【摘要】：自適應光學技術是一項發(fā)展迅速的光學新技術,通過對光學波前進行快速的測量和高精度的控制,同時對相位進行主動控制,從而能夠?qū)馐姆较蚝蛷姸确植嫉冗M行高精度控制。波前校正器是自適應光學技術的關鍵,主要包括變形反射鏡(簡稱變形鏡)和傾斜反射鏡(簡稱傾斜鏡,Tip/Tilt Mirror,TTM)。壓電陶瓷材料自身存在固有的遲滯特性,在升壓和降壓過程中兩條位移曲線不重合,位移量不一致,存在位移差。其主要特點是:下一時刻的輸出不僅取決于當前時刻的輸入和輸出,而且與之前時刻的輸入有關。研究表明,在無控制開環(huán)情況下,由遲滯曲線的不對稱性造成的非線性跟蹤誤差達到15%以上。因此,遲滯非線性的補償對實現(xiàn)壓電傾斜鏡高精度控制至關重要,需要對遲滯現(xiàn)象進行建模,通過建立的模型進行補償。本文的研究目標是針對自適應光學系統(tǒng)中的壓電傾斜鏡以及其組成元器件壓電陶瓷驅(qū)動器所表現(xiàn)出的遲滯非線性現(xiàn)象進行分析與建模,進而對遲滯非線性系統(tǒng)進行遲滯補償。本課題以遲滯非線性為核心,壓電陶瓷驅(qū)動器、壓電傾斜鏡等為研究對象,展開了系統(tǒng)的研究與分析,主要的工作和研究成果如下:(1)針對壓電陶瓷驅(qū)動器、壓電傾斜鏡所表現(xiàn)出的遲滯非線性特性,通過對各類遲滯非線性系統(tǒng)的建模方法的調(diào)研,本文基于神經(jīng)網(wǎng)絡的強數(shù)據(jù)處理能力和高辨識能力,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡來訓練并建立模型。由于神經(jīng)網(wǎng)絡不能直接處理多映射關系,本文采用基于空間擴張的方法來對神經(jīng)網(wǎng)絡模型的輸入進行擴展,引入了遲滯算子作為神經(jīng)網(wǎng)絡的一維輸入,并確定了適合本文所研究對象的遲滯算子計算式。(2)研究了基于神經(jīng)網(wǎng)絡進行遲滯建模過程中所采用的訓練算法,對各種BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練算法進行了討論,如最速梯度下降算法、Powell-Beale變梯度算法、列文伯格算法等,對比了每一種訓練算法對利用神經(jīng)網(wǎng)絡所建立模型的誤差情況,采用貝葉斯正則化法對神經(jīng)網(wǎng)絡遲滯模型進行訓練,并驗證了模型的有效性。(3)以壓電陶瓷驅(qū)動器、壓電傾斜鏡、雙壓電驅(qū)動器為研究對象,分析并建立了遲滯逆模型,對遲滯系統(tǒng)進行補償。(4)設計了針對壓電陶瓷驅(qū)動器、壓電傾斜鏡、雙壓電驅(qū)動器的實驗方案,對每一個研究對象進行了說明,將建立的遲滯非線性模型與研究對象相結合,分析系統(tǒng)跟蹤輸入期望信號的精度以及輸入期望信號與輸出信號之間的線性度,實驗證明,本文所采用的基于神經(jīng)網(wǎng)絡的遲滯非線性逆模型對所研究的對象的遲滯補償效果比傳統(tǒng)建模算法(MPI算法)更好,能夠使線性度優(yōu)于2%,滿足實際應用過程中的需求。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院光電技術研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP183;TN384
【圖文】：

第1章 緒論意義的天文學者 Babcock 針對動態(tài)干擾現(xiàn)象中的大時地探測波前的誤差，同時對探測得到的波前誤波前傳感器和波前校正器的初始概念，同時也是于 1979 年開始對自適應光學進行探索工作，在科學院光電技術研究所在自適應光學領域已經(jīng)打了輝煌的成績[3]。自適應光學技術是采用光電子時的探測，經(jīng)過高速的計算與控制，使得所用到正，當系統(tǒng)外部存在復雜的環(huán)境時，光學系統(tǒng)能況。自適應光學系統(tǒng)框圖為下圖 1.1。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡的壓電驅(qū)動器非線性遲滯效應的建模與校正的驅(qū)動下，產(chǎn)生相應的相位調(diào)制量，進而實現(xiàn)對光學畸變波前的實時補償與校正[5-7]。自適應光學技術被廣泛地應用于高分辨力成像的觀測、高集中度激光能量傳導等方向。1.2 壓電驅(qū)動器及其研究現(xiàn)狀1.2.1 壓電驅(qū)動器及壓電傾斜鏡

圖 1.4 蠕變特性(左)和溫度特性(右)[23]Figure1.4 Creep characteristics(left) and Temperature characteristics(right)(3)溫度特性當輸入相同的信號時，輸出信號會隨著周圍溫度的增加而減小[22]。其溫度性質(zhì)包括線膨脹和溫度在壓電效應中產(chǎn)生的作用。如圖 1.4(右)所示，當壓電陶瓷驅(qū)動器周圍的溫度增加時，線性膨脹系數(shù)會有微小的變化[23]。本文在研究時保持室內(nèi)溫度一致，故暫不考慮溫度特性的影響。(4)振動特性使用柔性鉸鏈和壓電晶體結合的壓電驅(qū)動器系統(tǒng)類似于質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)[24]，當系統(tǒng)的輸入電壓的工作頻率達到一定值時則會引起系統(tǒng)的振動。當工作頻率在第一共振頻率的頻率帶內(nèi)時，振動特性對響應精度的影響非常小[25]。

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本文編號：2806735