[發(fā)明專利]一種基于FPGA的光束指向控制系統(tǒng)及其構(gòu)建方法

有效

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• 申請日: 2017-03-24
• 公開（公告）號(hào): CN107121189B
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 常慧;樊仲維;袁洪;邱基斯;唐熊忻;張鴻博
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電研究院
• 主分類號(hào): G01J1/04
• 分類號(hào): G01J1/04;G01J1/42
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 劉芳;仇蕾安

本發(fā)明提供一種基于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)處于測試階段：利用已知噪聲的擾動(dòng)信號(hào)優(yōu)化PID調(diào)節(jié)關(guān)系；當(dāng)系統(tǒng)處于工作階段：根據(jù)未知噪聲的類型，選擇對應(yīng)的PID調(diào)節(jié)關(guān)系，然后根據(jù)光束角度實(shí)際偏移量計(jì)算傾斜鏡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。該系統(tǒng)能夠?qū)h(yuǎn)場光束的質(zhì)心漂移進(jìn)行快速校準(zhǔn)控制，且成本低穩(wěn)定性高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光束控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種基于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)場探測器實(shí)現(xiàn)對激光指向的閉環(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。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)場光斑信息采集，通過復(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)引起能量衰減過度，對能量質(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。

發(fā)明內(nèi)容

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。