望遠鏡中振動抑制技術研究綜述

文章来源:光电所 发表时间:2020-08-20

  望遠鏡的發明及其性能的提升使得人們能夠逐步觀察到更遠、更暗的物體。但是風力矩、平台晃動、結構振動等外部幹擾力矩會引起望遠鏡的光軸振動,從而影響成像質量和其觀察微弱目標的能力。因此,爲了達到望遠鏡的衍射極限,必須抑制光軸振動對望遠鏡的成像影響。 

  在傳統的閉環反饋控制方法中,由于圖像傳感器本身具有采樣頻率低、曝光時間長的因素,給控制回路帶來了時間延遲,限制了閉環控制的帶寬,難于抑制寬頻以及大幅度的振動。由此,學者們相繼提出了許多新穎的振動抑制方法,如線性二次高斯(linear quadratic Gaussian, LQG)控制和擾動前饋(disturbance feed forward, DFF)控制。已有的實驗結果表明,這些方法確實提高了系統的閉環性能,但它們計算耗時長,更重要的是需要依賴于控制系統模型以及擾動模型的辨識精度。 

  爲了降低對精確模型的依賴以及提高算法的實時性,相關學者們提出了擾動觀測器控制方法。以光電所爲依托單位的中國科學院光束控制重點實驗室的研究人員重點開展了基于誤差的擾動觀測器的研究,在不增加控制帶寬的前提下僅僅利用圖像傳感器,通過引入不改變閉環極點的低通類型濾波器,減輕控制模型的依賴,增強閉環性能的魯棒性,從而提高對中、高頻擾動的抑制能力,減小了振動對光軸的影響。 

  研究團隊綜述了當前望遠鏡中關于振動抑制的控制技術:比例積分(proportional integral, PI)控制、線性二次高斯(LQG)控制、擾動前饋(DFF)控制和基于傾斜鏡的擾動觀測器(disturbance observer, DOB)控制的研究现状,对它们进行了系统、全面的比较,并通过控制系统的灵敏度函数分析了它们各自的优缺点。现有的控制方法依赖于精确的系统模型以及准确的扰动信号。研究團隊提出的基于誤差的扰动观测器(error-based disturbance observer)方法可以通過設計合理的Q濾波器來降低對精確的系統模型的依賴,並且不增加額外的傳感器。該綜述重點介紹了此種控制器的原理、設計方法,並在此基礎上針對複雜的擾動設計了不同類型濾波器。綜合實驗結果可以知道,基于誤差的觀測器控制方法不僅可以極大程度地衰減幹擾頻率處的擾動,而且在非幹擾頻率處也不會有較大的放大作用(waterbed effect)。 

  論文鏈接:http://www.oejournal.org/J/OEA/Article/Details/A191018000018 

  1 基于誤差的DOBC傾斜鏡結構 

  2 誤差抑制頻率響應 

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