高精度光电编码器信号温度补偿技术研究

论文摘要

在航天领域中,空间卫星光通信、天基激光武器等空间应用技术是当前世界各发达国家优先发展的空间光电对抗技术,轨道特殊的卫星之间进行精确的捕获、跟踪与瞄准,即快速、精确的PAT技术成为发展这些空间对抗技术的关键技术难题。光电编码器作为卫星光通信终端粗瞄系统的重要组成部分,其性能直接影响着瞄准、捕获、跟踪的效果,而空间温变环境对其特性的影响问题,是卫星光通信研究中所关注的一个重要问题。本文从发光二极管和光电三极管的温度特性出发,分析了温度对光电编码器中光电发射/接收管的输出特性的影响;指出在空间较大的温变环境中,光栅信号的幅值和直流分量会产生明显的漂移,造成光栅信号质量下降,对AD转换精度、电子学细分误差以及系统的测角精度带来极大的影响;说明了光栅信号的温度补偿对保证光电编码器测角精度的必要性;并提出了一种对光栅信号进行自适应温度补偿的方法,该方法能够有效地消除光栅信号中的直流分量,并将信号幅值稳定在设计值附近。本文根据自动增益控制的原理,系统地进行了光栅信号自适应温度补偿系统的整体设计,进行了样机的研制,并且搭建了一套完整的硬件验证平台,最后对实验结果进行了分析。实验结果表明,该电路对空间环境温度范围内的光栅信号有良好的补偿效果,可以很好地解决空间较大的温变环境中光栅信号质量下降的问题,保证光电轴角编码器的测角精度。该方法具有精度高、实时性好、稳定性好等优点,在提高光电编码器可靠性、环境适应性方面有极大的现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 国内外现状与发展趋势
• 1.3 课题背景及研究的目的与意义
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 光电编码器的结构及测角原理
• 2.1 光电编码器的基本结构
• 2.2 光电编码器的测角原理
• 2.3 莫尔条纹的形成及特点
• 2.3.1 莫尔条纹的形成与几何特性
• 2.3.2 莫尔条纹的信号分析
• 2.3.3 衡量光栅莫尔条纹信号质量的指标
• 2.4 裂相指示光栅的原理及作用
• 2.5 电子学细分技术
• 2.6 本章小结
• 第3章 温度对光电编码器测角精度的影响分析
• 3.1 温度对光电发射/接收管输出特性的影响分析
• 3.1.1 温度对发光二极管参数的影响
• 3.1.2 温度对光电三极管参数的影响
• 3.1.3 温度对光电发射/接收管输出特性的影响
• 3.2 光栅信号质量对测角精度的影响分析
• 3.2.1 光栅信号幅度变化对AD转换精度的影响
• 3.2.2 光栅信号幅值不相等对测角精度的影响
• 3.2.3 光栅信号直流分量对测角精度的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 自适应温度补偿系统的设计
• 4.1 自动增益控制的相关理论
• 4.2 自适应温度补偿系统的设计原理
• 4.2.1 自适应系统的硬件电路设计
• 4.3 自适应温度补偿系统的软件设计
• 4.3.1 PID控制算法
• 4.3.2 主程序模块
• 4.3.3 粗调模块
• 4.3.4 PID控制模块
• 4.3.5 A/D转换模块
• 4.3.6 数据处理模块
• 4.3.7 反馈控制输出模块
• 4.4 系统抗干扰技术研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 自适应温度补偿系统实验
• 5.1 实验装置
• 5.2 实验方案
• 5.3 实验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢