[发明专利]一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法

权利要求书

1.一种四自由度激光指向控制系统，其特征在于，包括：

CO₂激光器，用于发出激光光束；

指向调节模块，包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜，用于调节所述激光光束的指向；

分光模块，用于将所述激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；所述第一光束轰击锡靶；所述第二光束传输至指向位置监测模块；

所述指向位置监测模块，包括第一相机和第二相机，用于分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；

工控机，分别与所述指向位置监测模块和所述指向调节模块电连接，用于根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，以实时调整所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置重合；

所述工控机，具体用于根据当前时刻所述第一相机、所述第二相机中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，以及耦合系数关系矩阵，实时计算出下一时刻给所述第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值；根据第一公式对所述耦合系数关系矩阵进行表征；所述第一公式为：

其中，ΔCAM_X1、ΔCAM_Y1、ΔCAM_X2、ΔCAM_Y2为所述第一相机、所述第二相机中测量到的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，A为所述耦合系数关系矩阵，ΔX₁和ΔX₂分别为两个压电促动器在X轴的位移变化量，ΔY₁和ΔY₂分别为两个压电促动器在Y轴的位移变化量，ΔU_X1和ΔU_X2分别为给两个压电促动器在X轴方向上的驱动电压变化值，ΔU_Y1和ΔU_Y2分别为给两个压电促动器在Y轴方向上的驱动电压变化值，K为压电促动器输出位移量与输入电压值的比例系数，B＝AK。

2.根据权利要求1所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述工控机，具体用于根据第二公式实时计算出第k个闭环周期后的给压电促动器双轴施加的驱动电压值；所述第二公式为：

其中，ΔCAM(k)与ΔCAM(k-1)分别代表第(k-1)和第k个采样周期下所述第一相机、所述第二相机中测量得到的激光光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，K_p为PI控制器中的比例系数，K_I为PI控制器中的积分系数。

3.根据权利要求2所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述指向调节模块还包括：分别与所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜电连接的压电陶瓷驱动器，以及与所述压电陶瓷驱动器电连接的数模转换器；其中，

所述第一压电陶瓷偏摆镜，用于将所述激光光束反射至所述第二压电陶瓷偏摆镜；

所述第二压电陶瓷偏摆镜，用于将所述激光光束反射至所述分光模块；

所述压电陶瓷驱动器，用于驱动所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜；

所述数模转换器，用于将所述工控机输出的数字信号转换为模拟信号，并将所述模拟信号提供给所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜。

4.根据权利要求3所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述指向位置监测模块还包括：衰减镜，第一分束镜，反射镜，第一凸透镜；其中，

所述衰减镜，用于将所述第二光束进行衰减处理；

所述第一分束镜，用于处理后的所述第二光束分光成相互垂直的第三光束和第四光束；所述第三光束直接入射至所述第一相机的靶面，形成近场光斑；所述第四光束通过所述反射镜反射后，经所述第一凸透镜聚焦，并入射至所述第二相机的靶面，形成远场光斑。

5.根据权利要求4所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述指向位置监测模块还包括：位于所述衰减镜和所述第一分束镜之间的光阑；

所述光阑，用于过滤掉所述第二光束周围的杂散光。