[发明专利]一种基于FPGA的光束指向控制系统及其构建方法

说明书

本发明提供一种基于FPGA的光束指向控制系统，包括依次位于光束出射光路上的快速倾斜镜FSM1、快速倾斜镜FSM2、聚透镜、光束分束器及靶面，该系统还包括四象限探测器QD、核心处理模块、扰动模块和运动控制模块，上述三个模块基于FPGA实现；当系统处于测试阶段：利用已知噪声的扰动信号优化PID调节关系；当系统处于工作阶段：根据未知噪声的类型，选择对应的PID调节关系，然后根据光束角度实际偏移量计算倾斜镜FSM2的调节量，控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化，使靶面上的光斑质心位于设定位置。该系统能够对远场光束的质心漂移进行快速校准控制，且成本低稳定性高。

技术领域

本发明属于光束控制技术领域，具体地说涉及一种基于FPGA的光束指向控制系统及其构建方法。

背景技术

惯性约束聚变(ICF)大型激光装置需要将上百束高能脉冲激光精确引导并聚焦到靶点。这种激光装置通常采用与主光路激光严格同轴的连续模拟激光进行光路准直、引导及聚焦调整，并利用光路中的电动光学器件以及远场探测器实现对激光指向的闭环控制，从而实现多路强激光的高度聚焦，使其在很小的区域内形成极高光功率密度的光场。这种实现精确打靶的控制技术是世界各大高功率激光靶场光学工程的研究前沿。目前已有的光束指向控制系统大多采用科学CCD进行远场光斑信息采集，通过复杂的算法精确算出光束指向信息，最后由工控机计算出电动光学器件的控制量，如图1所示。

现有系统主要存在两方面问题，一方面，科学CCD不仅价格昂贵而且光束指向信息的计算方法比较复杂，很难满足普遍性和实时性，另一方面，由于科学CCD的接收功率有限，需要增加衰减片降低激光输入的能量，这样有可能会引起能量衰减过度，对能量质心的判断造成干扰，而且衰减片上的灰尘会引起衍射现象，从而影响质心的计算。

发明内容

本发明的目的是提出了一种基于FPGA的光束指向控制系统，该系统能够对远场光束的质心漂移进行快速校准控制，且成本低稳定性高。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于FPGA的光束指向控制系统，包括依次位于光束出射光路上的快速倾斜镜FSM1、快速倾斜镜FSM2、聚透镜、光束分束器及靶面，该系统还包括四象限探测器QD、核心处理模块、扰动模块和运动控制模块，上述三个模块基于FPGA实现；

当系统处于测试阶段：

所述扰动模块，根据光束质心位于靶面中心时倾斜镜角度偏移量生成模拟不同已知噪声的扰动信号；

所述运动控制模块，根据所述扰动信号或调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化；

所述四象限探测器，用于采集经光束分束器后分光光束的光斑，并将采集的光斑数据传输给核心处理模块；

所述核心处理模块，利用光斑能量分布计算出的光束角度实际偏移量、扰动信号所造成的干扰偏移量，利用PID调节关系生成使光束达到理想偏移角的倾斜镜FSM2调节量，并优化PID调节关系；

当系统处于工作阶段：

所述四象限探测器用于采集经光束分束器后分光光束的光斑，并将采集的光斑数据传输给核心处理模块；

所述核心处理模块，根据所述光斑质心变化判断未知噪声的类型，选择对应的PID调节关系，然后根据光斑能量分布计算出的光束角度实际偏移量，计算倾斜镜FSM2的调节量；

所述运动控制模块，根据倾斜镜FSM2的调节量控制倾斜镜FSM2的角度偏移量变化，使靶面上的光斑质心位于设定位置。