光束控制系统组件化仿真及运动解耦方法研究.pdf

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1、第２６卷第９期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．９２０１４年９月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＳｅｐ．，２０１４光束控制系统组件化仿真及运动解耦方法研究岳玉芳，谢晓钢，张建柱，安建祝，张飞舟（北京应用物理与计算数学研究所，北京１０００９４）摘要：利用激光系统组件化仿真软件构建了光束控制系统的组件化仿真框架，对几何／波动光学传输、光束定向器机架与其内部光学元件的耦合运动进行了仿真，提出了目标脱靶量数据和传感器图像自动更新、光束定向器机架与其内部多块快速倾斜镜控制驱动量自动解耦的数值仿真新方法，并在动态跟踪控制可视化过程中完成了光束定向器机架、多块快速倾

2、斜镜驱动控制以及光学传输成像的仿真，满足了光束控制系统建模仿真的普适性、灵活性、易用性设计目标。最后，大气传输校正联合仿真实例证明：利用精跟踪、自适应光学技术能有效抑制大气低频扰动幅值，校正高频扰动的影响。关键词：光束控制系统仿真；光束传输；光电跟踪；组件化仿真；激光系统仿真中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．１１８８４／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０９１００６基于系统工程思想的组件化建模仿真设计能有效地减少建模任务的复杂性，提高仿真系统的可用性和可操作性，是解决多样性模型仿真的有效方法。光束控制系统的研究内容为实现将激光定向到目标上瞄准点并使激光保持对瞄准点精确跟踪

3、和成像所需要的硬件、软件设计和实施方法。一方面，随着对光束控制系统要求的不断提高，其功能越来越复杂，包含高精度的瞄准跟踪功能、激光能量精确控制功能、激光光束整形功能；另一方面，光束控制系统由光束定向器、快速倾斜镜、自适应变形镜等基本组件构成；这使得光束控制系统的功能、硬件仿真具备了组件化仿真的需求和特点。在国内，随着大气湍流、自适应光学、传感器处理、跟踪控制等研究的进展，光束控制系统的数值模拟方法日益成熟，同时随着计算机图形学的发展，也具备了目标虚拟场景模拟的条件；因而开展光束控制系统的组件化仿真建模和仿真试验成为可能。当前，应用于波动光学的Ｗａｖ［２］［３］ｅＴｒａｉｎ、应用于

4、天文研究的ＣＡＯＳ是组件化光学仿真软件的代表。本文利用激光系统组件化仿真软件Ｅａ［４５］ｓｙＬａｓｅｒ研究光束控制系统的仿真和运动耦合、驱动解耦的新方法。１光束控制系统组件化仿真框架１．１光束控制系统基本结构光束控制系统包括发射光学平台和光束定向器两部分。光束定向器将望远镜与铰接式平面镜或者机架一起使用，将激光从发射光学平台导向到目标，有定日镜式、定天镜式、库德（Ｃｏｕｄｅ，法语中“肘”的意思）光路式［６］等。本文研究图１和图２所示的两轴和偏三轴机架的库德光束定向器。１．２光束控制系统组件化仿真框架（１）仿真组件模型的数量、功能符合最小化原则，通过基本模块能够建立多光路系统及整

5、个系统；（２）封装光束定向器结构、光路中各光学镜的几何位置等造成的光斑图像旋转、控制驱动量解耦等问题，具备普适性、灵活性和方便易用的特点；（３）具备几何光学和波动光学仿真能力、光束大气传输过程仿真能力、自适应光学校正过程仿真能力；（４）实现虚拟目标场景（包括目标运动、位置和姿态、背景亮度、目标照度的模拟）、大气传输成像、机架与倾斜镜／变形镜控制驱动动态过程的可视化仿真。２几何光学和波动光学联合的仿真方法２．１相干光束的波动光学与几何光学联合仿真方法［７］在傍轴近似下光束衍射传输方程为收稿日期：２０１３１１１５；修订日期：２０１４０２２５基金项目：中国工程物理研究院科学技术

6、发展基金项目（２０１３Ｂ０４０１０６９）作者简介：岳玉芳（１９７４－），女，副研究员，研究激光系统跟瞄方法及仿真技术；ｙｕｅ＿ｙｕｆａｎｇ＠ｉａｐｃｍ．ａｃ．ｃｎ。通信作者：谢晓钢（１９８２—），男，助研，研究激光系统仿真技术；ｘｉｅ＿ｘｉａｏｇａｎｇ＠ｉａｐｃｍ．ａｃ．ｃｎ。０９１００６１强激光与粒子束Ｆｉｇ．１ＰｒｉｍａｒｙｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｓｏｆｄｏｕｂｌｅａｘｉｓＦｉｇ．２Ｐｒｉｍａｒｙｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｓｏｆｅｃｃｅｎｔｒｉｃｇｉｍｂａｌｂｅａｍｄｉｒｅｃｔｏｒｔｈｒｅｅａｘｉｓｇｉｍｂａｌｂｅａｍｄｉｒｅｃｔｏｒ图１两轴机架光束定向器的基本光路图２偏三轴机

7、架光束定向器的基本光路２ｉ犽ψ＋２犽２（δε）（１）⊥ψ＋ｔｂ＋δεｔｕｒｂψ＝０狕式中：２代表２／狓２２／狔２；δε代表湍流造成的大气折射率变化；犽为２π／λ（λ为波长）；代表光场振⊥＋ｔｕｒｂψ［８９］幅。研究光束大气传输相关问题时，联立求解式（１）和流体动力学方程式。光束控制系统中的各光学组件的坐标系定义如图３所示：定义整体坐标系犡犢犣，原点为某个确定地理位置，犡轴、犢轴、犣轴分别为东、北、天方向。定义镜面坐标系犡，原点为镜面中心，犡轴为镜面法