使用预加重技术对比例-积分-微分控制下检流计镜正弦扫描进行增益补偿的方法

本实验的总体目标是展示一种用于补偿振镜在正弦波路径跟踪过程中增益下降的技术。通过采用比例-积分-微分控制实现运动模糊补偿。该方法可应用于光学工程领域中的目标跟踪、扫描控制以及运动模糊补偿等问题。

该技术的主要优势在于其依赖于预设参数和输入-输出比率，无需额外的主动轮廓模型和硬件。在光学平台上进行实验，并准备一个安装在平台上的检流计镜。

应将反射镜置于定制的夹具中，以防止反射镜及其镜体在振荡过程中发生移动。将夹具和反射镜放入光学支架中，然后将支架固定在光学平台上以继续后续操作。

使用配备 A/D D/A 板的计算机控制反射镜。将正确连接的电缆从该板延伸至反射镜，并将电缆连接到检流计反射镜的输入和位置插孔。

在计算机上，使用正弦波函数发生器的图形用户界面。对界面进行编程，以在改变频率和振幅的情况下执行多次试验。本实验中，采用针对频率范围的外层循环。

将最低频率设置为 100 Hertz。将最高频率设置为 500 Hertz。以 100 Hertz 为步长递增频率。

内层循环针对电压幅值进行。最小电压使用10毫伏，最大电压使用500毫伏。

以10毫伏为步长逐步增加电压。将正弦波路径信号的持续时间设为2000个采样点。通过计算机驱动镜面，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值的数据。待所有数据采集完成后，针对每个频率绘制输出幅值随输入幅值变化的曲线。注意，低频数据的输出幅值随输入幅值的变化关系比高频数据更大。

这展示了增益随频率变化而降低的情况，本技术可对此进行补偿。排除非线性行为，重点关注曲线图中近似线性的部分，以获得预加重系数。本实验要求在镜面视野中存在运动图像。

为此，使用一条运行速度为 30 千米/小时的传送带。本实验所用图像——一种精细纹理图案——已打印在胶带上并贴附于传送带表面。接下来，开始设置光学元件。

架设一台配备长焦镜头的相机，使其能够利用振镜来追踪传送带的运动。确保振镜通过预加重软件与控制计算机相连。为了获得清晰的图像，需使用适当光源对传送带进行照明。

在实验台处，为计算机显示屏设置合适的镜头焦距。接下来，调整相机的反射镜和曝光时间以实现同步。然后，根据预期图像输入相机设置参数。

该图像展示了触发软件所使用的时间控制。随时间变化，镜面角度由蓝色正弦曲线表示。红色三角函数表示随时间变化的扫描理想镜面角度。

当角度为零度且以正角速度运动时，将曝光时间居中。此位置即两条曲线的交点。将软件设置为在曝光时间的一半之前触发相机，并在曝光时间的一半之后结束。

使用预加重软件，输入传送带速度，单位为千米每小时。然后输入相机到传送带的距离，单位为米。软件将计算所需的角速度。

接下来，输入驱动镜面的频率。软件将计算输入振幅。在预加重软件中使用该振幅。

输入所有参数后，返回传送带。以软件中设定的速度启动传送带，使其产生运动图像。启动控制软件，并开始从相机记录图像。

控制器通过补偿振镜的惯性来改善图像模糊。应用预加重技术之前，输出信号随输入信号变化的曲线如下图所示；应用该技术之后，输出信号的曲线如下图所示。

几乎所有输出图都位于直线 y 等于 x 上。类似地，在应用预加重技术之前，这是增益随输入信号变化的图。应用该技术后，几乎所有幅度图都位于 y 等于零 dB 的直线上。

这是放置在传送带上的图像，显示传送带静止时的状态。蓝线表示右侧轮廓图的取样位置。当传送带以每小时30公里的速度移动且未启用运动模糊补偿时，该图像呈现为这样。

此处进行了运动模糊补偿，但预加重技术未启用。在此最终版本中，运动模糊补偿和预加重技术均处于启用状态。与之前两种方案相比，该方案具有显著改进。

一旦掌握，若操作得当，该技术可在一小时内完成。该技术问世后，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奠定了基础。