针对平移误差检测的电容式边缘传感器的改进研究

To realize precise piston errors detecting plays an important role in co-phasing technologies of segmented telescope. The objective of this project is to accurately detect the displacement of equal or less than 5nm. Our study includes as follows: (1) Design a capacitive edge sensor by ourselves based on the previous research. (2)Establish a total error model for the edge capacitance sensor. (3) Design a piston errors detecting system based on the sensor. In order to solve the key scientific issue that how to accurately detect the piston errors of the segmented mirrors, the project will take the following advanced sensor technologies: (1)Weak signal detection technologies such as chaos method of capacitance micrometer detecting technology based on extended Floquent multiplier. (2)Sensor nonlinearity error correction algorithm based on support vector machine and genetic algorithm. (3)Sensor information fusion technology based on the concept of mutual information. The project has practical value for helping our segmented telescope construction and upgrading. In addition, the project results can also be applied to other ultra-precision optical instruments such as F-P filters.

平移误差的精确检测是拼接望远镜实现光学精共相环节的关键技术之一，其中电容式边缘传感器是实现这一任务的主要电学器件，然而，由于目前市场上并没有针对这一检测任务的传感器，类似的传感器也由于受到价格、核心技术等因素限制，未能得到广泛应用。针对拼接望远镜的精共相实现这一迫切需求，本项目在前期研究基础上，重点研究电容式边缘传感器的大行程、高精度的电路实现，建立电容式边缘传感器全误差模型，并根据精共相调解过程中该传感器必须与前一级调节环节的传感器协同工作这一现实，研究多传感器信息融合问题。涉及的关键技术包括最新的基于扩展Floquent乘子混沌方法的电容测微技术、基于FPGA的误差信息库和传感器误差数学建模技术，以及基于互信息理论的传感器信息融合技术。最终完成行程0-100um，分辨力小于5nm的针对平移误差检测的电容式边缘传感器，建立该传感器全误差模型，并确定一套与其他传感器深度协同工作的方法。

项目针对国内拼接镜面级的piston误差信息的检测实际需求，进行核心元件电容式边缘传感器改进研究。按照计划：项目执行期为2018年1月至2020年12月。项目按期完成，达到设计指标要求。 .项目执行工作包括：（1）展开针对piston检测的电容式边缘传感器改进电路设计研究。经过验证，已采用该方法在信号频率为10rad/s，幅值为0.001V，噪声采样率为100Hz，信噪比为-20.79db的情况下，相对误差达到5%，能够满足piston误差检测过程中对微弱信号检测的需求。（2）进行传感器系统的误差分析研究。传感器的误差修正模型是由这些经过大量的实验得到的数据而建立起来的。涉及到多类传感器信息融合的研究，针对同类传感器信息，运用椭圆矩阵改进过的置信理论进行数据预处理，再将贝叶斯估计与其他方法对比，证实了贝叶斯估计相对误差较小。（3）设计基于电容式边缘传感器的多级伺服系统。本项目在精共相检测的同时充分考虑共相调节多级伺服系统前一级的误差信息，采用多传感器信息组合选取的模型，利用基于信息熵理论中的互信息概念，采用最大相关和最小冗余性的准则选取误差信息，该算法能够协助我们合理分配多级传感器的误差信息，达到多传感器信息深度融合，协同工作的目的。此部分已经完成设计，实验室调节精度已经达到要求。.主要成果：研制针对piston检测的电容式边缘传感器。通过研究电容式微位移传感器，确定微位移检测与微弱信号调理的方式与方法；建立电容式边缘传感器的误差数学模型；研究拼接镜面精共相调节系统，掌握其核心检测单元和多伺服调节机构。完成基于电容式边缘传感器的piston误差检测系统。发表相关研究论文12篇和申请发明专利2项，授权1项。.本项目正是针对实现piston误差的精确检测这一关键技术的迫切需求而开展的一项工作。研究成果包括电容式边缘传感器、基于多传感器信息融合的误差模型和多级伺服共相调节系统等具有重要科学意义。