使用预加重技术增益补偿方法论电流镜的比例 - 积分 - 微分控制正弦扫描
2017年4月4日
我们提出通过使用预加重技术来扩展对应的频率的方法。该方法补偿了正弦波路径使用比例 - 积分 - 微分控制跟踪检流计镜的增益降低。
该程序的总体目标是演示一种在正弦波路径跟踪中补偿检流计镜增益降低的技术。使用比例-积分-微分控制进行运动模糊补偿。该方法可应用于光学工程领域的目标跟踪、扫描控制和运动模糊补偿等问题。
这种技术的主要优点是它依赖于预先配置的参数和输入输出比，并且不需要额外的活动等值线模型和硬件。在光学工作台上进行实验。并准备一个检流计镜安装在工作台上。
镜子应该放在定制的夹具中，以防止镜子及其主体在振荡过程中移动。将夹具和镜子放在光学支架中。然后，将支架固定到光学工作台上以继续。
使用配备 A/D D/A 板的计算机控制镜子。将正确连接的电缆从电路板延伸到镜子。在那里，将电缆连接到检流计镜的输入和位置插座。
在计算机上，为正弦波函数发生器使用图形用户界面。对界面进行编程，以在改变 Frequency 和 Amplitude 的同时执行多次试验。对于此实验，请在频率范围内使用外部循环。
将 Minimum frequency （最小频率） 设置为 100 赫兹。将 Maximum frequency （最大频率） 设置为 500 Hertz （500 赫兹）。将频率增加 100 赫兹。
内环路超过电压幅度。使用 10 毫伏的最小电压。对于最大电压，请使用 500 毫伏。
将电压增加 10 毫伏。将正弦波路径信号的持续时间输入为 2000 次采样。用计算机驱动镜子，同时记录其位置信号并确定其角度。
使用单独的文件保存每个频率和每个电压幅度的数据。收集完所有数据后，将输出振幅绘制为每个频率的输入振幅的函数。请注意，低频数据显示的输出幅度与输入幅度的函数关系大于高频。
这表明增益降低是频率的函数，该技术对此进行了补偿。排除非线性行为，并专注于绘图的近似线性部分，以获得预加重系数。这个实验需要一个镜子视图中的移动图像。
为此，请使用可以以每小时 30 公里的速度移动的传送带。该实验的图像是精细纹理图案，已打印到胶带上并贴在皮带上。现在，继续设置光学元件。
布置带有长焦镜头的相机，使其可以使用振镜跟踪传送带的运动。确保检流计镜连接到带有预加重软件的控制计算机。为了捕捉到不错的图像，请使用适当的光源照亮传送带。
在工作台上，为计算机显示器设置适当的镜头焦距。接下来，同步相机的镜像和曝光时间。然后，输入所需图像的相机设置。
此图说明了触发软件使用的时序。作为时间的函数，镜子角度由蓝色正弦曲线给出。红色三角形函数表示扫描的理想镜像角度与时间的关系。
当角度为零度并以正角速度移动时，将曝光时间居中。这是两条曲线相交的地方。将软件设置为提前触发摄像机一半的曝光时间，并稍后结束一半的曝光时间。
使用预加重软件，输入传送带速度（以公里/小时为单位）。然后，输入从相机到传送带的距离（以米为单位）。软件将计算所需的角速度。
接下来，输入驱动镜像的频率。软件将计算输入振幅。使用预加重软件中的振幅。
输入所有参数后，返回传送带。以软件中使用的速度启动传送带移动，以创建移动图像。启动控制软件并开始从相机录制图像。
控制器补偿振镜的惯性以改善图像模糊。在预加重技术之前，这是输出信号作为输入信号函数的图。应用技术后，这就是情节。
几乎所有的输出图都位于 y 等于 x 的线上。同样，在预加重技术之前，这是增益作为输入信号函数的曲线。应用该技术后，几乎所有的幅度图都在 y 等于零 dB 的线上。
这是放置在传送带上的图像，在传送带静止时显示。蓝线表示右侧配置文件的拍摄位置。当传送带以每小时 30 公里的速度移动并且没有激活运动模糊补偿时，这是相同的图像。
在这里，有运动模糊补偿，但预加重处于非激活状态。在此最终版本中，运动模糊补偿和预加重技术都处于活动状态。它代表了对其他两个选项的巨大改进。
一旦掌握，如果执行得当，这项技术可以在一小时内完成。该技术发展后，为光学工程领域的研究人员探索高速扫描中的运动模糊补偿铺平了道路。
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概述
本文介绍了一种补偿正弦波路径跟踪过程中电流计镜获得减少的方法。该技术利用比例-积分-微分控制来解决光学工程应用中的运动模糊问题。
关键研究组成部分
科学领域
- 光学工程
- 控制系统
- 运动跟踪
背景
- 电流计镜在精密光学应用中至关重要。
- 获得减少可能导致显著的跟踪误差。
- 比例-积分-微分控制是一种常见的运动控制方法。
- 补偿运动模糊在各种光学任务中至关重要。
研究目的
- 展示一种电流计镜获得减少的补偿技术。
- 提高正弦波路径跟踪的准确性。
- 消除对额外主动轮廓模型和硬件的需求。
所用方法
- 实施预加重技术。
- 使用比例-积分-微分控制。
- 在光学长凳上进行实验设置。
- 准备电流计镜进行测试。
主要结果
- 成功实现了获得减少的补偿。
- 在跟踪过程中有效最小化了运动模糊。
- 该方法在预配置参数下表现出可靠性。
- 确认消除了额外的硬件要求。
结论
- 所提出的方法增强了光学系统的跟踪准确性。
- 它为运动模糊补偿提供了一种成本效益的解决方案。
- 该技术可以广泛应用于各种光学工程领域。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method addresses gain reduction in galvanometer mirrors during sine-wave path tracking, a critical challenge in high-speed optical scanning systems. By using pre-emphasis techniques with proportional-integral-differential control, it enables consistent 0 dB gain across frequencies without additional hardware, improving tracking accuracy for motion-blur compensation. This supports predictive confidence in optical engineering workflows where precise beam positioning is required for target tracking and scanning applications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables precise optical control for high-resolution imaging in target validation assays.
- Operational Value: Reduces need for complex modeling by relying on input-to-output ratios for parameter configuration.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides stable beam positioning for consistent sample illumination in fluorescence-based screening.
- Operational Value: Allows rapid frequency and amplitude sweeps without PID retuning, increasing assay throughput.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports motion-blur-free imaging for longitudinal tracking in preclinical disease models.
- Operational Value: Uses pre-configured parameters updated per cycle, enabling real-time adaptation in dynamic imaging systems.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into optical control workflows where galvanometer mirrors direct laser beams for sample interrogation, particularly in systems requiring sine-wave scanning for motion-blur compensation.
- Discovery Biology: Improves hypothesis testing accuracy by minimizing tracking artifacts in live-cell imaging.
- Screening: Enhances reproducibility of optical readouts through stabilized mirror response across scanning frequencies.
- Analytics: Enables quantitative position feedback via pre-emphasis coefficients derived from input-output ratios.
- Translational Research: Facilitates continuity from discovery imaging to preclinical validation by maintaining tracking fidelity.
- Enterprise Reuse: Parameters are configurable per application, allowing platform-wide deployment without hardware changes.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in beam positioning, reduction of tracking-induced noise in optical data.
- Operational Value: Standardization through pre-configured coefficients, scalability across mirror types and scanning speeds.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions in assay development by minimizing false signals from motion blur.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted advancement of imaging platforms with reliable optical actuation.
Implementation Considerations
- Expertise in control systems and optical bench alignment.
- Galvanometer mirror with A/D D/A interface and position feedback.
- Software for sine-wave generation and pre-emphasis coefficient calculation.
- Calibration across frequency and amplitude ranges to derive linear response regions.
- Limitation: Technique optimized for sine-wave trajectories; less effective for non-sinusoidal scan patterns.
