【摘要】：自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展迅速的光學(xué)新技術(shù),通過(guò)對(duì)光學(xué)波前進(jìn)行快速的測(cè)量和高精度的控制,同時(shí)對(duì)相位進(jìn)行主動(dòng)控制,從而能夠?qū)馐姆较蚝蛷?qiáng)度分布等進(jìn)行高精度控制。波前校正器是自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵,主要包括變形反射鏡(簡(jiǎn)稱變形鏡)和傾斜反射鏡(簡(jiǎn)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(guò)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(diǎn)是:下一時(shí)刻的輸出不僅取決于當(dāng)前時(shí)刻的輸入和輸出,而且與之前時(shí)刻的輸入有關(guān)。研究表明,在無(wú)控制開(kāi)環(huán)情況下,由遲滯曲線的不對(duì)稱性造成的非線性跟蹤誤差達(dá)到15%以上。因此,遲滯非線性的補(bǔ)償對(duì)實(shí)現(xiàn)壓電傾斜鏡高精度控制至關(guān)重要,需要對(duì)遲滯現(xiàn)象進(jìn)行建模,通過(guò)建立的模型進(jìn)行補(bǔ)償。本文的研究目標(biāo)是針對(duì)自適應(yīng)光學(xué)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(dòng)器所表現(xiàn)出的遲滯非線性現(xiàn)象進(jìn)行分析與建模,進(jìn)而對(duì)遲滯非線性系統(tǒng)進(jìn)行遲滯補(bǔ)償。本課題以遲滯非線性為核心,壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、壓電傾斜鏡等為研究對(duì)象,展開(kāi)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(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、壓電傾斜鏡所表現(xiàn)出的遲滯非線性特性,通過(guò)對(duì)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(luò)的強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力和高辨識(shí)能力,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)訓(xùn)練并建立模型。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不能直接處理多映射關(guān)系,本文采用基于空間擴(kuò)張的方法來(lái)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入進(jìn)行擴(kuò)展,引入了遲滯算子作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一維輸入,并確定了適合本文所研究對(duì)象的遲滯算子計(jì)算式。(2)研究了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遲滯建模過(guò)程中所采用的訓(xùn)練算法,對(duì)各種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法進(jìn)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(duì)比了每一種訓(xùn)練算法對(duì)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所建立模型的誤差情況,采用貝葉斯正則化法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遲滯模型進(jìn)行訓(xùn)練,并驗(yàn)證了模型的有效性。(3)以壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、壓電傾斜鏡、雙壓電驅(qū)動(dòng)器為研究對(duì)象,分析并建立了遲滯逆模型,對(duì)遲滯系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。(4)設(shè)計(jì)了針對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、壓電傾斜鏡、雙壓電驅(qū)動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)方案,對(duì)每一個(gè)研究對(duì)象進(jìn)行了說(shuō)明,將建立的遲滯非線性模型與研究對(duì)象相結(jié)合,分析系統(tǒng)跟蹤輸入期望信號(hào)的精度以及輸入期望信號(hào)與輸出信號(hào)之間的線性度,實(shí)驗(yàn)證明,本文所采用的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遲滯非線性逆模型對(duì)所研究的對(duì)象的遲滯補(bǔ)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的需求。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP183;TN384
【圖文】：

第1章 緒論意義的天文學(xué)者 Babcock 針對(duì)動(dòng)態(tài)干擾現(xiàn)象中的大時(shí)地探測(cè)波前的誤差，同時(shí)對(duì)探測(cè)得到的波前誤波前傳感器和波前校正器的初始概念，同時(shí)也是于 1979 年開(kāi)始對(duì)自適應(yīng)光學(xué)進(jìn)行探索工作，在科學(xué)院光電技術(shù)研究所在自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)打了輝煌的成績(jī)[3]。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是采用光電子時(shí)的探測(cè)，經(jīng)過(guò)高速的計(jì)算與控制，使得所用到正，當(dāng)系統(tǒng)外部存在復(fù)雜的環(huán)境時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)能況。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)框圖為下圖 1.1。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓電驅(qū)動(dòng)器非線性遲滯效應(yīng)的建模與校正的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生相應(yīng)的相位調(diào)制量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)畸變波前的實(shí)時(shí)補(bǔ)償與校正[5-7]。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于高分辨力成像的觀測(cè)、高集中度激光能量傳導(dǎo)等方向。1.2 壓電驅(qū)動(dòng)器及其研究現(xiàn)狀1.2.1 壓電驅(qū)動(dòng)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(dāng)輸入相同的信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)隨著周?chē)鷾囟鹊脑黾佣鴾p小[22]。其溫度性質(zhì)包括線膨脹和溫度在壓電效應(yīng)中產(chǎn)生的作用。如圖 1.4(右)所示，當(dāng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器周?chē)臏囟仍黾訒r(shí)，線性膨脹系數(shù)會(huì)有微小的變化[23]。本文在研究時(shí)保持室內(nèi)溫度一致，故暫不考慮溫度特性的影響。(4)振動(dòng)特性使用柔性鉸鏈和壓電晶體結(jié)合的壓電驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)類似于質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)[24]，當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓的工作頻率達(dá)到一定值時(shí)則會(huì)引起系統(tǒng)的振動(dòng)。當(dāng)工作頻率在第一共振頻率的頻率帶內(nèi)時(shí)，振動(dòng)特性對(duì)響應(yīng)精度的影響非常小[25]。

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本文編號(hào)：2806735