响导致扫描线在航线方向产生抛物线型变形偏移;垂直对准误差对Y坐标的影响导致扫描线整体向左或者向右偏移,对Z坐标产生的影响与偏心角中侧滚角误差对高程产生的影响相似,两者影响在常规标定方法中难于区分,应在仪器出厂时通过严格检校消除或削弱激光束与扫描镜的对准误差。

星载辐射计扫描镜太阳辐射热-结构建模与仿真

三轴稳定卫星平台搭载的光学有效载荷都存在午夜太阳辐射干扰问题,由此产生的热变形效应对光学系统的成像品质影响显著。采用复杂外热流近似建模技术,以及多软件耦合有限元仿真方法,以FY-4卫星的扫描辐射计为应用背景,研究了昼夜太阳辐射对星载辐射计扫描镜产生的热效应,并对不同热设计条件下的工况进行了对比分析。分析结果显示:扫描镜侧面及背面的热控涂层选取对其热变形有重要影响,但是仅仅通过热设计解决温度波动和热变形的矛盾是不够的,需要通过改进扫描镜的材料和优化光机结构加以改善。

地球同步轨道三轴稳定卫星的扫描镜设计及考虑

两维扫描镜是同步轨道对地观测卫星的关键技术和核心技术之一。扫描镜材料、轻量化方案、扫描镜的支持方案以及扫描镜的热设计是保证整个系统的像质要求的关键因素。以风云四号扫描镜的设计为例 。

新型大尺寸电磁驱动MEMS光学扫描镜的研制

设计并制作了一种结构新颖的镜面尺寸为6mm×4mm的电磁驱动MEMS光学扫描镜.这种背面为微型铜驱动线圈的MEMS硅基扭转镜面沉浸在由包含永磁体的磁回路产生的磁场中,当电流信号通过驱动线圈时,MEMS光学扫描镜绕着扭转梁发生了大角度的扫描运动.采用MEMS体硅加工工艺和电镀技术制作的器件显示出了优良的性能,实验获得的扫描镜静态转角斜率为0.03°/mA,当器件进行动态扫描时,在381Hz的谐振频率下获得了最大±10.2°的光学扭转角度,空气中的Q因子为221,相应的功耗为13μW,与此同时MEMS光学扫描镜具备了出色的镜面粗糙度、光学反射率和镜面平整度.实验证明该器件完全适合于微型光谱仪和可调光滤波器的应用.

MEMS扫描镜温度可靠性测试

温度是MEMS扫描镜的一个重要失效因素。研究温度对MEMS扫描镜振幅的影响,再通过温度冲击试验和高低温存储试验测试温度对MEMS扫描镜可靠性的影响,分析扫描镜在试验中是否失效和失效的原因。试验结果表明:高温对MEMS扫描镜外框架和镜面振幅无影响,低温对MEMS扫描镜外框架振幅影响较大,增幅达12.3%,对镜面振幅无影响;低温存储由于水汽凝结会导致MEMS扫描镜失效,高温存储对MEMS扫描镜可靠性无影响。

梳齿分布结构对静电驱动二维微扫描镜机械转角的影响

为增大静电驱动二维微扫描镜的机械转角,基于非线性动力学理论研究了不同梳齿结构对其振幅的影响,理论上得到发散型梳齿分布相较于平行型梳齿分布具有更大的机械转角。此外,采用绝缘体上硅(SOI)加工工艺设计并制作了这两种结构的微扫描镜,并对其相关特性进行了测试。测试结果表明:在相同的驱动电压下,发散型结构始终都比平行型结构具有更大的机械转角,与仿真结果基本一致;当加载驱动电压为42 V的方波信号时,发散型结构扫描镜的可动框架和镜面的最大机械转角可以达到12.3°、13.49°,而平行型结构扫描镜的可动框架和镜面的最大机械转角则为10.25°、11.68°。

激光扫描镜的应用研究

就激光扫描技术中关键部件———扫描镜进行了应用研究，并对其在宽片磁带表面缺陷的检测系统中所采用的旋转多面体扫描镜进行了理论分析，推导出多面体扫描镜的设计公式及参数选择。

航天器两自由度扫描镜图像运动补偿技术研究

研究航天器的两自由度扫描镜图像运动补偿问题。在姿态估计信息的基础上,给出了一种运动补偿算法。算法中不仅补偿了姿态估计信息,还同时考虑了姿态信息中的长周期系统误差。利用扫描镜在特定工作模式下相对惯性空间的准确定向能力和系统误差的长周期特性,给出了一种系统误差的估计和补偿算法,每隔一定的时间段对系统误差估计值进行更新并加以补偿,进一步提高了扫描精度。基于一颗地球静止轨道卫星的数值仿真结果验证了补偿算法的有效性。

同步轨道三轴稳定气象卫星扫描镜的温度变化规律

对同步轨道气象卫星扫描镜进行热分析以获取其温度变化规律.对扫描镜建立三维热分析模型,采用有限元分析软件I-DEAS/TMG对扫描镜进行在轨温度计算.计算结果表明,扫描镜每日循环温度在当地午夜时段及在太阳倾角为-8.8°时达到最高.采取热控措施后,扫描镜工作温度能明显降低.在每天的当地午夜时段,椭圆形扫描镜面的温度梯度发生剧烈变化,且长轴方向温度梯度明显大于短轴方向的数值.