Preview

Машиностроение и компьютерные технологии

Расширенный поиск

Применение адаптивной фильтрации для улучшения работоспособности адаптивных оптических систем. Аналитический обзор

https://doi.org/10.24108/0219.0001461

Полный текст:

Аннотация

Для адаптивных оптических систем (АОС), устанавливаемых в оптический тракт лазерных установок авиационного базирования, характерным является наличие изменяющихся входных световых сигналов. Эти сигналы обрабатываются датчиком волнового фронта. Качество коррекции волнового фронта излучения зависит от того, насколько правильно будет принят и обработан быстро изменяющийся входной сигнал. При работе с такими сигналами применяют адаптивную фильтрацию (АФ), которая позволяет автоматически приспосабливаться (адаптироваться) к изменяющимся условиям входного сигнала. Адаптивная фильтрация применяется в алгоритмах управления адаптивными оптическими системами.

В работе даны краткие теоретические основы АФ в применении к АОС. АФ с обратной связью может применяться для: а) предсказания, б) идентификации неизвестной системы, в) выравнивания характеристик, г) подавления помех. Суть адаптивной фильтрации сводится к управлению весовыми коэффициентами входного сигнала, которые складываются в выходной сигнал. В процессе управления минимизируется разница между опорным и выходным сигналами. Математически это сводится к определению глобального минимума целевой функции. Среди методов поиска этого минимума рассмотрены следующие: метод Ньютона, метод наискорейшего спуска и его модифицированный вариант – метод наименьших квадратов (LMS), рекурсивный алгоритм АФ по критерию наименьших квадратов (RLS). Сформулированы требования к выбору адаптивного алгоритма.

Рассмотрено непосредственное применение методов АФ в алгоритмах управления АОС, входящих в бортовые лазерные установки. Проанализированы работы как по усовершенствованию функционирования классических контуров управления АОС (построенных на основе ПИД-регуляторов с фиксированными во времени усилениями) добавлением в схему различных адаптивных устройств, так и прямым использованием адаптивных фильтров и алгоритмов управления, связанных с ними. Адаптивная фильтрация дала положительные результаты как в подавлении множественных узкополосных вибраций, присущих самолету-носителю, так и широкополосных дрожаний за счет турбулентной атмосферы, включая аэро-оптические аберрации волнового фронта лазерного излучения.

Для более успешного применения методов адаптивной фильтрации к задачам управления АОС требуется дальнейшее осмысление и исследование возможностей их практической реализации для конкретных применений адаптивной оптики.

Об авторе

Ю. И. Шанин
Научно-исследовательский институт научно-производственное объединение «ЛУЧ», Подольск
Россия

Шанин Юрий Иванович

Ведущий начный сотрудник, к.т.н., с.н.с.

Закончил кафедру Э-1 МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1977 г.

Закончил аспирантуру кафедры Э-6 МВТУ им. Н.Э Баумана в 1980 г.

Работаю на Луче с 1981 г.

 



Список литературы

1. Адаптивные фильтры / П.М. Грант и др.; под ред. К.Ф.Н. Коуэна, П.М. Гранта: пер. с англ. М.: Мир, 1988. 388 с. [Adaptive filters / Ed. by C.F.N. Cowan and P.M. Grant. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 1985. 308 p.].

2. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989. 439 с. [Widrow B., Stearns S.D. Adaptive signal processing. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 1985. 474 p.].

3. Шанин Ю.И., Черных А.В. Системы автоматического регулирования адаптивных оптических систем. Аналитический обзор. Часть 1: Управление АОС бортовых лазерных установок // Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 3. С. 51-68. DOI: 10.24108/0318.0001341

4. Tyson R.K. Principles of adaptive optics. 4th ed. Boca Raton: CRC Press, 2015. 360 p.

5. Джиган В.И. История, теория и практика адаптивной обработки сигналов. Режим доступа: http://www.mes-conference.ru/data/year2012/pdf/D10.pdf (дата обращения 26.02.2019).

6. Джиган В.И. Адаптивная фильтрация сигналов: теория и алгоритмы. М.: Техносфера, 2013. 527 с.

7. Корн Г.А., Корн Т.М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы: пер. с англ. 5-е изд. М.: Наука, 1984. 831 с. [Korn G.A., Korn T.M. Mathematical handbook for scientists and engineers. Definitions, theorems and formulas. N.Y.: McGraw-Hill, 1961. 943 p.].

8. Джиган В.И. Адаптивные фильтры и их приложения в радиотехнике и связи // Современная электроника. 2009. № 9. С. 56-63.

9. Шанин Ю.И., Черных А.В. Проблемы аэро-оптики и адаптивные оптические системы. Аналитический обзор // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана: Электрон. журн. 2017. № 7. С. 136-157. DOI: 10.7463/0717.0001257

10. Barton D.K., Falcone R., Kleppner D., Lamb F.K., Ming K. Lau, Lynch H.L., Moncton D., Montague D., Mosher D.E., Priedhorsky W., Tigner M., Vaughan D.R. Report of the American Physical Society Study Group on Boost-Phase Intercept Systems for National Missile Defense: Scientific and Technical Issues // Reviews of Modern Physics. 2004. Vol. 76. No. 3. S1-S420. DOI: 10.1103/RevModPhys.76.S1

11. Orzechowski P.K., Chen N., Gibson J.S., Tsu-Chin Tsao. Adaptive control of jitter in a laser beam pointing system // 2006 American Control Conf. (Minneapolis, MN, USA, June 14-16, 2006): Proc. N.Y.: IEEE, 2006. 6 p. DOI: 10.1109/ACC.2006.1656631

12. Beerer M.J., Hyungjoo Yoon, Agrawal B.N. Adaptive filter techniques for optical beam jitter control // Proc. of the Soc. of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2009. Vol. 7338. Рp. 733802-1 – 733802-12. DOI: 10.1117/12.818634

13. Orzechowski P.K., Tsu-Chin Tsao, Gibson J.S. The effect of computational delay on performance of adaptive control systems // ASME 2006 Intern. Mechanical Engineering Congress and Exposition (Chicago, Illinois, USA, November 5-10, 2006): Proc. N.Y.: ASME, 2006. Pp. 129-135. DOI: 10.1115/IMECE2006-15255

14. Corley M.S., Masaki Nagashima, Agrawal B.N. Beam control and a new laboratory testbed for adaptive optics in a maritime environment // 2010 IEEE Aerospace Conf. (Big Sky, MT, USA, March 6-13, 2010): Proc. N.Y.: IEEE, 2010. Pp. 1-13. DOI: 10.1109/AERO.2010.5446710

15. Orzechowski P.K., Neil Yinan Chen, Gibson J.S., Tsu-Chin Tsao. Optimal suppression of laser beam jitter by high-order RLS adaptive control // IEEE Trans. on Control Systems Technology. 2008. Vol. 16. No. 2. Рp. 255-267. DOI: 10.1109/TCST.2007.903377

16. Orzechowski P.K., Gibson J.S., Tsu-Chin Tsao. Characterization of optimal FIR gains and minimum-variance performance for adaptive disturbance rejection // 2007 American Control Conf. (New York, NY, USA, July 9-13, 2007): Proc. N.Y.: IEEE, 2007. Рp. 1908-1913. DOI: 10.1109/ACC.2007.4283146

17. Orzechowski P.K., Gibson J.S., Tsu-Chin Tsao, Herrick D., Milind Mahajan, Bing Wen. Adaptive suppression of optical jitter with a new liquid crystal beam steering device // Proc. of the Soc. of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2007. Vol. 6569. 12 p. DOI: 10.1117/12.723302

18. Orzechowski P.K., Gibson J.S., Tsu-Chin Tsao, Herrick D., Beazel V., Milind Mahajan, Bing Wen, Winker B. Nonlinear adaptive control of optical jitter with a new liquid crystal beam steering device // 2008 American Control Conf. (Seattle, WA, USA, June 11-13, 2008): Proc. N.Y.: IEEE, 2008. Рp. 4185-4190. DOI: 10.1109/ACC.2008.4587150

19. Gibson J.S., Lee G.H., Wu C.-F. Least-squares estimation of input/output models for distributed linear systems in the presence of noise// Automatica. 2000. Vol. 36. No. 10. Pp. 1427-1442. DOI: 10.1016/S0005-1098(00)00059-5

20. Perez Arancibia N.O., Neil Chen, Gibson J.S., Tsu-Chin Tsao. Variable-order adaptive control of a microelectromechanical steering mirror for suppression of laser beam jitter // Optical Engineering. 2006. Vol. 45. No. 10. Pp. 104206-104216. DOI: 10.1117/1.2363189

21. Perez Arancibia N.O., Gibson J.S., Tsu-Chin Tsao. Frequency-weighted minimum-variance adaptive control of laser beam jitter // IEEE/ASME Trans. on Mechatronics. 2009. Vol. 4. No. 3. Pp. 337-348. DOI: 10.1109/TMECH.2009.2017532

22. Perez Arancibia N.O., Neil Chen, Gibson J.S., Tsu-Chin Tsao. Adaptive control of jitter in laser beam pointing and tracking // Proc. of the Soc. of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2006. Vol. 6304. Pp. 63041G-63048G. DOI: 10.1117/12.681302

23. Watkins R.J. The adaptive control of optical beam jitter: Doct. diss. 2004. Режим доступа: https://calhoun.nps.edu/handle/10945/45447 (дата обращения 23.03.2019).

24. Beerer M.J. Adaptive filter techniques for optical beam jitter control and target tracking: Cand. diss. 2008. Режим доступа: https://calhoun.nps.edu/handle/10945/3802 (дата обращения 24.03.2019).

25. Frist D.C. Improved beam jitter control methods for high energy laser systems: Cand. diss. 2009. Режим доступа: https://calhoun.nps.edu/handle/10945/4439 (дата обращения 24.03.2019).

26. Corley M.S. Maritime adaptive optics beam control: Doct. diss. 2010. Режим доступа: https://calhoun.nps.edu/handle/10945/10559 (дата обращения 24.03.2019).

27. Kim B.-S., Gibson J.S., Tsu-Chin Tsao. Adaptive control of a tilt mirror for laser beam steering // 2004 American Control Conf. (Boston, MA, USA, June 30 – July 2, 2004): Proc. N.Y.: IEEE, 2004. Vol. 4. Pp. 3417-3421. DOI: 10.23919/ACC.2004.1384437

28. Watkins R.J., Hong-Yen Chen, Agrawal B.N., Young S. Shin. Optical beam jitter control // Proc. of the Soc. of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2004. Vol. 5338. Рp. 204-213. DOI: 10.1117/12.529457

29. Yu-Tai Liu, Gibson J.S. Adaptive control in adaptive optics for directed- energy systems // Optical Engineering. 2007. Vol. 46. No. 4. Pp. 046601-1-046601-13. DOI: 10.1117/1.2724839

30. Gibson J.S., Tesch J., Jumper E., Gordeyev S. Identification, prediction and control of aero optical wavefronts in laser beam propagation // 42nd AIAA Plasmadynamics and Laser Conf. (Honolulu, Hawaii, USA, June 27-30, 2011): Proc. Wash.: AIAA, 2011. 11 p. DOI: 10.2514/6.2011-3276

31. Tesch J., Gibson J.S. Optimal and adaptive correction of aero-optical wavefronts in an adaptive optics experiment // Proc. of the Soc. of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2011. Vol. 8165. 12 p. DOI: 10.1117/12.894193

32. Burns W.R., Jumper E.J., Gordeyev S. A latency-tolerant architecture for airborne adaptive optic systems // 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting (Kissimmee, FLA, USA, January 5-9, 2015): Proc. Wash.: AIAA, 2015. 15 p. DOI: 10.2514/6.2015-0679

33. Jumper E.J., Zenk M.A., Gordeyev S.V., Cavalieri D.A., Whitely M.R. Airborne aero-optics laboratory // Optical Engineering. 2013. Vol. 52. No. 7. Р. 071408. DOI: 10.1117/1.OE.52.7.071408071408


Для цитирования:


Шанин Ю.И. Применение адаптивной фильтрации для улучшения работоспособности адаптивных оптических систем. Аналитический обзор. Машиностроение и компьютерные технологии. 2019;(2):34-60. https://doi.org/10.24108/0219.0001461

For citation:


Shanin Y.I. Using an Adaptive Filtration to Improve Adaptive Optical Systems Performance. Analytical Review. Mechanical Engineering and Computer Science. 2019;(2):34-60. (In Russ.) https://doi.org/10.24108/0219.0001461

Просмотров: 71


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2587-9278 (Online)