快速反射镜恒偏差故障观测器设计

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作者 李智斌 潘嘉男 +1 位作者 孙崇尚 吴佳彬 《中国光学(中英文)》 北大核心 2025年第1期121-133,共13页

快速反射镜的工作环境一般比较恶劣,容易受到振动冲击、温度变化等影响,导致故障。本文针对最为普遍的恒偏差故障,提出了一种基于线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)的故障观测器设计方法,旨在提高故障检测的可靠性,增强快... 快速反射镜的工作环境一般比较恶劣,容易受到振动冲击、温度变化等影响,导致故障。本文针对最为普遍的恒偏差故障,提出了一种基于线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)的故障观测器设计方法,旨在提高故障检测的可靠性,增强快速反射镜的稳定性以及抗干扰能力。首先,采用基于汉克尔(Hankel)矩阵的模型辨识方法得到了考虑耦合效应的两轴快速反射镜模型。然后,建立了快速反射镜系统的故障模型,采用基于LMI的方法对快速反射镜的故障观测器进行设计。最后,通过仿真与实验对该方法进行验证。结果表明,当快速反射镜的两轴发生执行器和传感器恒偏差故障时,基于黎卡提(Riccati)方程的故障观测器只能检测出其中一个轴的故障,基于LMI的故障观测器对X轴能在故障发生后0.1 s内检测出故障,对Y轴能在故障发生后0.06 s内检测出故障。上述结果表明本文设计的LMI故障观测器能够更加准确地实现对快速反射镜的故障检测。 展开更多

关键词 快速反射镜 恒偏差故障 模型辨识 线性矩阵不等式 故障观测器

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H.264/AVC码率控制中初始量化参数的估计 被引量：5

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作者 赵春蕾 戴明 +4 位作者 孙丽娜 孙乐 孙崇尚 张晶 冯磊 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第9期2553-2564,共12页

由于H.264/AVC采用的码率控制模型忽略了视频特性对初始帧量化参数(Initial Quantization Parameter,QP0)选择的影响,本文提出了一种新的基于视频特性的QP0估计算法来提高H.264/AVC的码率控制精度。首先,分析影响QP0的视频特性,包括每... 由于H.264/AVC采用的码率控制模型忽略了视频特性对初始帧量化参数(Initial Quantization Parameter,QP0)选择的影响,本文提出了一种新的基于视频特性的QP0估计算法来提高H.264/AVC的码率控制精度。首先,分析影响QP0的视频特性,包括每像素比特数(bpp)、视频序列的复杂度和图像组(GOP)长度;然后,通过大量的测试仿真建立了QP0与bpp和视频序列复杂度之间的函数关系;最后,结合GOP长度对QP0的影响,修正了QP0模型。实验结果表明:相比JM12.2中的算法,提出的算法使四分之一通用中间格式(QCIF)和通用中间格式序列重建帧的平均峰值信噪比(PSNR)分别提高了0.185dB和0.144dB;码率控制误差的控制幅度分别提高了37.3%和11.2%;序列中每帧图像间的质量波动均降低了约50%。该方法在提高重建帧质量的同时,大幅度降低了码率控制误差,有效地抑制了序列间每帧图像的质量波动,获得了更优质、平稳的编码视频流,并能很好地适应不同特性的视频序列。 展开更多

关键词 H.264/AVC 码率控制 初始帧量化参数 视频特性 图像组(GOP)长度

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航空相机扫描像移片上补偿技术 被引量：8

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作者 匡海鹏 王德江 孙崇尚 《激光与红外》 CAS CSCD 北大核心 2015年第4期415-421,共7页

查打一体化是当前航空相机的一个主要发展方向,其中一项关键技术为扫描像移的动态、高精度补偿。基于面阵探测器的时间延迟积分(TDI)扫描像移补偿方式相比于光机式的像移补偿方式具有天然的优势,然而当前的面阵探测器TDI像移补偿精度是... 查打一体化是当前航空相机的一个主要发展方向,其中一项关键技术为扫描像移的动态、高精度补偿。基于面阵探测器的时间延迟积分(TDI)扫描像移补偿方式相比于光机式的像移补偿方式具有天然的优势,然而当前的面阵探测器TDI像移补偿精度是像素级的,进一步提高查打一体化相机分辨率遇到了瓶颈。针对于此本文首先介绍了查打一体化航空相机工作原理,然后针对帧转移CCD的特性建立了电荷行间转移的数学模型与电荷转移像移的调制传递函数模型,在此基础上提出了一种查打一体化航空相机扫描像移的片上补偿方法,采用该方法可将相位面阵TDI CCD的像移补偿精度提高至1/2像元。最后搭建了实验平台并给出了二、三、四相位面阵TDI CCD电荷转移像移对遥感图像质量的影响,同时也证明了提出的方法能够显著提高图像质量。 展开更多

关键词 查打一体化航空相机 扫描像移 调制传递函数 帧转移CCD 电荷转移像移

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航空相机像旋补偿双向控制中的内环补偿器设计 被引量：3

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作者 刘超 丁亚林 +2 位作者 田大鹏 杜言鲁 孙崇尚 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第1期120-128,共9页

为解决航空相机摆扫成像过程中存在的像旋问题,采用四通道双向控制系统对像旋进行补偿。在系统中,基于鲁棒内环补偿器结构进行了内环补偿器设计。首先利用H∞混合灵敏度优化方法求解鲁棒内环补偿器中的鲁棒控制器,再结合参考模型确定系... 为解决航空相机摆扫成像过程中存在的像旋问题,采用四通道双向控制系统对像旋进行补偿。在系统中,基于鲁棒内环补偿器结构进行了内环补偿器设计。首先利用H∞混合灵敏度优化方法求解鲁棒内环补偿器中的鲁棒控制器,再结合参考模型确定系统的滤波器,进而得到系统化设计的内环补偿器。保证系统鲁棒稳定性的同时尽可能提高干扰抑制性能,进而在两者间折衷提高双向控制像旋补偿精度。实验结果显示,本方法能够有效抑制等效干扰的影响,提高消旋补偿的精度。动态扫描下位置补偿误差的最大值和均方根分别为(1.81×10^(-3))°、(5.224 74×10^(-4))°,与传统设计相比,补偿误差分别减小了41.99%、41.73%,提高了四通道双向控制系统的像旋补偿精度。 展开更多

关键词 自动控制技术 航空相机 像旋 双向控制 鲁棒内环补偿器

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激光通信快速反射镜系统辨识与平衡截断 被引量：2

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作者 张建强 孙崇尚 +2 位作者 吴佳彬 李智斌 周克敏 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第12期2315-2324,共10页

音圈电机快速反射镜是激光通信精跟踪的执行机构,其柔性结构与双轴耦合特性会导致系统谐振模态增多、模型阶次高等复杂控制问题,基于递推最小二乘等传统辨识方法建立精确模型是十分困难的,难以满足高精度控制器的设计要求.对于该问题,... 音圈电机快速反射镜是激光通信精跟踪的执行机构,其柔性结构与双轴耦合特性会导致系统谐振模态增多、模型阶次高等复杂控制问题,基于递推最小二乘等传统辨识方法建立精确模型是十分困难的,难以满足高精度控制器的设计要求.对于该问题,本文提出了基于Hankel矩阵模型解算与平衡截断建立高精度模型的方法.首先,根据系统激励序列与响应序列建立Hankel矩阵,其奇异值分解确定模型阶次,可观、可控矩阵解算确定模型参数;其次,建立系统的平衡实现,并基于平衡截断原理完成模型降阶.本文从频率特性角度评价了系统模型的辨识精度,结果表明,相比于经典的模型辨识方法,本文建立的系统模型阶次更低且辨识精度更高,充分满足现代理论高性能控制系统的设计与应用要求. 展开更多

关键词 激光通信 音圈电机快速反射镜 系统辨识 平衡截断

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双轴音圈电机快速反射镜的系统建模与滑模控制 被引量：3

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作者 李智斌 李亮 +1 位作者 张建强 孙崇尚 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第24期3580-3594,共15页

快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)是高精密光学系统中的关键仪器,基于音圈电机(Voice Coil Actuator,VCA)驱动的柔性支撑FSM存在复杂耦合特性,导致系统模型复杂并严重影响系统的控制性能,对于该问题,本文提出了一种基于系统辨识与... 快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)是高精密光学系统中的关键仪器,基于音圈电机(Voice Coil Actuator,VCA)驱动的柔性支撑FSM存在复杂耦合特性,导致系统模型复杂并严重影响系统的控制性能,对于该问题,本文提出了一种基于系统辨识与模型降阶的双轴积分增广滑模控制方法。首先,采用基于脉冲响应的Hankel矩阵系统辨识方法建立VCA-FSM的精确耦合模型;随后,基于平衡实现与平衡截断,在保证模型精度的前提下对所建立的高阶模型进行降阶;其次,基于降阶模型,采用现代控制理论方法设计积分增广滑模控制器,通过设计状态观测器构造滑模切换函数与控制律,并在控制设计中改进符号函数以消除滑模抖振;最后,基于VCA-FSM伺服控制系统实验平台,开展频域与时域性能测试实验。实验结果表明:本文所提控制方法相较于单轴滑模、PID控制方法,系统的闭环跟踪带宽分别提高了约50.3%,251.3%,扰动抑制带宽分别提高了约39.9%,451.9%,阶跃响应调节时间分别缩短了约29.7%,97.7%,螺旋线跟踪精度分别提高了约48.5%,97.8%,且实现了对存在强耦合特性VCA-FSM的解耦控制。本文所提控制方法充分提高了VCA-FSM的控制性能。 展开更多

关键词 快速反射镜 音圈电机 系统辨识 模型降阶 滑模控制

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基于倾斜刃边法航空相机像移的调制传递函数测量 被引量：10

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作者 孙崇尚 王琦 +3 位作者 丁亚林 王德江 孟繁浩 张雷 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第12期108-113,共6页

由于航空相机拍照时存在像移,会导致成像质量下降,因此在航空相机中必须有像移补偿机构。目前一般采用主观判据,即通过人眼判别是否存在像移以及像移量的大小,来评价像移补偿系统的性能是否达到设计要求。主观判据受人的主观性影响较大... 由于航空相机拍照时存在像移,会导致成像质量下降,因此在航空相机中必须有像移补偿机构。目前一般采用主观判据,即通过人眼判别是否存在像移以及像移量的大小,来评价像移补偿系统的性能是否达到设计要求。主观判据受人的主观性影响较大,而且只能定性评价。为了建立航空相机成像质量与像移补偿系统其他指标之间的直接关系,提出使用倾斜刃边法测量航空相机像移的调制传递函数(MTF)。设计了相应的实验,实验中通过转台的转动模拟航空相机的扫描像移,分别通过倾斜刃边法测量像移的MTF和通过理论模型计算像移的MTF。实验结果表明,在空间频率为0.10cycle/pixel时,转台以3、5、8°/s转动时,两种方法得到的MTF之间的误差百分比分别为0.77%、1.15%、4.91%,进而证明了该方法的有效性。 展开更多

关键词 成像系统 航空相机 像移 调制传递函数 倾斜刃边法

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正弦振动对航空相机成像影响的分析与验证 被引量：4

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作者 孙崇尚 丁亚林 +3 位作者 王德江 黄厚田 田大鹏 姚园 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第7期69-75,共7页

航空相机拍照时,由于受到振动影响成像分辨率会降低。采用动态调制传递函数研究正弦振动对成像的影响,通过基于空间域的计算方法对高频和低频振动的调制传递函数(MTF)进行了分析,指出了曝光时间不等于振动周期整数倍的一般情况时,高频... 航空相机拍照时,由于受到振动影响成像分辨率会降低。采用动态调制传递函数研究正弦振动对成像的影响,通过基于空间域的计算方法对高频和低频振动的调制传递函数(MTF)进行了分析,指出了曝光时间不等于振动周期整数倍的一般情况时,高频振动对成像质量的影响也具有随机性,但没有低频振动的随机性明显。采用快速反射镜作为振动源进行成像实验,对获得的振动图像使用小波变换提取图像的高频信息。实验中将曝光时间设定为20ms,振动频率为50Hz时,高频信息波动范围仅为0.0582×104,可以认为基本没有波动。当振动频率为15Hz时,波动范围为0.6233×104,随机性很明显,而振动频率为65Hz时,波动范围为0.1245×104,随机性不明显。通过高频信息与MTF的对应关系,实验证明了理论分析的正确性。在理论分析和实验的基础上,总结了正弦振动对成像影响的普遍性结论。该结论可用于分析成像系统光机结构设计,也可应用于图像去模糊,具有一定的意义。 展开更多

关键词 成像系统 航空相机 正弦振动 调制传递函数 快速反射镜

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基于计算成像的宽视场高分辨相机研究进展 被引量：5

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作者 孙崇尚 丁亚林 王德江 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2013年第3期44-51,共8页

宽视场高分辨成像在航空侦察、地形测绘和安全监控等领域有广泛的应用。主要从光学设计角度归纳总结了实现宽视场高分辨成像的技术难点,阐述了透镜系统的比例法则。将比例法则推广到计算成像领域,证明计算成像的方法可以在更小的相机尺... 宽视场高分辨成像在航空侦察、地形测绘和安全监控等领域有广泛的应用。主要从光学设计角度归纳总结了实现宽视场高分辨成像的技术难点,阐述了透镜系统的比例法则。将比例法则推广到计算成像领域,证明计算成像的方法可以在更小的相机尺寸时获得更高的分辨率。在此基础上,重点阐述了一种可行的宽视场高分辨成像的实现途径:同心多尺度光学系统的设计方法。介绍了当前研制成功的基于同心多尺度理论的宽幅相机,并对它们的性能进行了分析比较,讨论了同心多尺度相机面临的技术挑战。 展开更多

关键词 成像系统 计算成像 宽视场高分辨 同心多尺度 像差 空间带宽积

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像移对长焦距高分辨率航空相机检调焦精度影响的分析 被引量：10

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作者 孟繁浩 丁亚林 +4 位作者 王德江 修吉宏 许永森 马天翔 孙崇尚 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第6期65-72,共8页

应用图像法对长焦距高分辨率航空相机实时检调焦过程中,由于外界环境因素的影响使得系统产生像移,调焦精度降低。当前对于由相对运动引起的像移和调焦精度两者的之间关系没有通用性的理论和确切的研究。从理论上分析了高分辨率航空图像... 应用图像法对长焦距高分辨率航空相机实时检调焦过程中,由于外界环境因素的影响使得系统产生像移,调焦精度降低。当前对于由相对运动引起的像移和调焦精度两者的之间关系没有通用性的理论和确切的研究。从理论上分析了高分辨率航空图像线性像移和抖动像移的模型,给出了像移模型对评价函数的影响,得到像移与调焦曲线极大值呈负相关的关系。图像的像移量越大,调焦函数曲线的最大值下降越显著。利用二次函数拟合的方法获得离散评价函数点的拟合曲线,曲线最高点即对应调焦的最优对焦位置。搭建了动基座检调焦实验平台,实验结果表明当平台引起的图像像移量由1 pixel增加至5 pixel时,评价函数曲线的最大值由95.95%下降到87.64%。应用拟合曲线的方法得到的最佳对焦位置在系统半焦深范围之内,满足高分辨率航空相机调焦精度的要求,同时证明了像移理论分析的正确性。 展开更多

关键词 成像系统 航空相机 像移 检调焦精度 曲线拟合

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航空相机像旋动态调制传递函数分析与研究 被引量：10

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作者 刘超 丁亚林 +2 位作者 田大鹏 杜言鲁 孙崇尚 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第2期107-118,共12页

航空相机在采用旋转扫描反射镜成像过程中存在像面旋转,会导致图像模糊,成像质量下降,必须采用像旋补偿机构进行补偿。目前,通过人眼观察图像模糊程度和电机同步控制精度评价像旋补偿精度,都不能客观准确评价系统成像质量。为建立航空... 航空相机在采用旋转扫描反射镜成像过程中存在像面旋转,会导致图像模糊,成像质量下降,必须采用像旋补偿机构进行补偿。目前,通过人眼观察图像模糊程度和电机同步控制精度评价像旋补偿精度,都不能客观准确评价系统成像质量。为建立航空相机成像质量与像旋补偿系统其他指标之间的直接关系,提出基于极坐标系的动态调制传递函数(MTF),并提出基于倾斜刃边法与模糊路径法相结合的方法测量航空相机旋转像移动态MTF。设计扇形靶标旋转动态成像实验,利用旋转动态MTF和倾斜刃边法得到图像动态MTF计算值,并基于图像模糊路径测量转台转动时图像动态MTF测量值。实验结果表明,转台以20~300(°)/s匀速转动时,空间频率在旋转动态MTF到达第一个零点频率前,动态MTF计算值和测量值曲线近似重合,验证了旋转动态MTF的正确性;空间频率在小于0.7零点频率范围内,两动态MTF曲线相对误差最大值和均值分别小于6%,2%,进而证明了测量方法的准确性。 展开更多

关键词 成像系统 航空相机 调制传递函数 像面旋转 旋转像移

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基于卡尔曼滤波器的快速反射镜改进自抗扰控制 被引量：2

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作者 张程鑫 孙崇尚 +2 位作者 吴佳彬 张建强 李智斌 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第13期175-183,共9页

四象限探测器存在较大测量噪声,严重影响快速反射镜(FSM)的跟踪性能和抗干扰能力。针对四象限探测器快速反射镜的控制问题,提出一种改进型自抗扰控制方法,利用卡尔曼滤波进行噪声滤波,扩张状态观测器负责系统状态和扰动的估计,并将观测... 四象限探测器存在较大测量噪声,严重影响快速反射镜(FSM)的跟踪性能和抗干扰能力。针对四象限探测器快速反射镜的控制问题,提出一种改进型自抗扰控制方法,利用卡尔曼滤波进行噪声滤波,扩张状态观测器负责系统状态和扰动的估计,并将观测出的总扰动加入卡尔曼滤波状态方程。最后,设计零相差跟踪控制器作为前馈控制器,并在dSPACE实验平台上进行控制性能实验与抗干扰能力实验。实验结果表明:改进型自抗扰控制器可以提高FSM的跟踪性能,以100 Hz正弦信号为例,相较于线性自抗扰控制和干扰观测器控制方法,跟踪精度分别提高了20.99%和65.40%;对10 Hz正弦扰动的抑制能力分别提升了35.36%和61.26%。所提改进型自抗扰控制方法可以在存在较大测量噪声的情况下实现对扰动的精确估计和抑制,有效提高FSM的控制性能。 展开更多

关键词 光通信 快速反射镜 自抗扰控制 测量噪声 卡尔曼滤波器

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