光束抖动主动控制技术研究进展

(1.西北工业大学 航空学院，陕西 西安 710072; 2.中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳 621900)

基于运动载体的激光发射系统在对目标进行有效跟踪瞄准时，由于载体的随机振动和环境扰动，无法保持光轴稳定，导致跟踪精度、跟瞄稳定性、跟踪能力、光束质量都大为下降，降低了系统的综合性能[1-2]。机载的激光空间通信和激光功率远程输运光学系统，要求将激光功率通过长距离传输后仍能集中于目标上。因此，如何稳定光束使其不受随机振动和环境干扰影响成为一个亟待解决的问题[3-4]。

本文阐述了载体振动和环境扰动下光束抖动的控制问题。光束抖动控制技术主要用于载体振动和环境扰动下稳定光束的指向，控制光束稳定在选定的瞄准点上，提高光学系统的指向稳定精度，消除由于载体运动和振动等引起的光束抖动。目前机载光电系统多采用平台整体稳定方式，并从机械结构和控制算法上提出各种补偿技术来提高稳定精度。要提高光学系统的指向稳定精度，其中高精度高带宽响应的快速反射镜和先进控制算法是关键。

1 光束稳定技术概述

目前，运动载体上的激光发射控制系统多采用复合轴跟踪控制系统。如图1所示[5]，图中为光束稳定控制系统中使用的复合轴稳定系统，该系统包括粗、精两套稳定控制回路，粗跟踪系统采用伺服电机和激光陀螺等作为执行机构，控制范围大，但控制精度和响应速度较差，主要用于目标的快速捕获；子轴精跟踪系统具有水平和俯仰两轴，可分别施加控制，子轴精跟踪系统通常采用快速反射镜(FSM)作为控制元件，响应速度快、控制精度好。子系统可对主系统的跟踪残余误差进行有效补偿，从而提高系统的跟踪精度。

图1 复合轴控制系统

机载激光系统面临的振动环境包括飞行过程中结构的随机振动和机舱内部强噪声环境(声压级85 dB以上)，这种恶劣的振动环境带来的光束抖动问题不可忽视。对于机载激光系统而言，其光路系统结构更为复杂，受到内外部动态载荷的干扰影响也更为剧烈，如飞机舱内噪声、结构振动、温度变化等，载体平台结构振动以及设备所处的环境噪声是诱导光束抖动的主要原因[6-9]。如图2所示，在振动及环境噪声扰动下，光学系统内部元件发生振动和光路失调，这使得光路系统发射的光束在传输过程中产生抖动[10]。载体的结构振动和环境扰动使得光电跟瞄系统的光轴或者发射的光束产生角度偏离，即光束抖动。在机载激光通信等应用中，激光在发射源和目标之间是一种点对点传输过程，激光系统发射光束的光轴要在在较长距离上保持精确指向，以达到微弧度的稳定精度。同时还需要保证发射的激光光束聚焦后能够在一定时间内持续地照射在目标的同一块区域上。因此，必须控制光束使其稳定在选定的瞄准点上，否则将造成激光光束的焦点在目标上抖动。这种抖动使得光学接收系统上的光斑位置产生随机波动，不利于光学信号的接收。

图2 结构振动和环境扰动对机载光学系统的影响

为了控制光学系统在随机振动和环境扰动激励下的振动，工程人员首先尝试将光学系统与振源隔离，如光学隔振平台，它可以有效地隔离地板传递到光学系统上的振动[11-12]。这类隔振平台采用被动隔振和主动隔振技术，被动隔振系统通常有橡胶隔振、空气弹簧、磁悬浮隔振器等，隔振装置安装在振源和光学系统之间，相当于一个低通滤波器，可以有效隔绝中高频的振动；而主动隔振系统通常采用电磁驱动器，通过反馈控制隔振平台的位移。此外，增加平台结构的阻尼也是有效的振动控制措施；对于平台的基础振动，采用柔性支撑隔振可使光束抖动量显著减小。美国CSA公司研制了一种用于光路准直系统的振动隔离装置，AS/VIS，即机载稳定隔振系统，采用电磁驱动器和空气弹簧进行主动减振，在5～200 Hz的动态范围内可以显著减振。这种平台整体隔振方式隔振效果好，可以保护敏感的光学系统不受高频振动的影响。近年来，隔振平台已经发展到超低频(0.7～1.2 Hz)、振动速度0.02 mm/s、振幅0.6～1.5 μm的超低频固有频率的精密隔振平台。机载光学系统通常还采用了一种Hexapod隔振平台用于多轴隔振，这种方式有利于不同自由度下解耦隔振模态和主动控制。

2 高性能快速反射镜研究

在精跟踪控制系统方面，美国伯明翰大学Skormin[13]等为机载激光通信系统提出了振动环境下光束抖动的预测和控制方法，并提出了通过传感器测量光束偏移，用快速反射镜进行光束抖动控制的方案。这种光束抖动的控制方式主要是基于反射式光学稳像原理，利用快速反射镜对光轴的微小扰动进行补偿，如图3所示。图中为基于快速反射镜的光束控制系统，它将快速反射镜和加速度传感器等集成在一起，构成一个指向平衡系统，通过光电探测器将探测到的误差信号反馈给快速反射镜，快速反射镜调整镜面角度，从而控制光束方向，使得激光被稳定在探测器中心处，这样就消除了光束抖动[14]。在光束抖动控制中，快速反射镜和高精度的光学信号探测器的作用很重要。快速反射镜是光电精密跟踪系统中必不可少的一部分，利用反射面在光源和接收器之间控制光束。它既可以用来在自适应光学系统中校正光路中的倾斜误差，也可以用来稳定光束的指向，还可以在光学精密仪器中作为快速跟踪的关键器件。

图3 基于快速反射镜的光束抖动控制系统

FSM利用音圈电机或者分辨率达到微米级的压电驱动器驱动[15]，其惯性远小于传统机架，可大幅度提高谐振频率，与高灵敏度、高响应速度的传感器相结合，可以构成高精度的光学跟踪系统，极大地提高系统的跟踪带宽和响应速度，同时使系统有较高的角度分辨能力。MIT林肯实验室设计的高带宽倾斜镜(HBSM)能达到 0.2 μrad瞄准精度，抑制高达 1 kHz的抖动。快速反射镜是光束抖动控制中的核心元件，决定了控制系统的控制带宽和控制精度[16]。由音圈电机驱动的快速反射镜偏转范围大(10 mrad)，驱动力大，但控制带宽较小，精度较低。由压电驱动的快速反射镜控制精度高，响应频率高；但是，压电作动器的迟滞效应以及支撑结构限制了其控制带宽，且控制角度范围较小(1～3 mrad)。对快速反射镜形状以及内部铰链机构进行优化设计，可以提高驱动器的工作效率和工作频率范围。Perez[17]使用MEMS反射镜抑制光束抖动，这种MEMS反射镜直径只有3.5 mm，降低了反射镜的质量和转动惯量，有利于反射镜的快速调节和提高控制系统响应速度的提高。

3 光束抖动控制算法研究

3.1 传统控制算法

对于一个完整的光束稳定控制系统，采用的算法决定了控制系统的响应速度和控制精度。传统的控制方法一般选用PID方法，该方法设计简单，抑制能力取决于闭环控制系统的带宽，对抑制能力范围内的宽带和窄带的扰动都有很好的抑制效果。但控制精度差，在复杂扰动环境下无法有效抑制光束抖动。传统的控制算法控制模型和参数固定，不能有效应对时变随机扰动。在实际应用过程中，由于机载振动环境的复杂性和多变性，机载激光系统受到的干扰是随机变化的，如不稳定气流引起的飞机结构颤振、气动噪声激励等。对于机载激光系统，不仅存在结构随机振动激励，还存在强噪声干扰带来的剧烈气压波动，Glaese和McEver[18-20]研究了噪声扰动下光束抖动控制问题。由环境噪声引起的光束扰动的频谱特点是频率多变、频带较宽，这是因为实际使用环境随飞机飞行状态不断改变，载机振动和环境扰动也随时间不断变化，且扰动频率不固定，所以造成的光束抖动在功率密度谱上是宽频带的[21]。

PID算法对于低频扰动具有较好的适应性，但是外界扰动特性未知时，调整PID的控制参数是非常困难的。由于PID控制方法的简便性，使得PID控制方法仍然具有很高的工程实用价值。如果改进PID方法，使之具备自抗扰能力，将极大提高该方法的有效性。崔宁等人[22]设计了自抗扰模糊控制算法，使得PID算法中系数可以自适应调节，达到8 μrad的跟踪精度；聂光戎等人[23]通过对PID算法添加自抗扰控制器，改善了光束指向稳定控制中动态干扰导致的超调，增加光束控制系统的稳定性和适应性。

杜克大学McEver采用LQG方法设计了一种光束抖动前馈控制方案，实验中利用扬声器产生的噪声诱导光束抖动，麦克风采集的声学信号和加速度传感器采集的振动信号作为前馈参考信号，位置敏感探测器和快速反射镜组成闭环控制回路。其结果表明，对于宽带扰动，抖动幅值降低了50%，而窄带扰动几乎全部被抑制。此后McEver使用调Q参数方法设计了一种参数调节方法。该方法使用Q参数作为一种扰动预期加入控制回路中，其中Q参数通过参数互质设计的反馈回路得到，该反馈回路分离出输出信号中的干扰成分，用以补偿环境扰动对光路系统产生的影响。实验结果表明，在噪声扰动源存在的情况下，光束抖动程度抑制了约60%。

3.2 自适应控制算法

Anderson[24]等人提出将自适应滤波方法用于控制宽频带上的光束抖动。自适应控制是指通过修改控制器的参数或者内部结构等调解方式，适应控制对象模型的变化。光束稳定自适应控制技术的目标是，根据测量的光路系统的环境干扰量和光束指向误差，寻求自适应控制策略，尽可能地抑制光束抖动。在自适应控制系统中，控制器根据系统采集到的信号调整控制增益，系统信号包括误差信号、扰动信号和控制信号等。其中误差信号是指系统输出信号与预期信号的差异，可以用来重新计算控制增益参数以便下一步减小误差；扰动参考信号是通过传感器测量得到的信号，如加速度信号，噪声信号等。控制器参数通过一个自适应算法调节，即自适应控制律。由于扰动信号只是反映了光路系统受到扰动程度，该信号还需通过一个设计好的参考模型，模拟出光路系统受到扰动后光束抖动的特性及预期控制效果，用来调整自适应控制器中参数。

图4为自适应滤波方法示意图，图中x(n)为输入参考信号，通过参数可调的数字滤波器后产生输出信号y(n)，将输出信号y(n)与扰动信号d(n)进行比较，得到误差信号e(n)。e(n)和x(n)通过自适应算法对滤波器的参数w(n)进行调整，调整的目的是使误差信号e(n)最小。自适应滤波技术是控制算法的核心部分。自适应滤波器结构中最常用的是FIR横向型结构，图5为横向型滤波器的结构示意图。

图4 自适应滤波方法示意图

图5 横向型滤波器示意图

美国海军工程研究中心的Watkins[25-26]等人基于LJC实验平台研究了自适应算法。该平台利用激振器引入振动激励，并采用PSD探测光束抖动，快速反射镜闭环控制光束。Watkins将滤波LMS方法用于光束抖动控制，LMS算法通过梯度搜索调整系数，使输出误差序列的均方值(MSE)最小化，并且根据该判据来修改权系数。其后，Yoon[27]又利用滤波递推最小二乘(FXRLS)方法设计了自适应滤波器，与FXLMS方法相比，这种算法在自适应滤波器结构上是相同的，不同的是RLS算法基于归一化递推算法改变了自适应滤波器权系数迭代矩阵，使之收敛速度更快。

自适应滤波LMS和RLS算法采用的自适应滤波器阶数固定，而Orzechowski等人[28-29]采用变阶次的自适应滤波器，设计了一种基于递推最小二乘算法的梯度自适应格型算法(GAL)和变阶次自适应控制方法。图6为格型自适应滤波器。对于自适应滤波器而言，阶数决定了算法的收敛速度和稳定性，低阶的滤波器收敛速度快，但稳定性较差；而高阶的滤波器稳定性好，但需要更多的采样数据。采用变阶自适应滤波器可以兼顾收敛速度和稳定性的要求，与横向滤波器相比，可以适应更高的传感器采样率，以及更剧烈的环境扰动。

图6 格型自适应滤波器

Moon[30]等人将广义预测控制算法(GPC)理论应用于光束抖动控制中,如图7所示。具体步骤是首先进行系统参数辨识，通过统计方法得到系统参数的估计值和预测输出值，并与实际系统输出对比，反馈校正，不断的预测和控制，调整控制器参数，以保证稳态输出方差最小。广义预测控制是D.W.Clarke于1987年提出的一种重要的自校正控制算法，在自校正调节器的在线辨识、输出预测、最小输出方差控制的基础上，应用了滚动优化策略，使之具备自适应控制和预测控制的性能。GPC算法基于RLS系统辨识方法和广义预测控制，加入了预测模型、权重系数滚动优化过程和在线反馈校正，该算法呈现出优良的控制性能和鲁棒性。在实验中利用扬声器产生的噪声诱导光束抖动，使用实时自适应前馈和反馈广义预测控制方法，可以实现大约40%的抖动抑制。

图7 广义预测控制算法

3.3 控制算法比较

Watkins为了比较LQG、LMS、GAL等算法的控制效果，在实验中通过扰动反射镜引入光束抖动，该抖动信号在频率分别为50 Hz与100 Hz的正弦信号基础上混入了截止带宽为200 Hz的白噪声信号，实验结果如表1所示。LQG方法可以消除约70%抖动误差，而LMS和GAL方法可以消除约80%抖动。Beerer在该实验台上比较了PID算法和自适应算法的控制效果，其跟踪误差RMS值如图8所示。结果表明自适应控制方法有更好的控制精度，而PID算法在收敛速度上效果更好[31-33]。

表1 LQG/LMS/GAL算法控制效果控制器

为了发挥不同控制算法的优势，丁科[34]等人研究了快速反射镜控制的复合控制算法，认为不同的控制算法适用的扰动频率范围并不完全相同，可能导致复合控制算法不收敛。为了拓展控制带宽，实现宽频带干扰下的光束抖动控制，设计了一种解耦的复合控制算法，解决了现有直接复合算法不收敛的问题。Beerer在实验中将PID控制方法和自适应滤波方法结合起来，认为对于一些特定的无法稳定控制的频段可以采用滤波方法抑制，并且希望通过控制算法的复合应用，提高控制算法的适用性。Moon[35]研究了布置在振动稳定平台上的传感器位置和数量对控制算法的影响。在自适应控制方法中，前馈控制中需要引入多种参考信号，扰动的参考信号有利于控制系统自适应的寻找最优控制参数，但是在复杂扰动环境下，各种环境扰动对系统误差的贡献并不相同，不同的传感器信号的信噪比也不同。这时，就需要对传感器的布置以及采样信号进行优化分析。

图8 PID算法与自适应算法控制效果对比

4 结束语

在光束抖动主动控制技术中，传统的反馈控制算法如PID等方法简单，便于工程应用，但是，其控制参数需要在使用前通过大量实验确定和优化[36]，对时变扰动的抑制能力较差。前馈控制算法通过引入扰动参考信号，可以预先捕捉到扰动源规律，对于频率单一的扰动有较好的抑制效果。实际光路系统由于搭载平台和使用环境中干扰的不确定性，使用传统控制方法在光束抖动控制中无法满足系统时变抗扰性能，这时就需要自适应控制方法。具体来说，对于窄带扰动，由于干扰频率固定，采用传统的前馈和反馈控制方法就可以得到较好的控制效果；而对于实时变化的随机扰动，需要自适应控制方法以实现宽带上的光束抖动控制。

近年来，激光技术已在通信、雷达、加工、军事等领域得到了广泛应用。光束控制技术是其中一项关键技术，已经应用在空间激光通信、机载激光武器中。研究在复杂干扰环境下的光束控制方法将有效提升机载激光系统环境适应性和瞄准跟踪精度，有利于提升系统的使用效率和综合性能。面对复杂的使用环境，自适应控制技术提供了有效抑制光束抖动的方法，具有一定的实用价值。