基于刀口差分电流反馈的光束原位自动对中方法及系统

本发明属于光束调控与位置反馈控制，具体涉及一种基于刀口差分电流反馈的光束原位自动对中方法及系统。

背景技术：

1、在同步辐射光束线中，光束通常依次经过前置镜、单色器、后置镜、狭缝等光学系统后到达实验终端。由于光束传播距离通常达到几十米甚至上百米，即使光源出射角存在微小变化，也会在传播过程中形成明显的位置漂移。此外，真空腔体安装误差、光学元件热漂移、机械振动以及束线结构变形等因素均会导致光束中心位置发生偏移。

2、现有狭缝装置主要用于限制光束尺寸、调节光束通量、去除杂散光及实现空间滤波，其通常仅通过调节上下挡光刀口之间的开度控制通光区域，而默认光束始终位于狭缝几何中心。当光束发生位置漂移时，容易造成光束非对称截断、有效通光区域减小、通量波动以及光束空间分布畸变，从而影响下游实验结果的稳定性和测量精度。

3、由于本发明采用上下挡光刀口调节狭缝开度，因此光束在水平方向的小范围偏移通常不会影响系统正常工作。而光束在竖直方向上的偏移将直接改变上下挡光刀口对光束的截获比例，从而影响狭缝对光束的对称截断效果。因此，实现光束竖直方向的实时自动对中，是同步辐射精密狭缝系统中的关键技术问题。

4、现有技术通常采用荧光屏结合ccd相机、四象限光电探测器或位置敏感探测器等外部检测设备获取光束位置信息，再根据检测结果调整光束位置。上述方案虽然能够实现光束位置检测，但仍存在以下不足：

5、（1）需要额外配置探测器、成像光路及安装空间，系统结构复杂；

6、（2）在同步辐射束线的高真空环境下，外部探测设备通常无法直接布置于真空腔体内部，需要增加观察窗或光学转换装置，系统集成难度较高；

7、（3）ccd相机、荧光屏及半导体位置探测器长期工作于高辐射环境下，易发生辐照损伤、热损伤或性能退化，影响系统长期稳定性；

8、（4）外部探测设备只能检测光束自身的位置，难以直接反映光束相对于狭缝刀口的实际偏移状态，因此难以实现基于狭缝位置的原位实时闭环控制。

9、针对上述问题，本发明提出了一种基于刀口差分电流反馈的光束原位自动对中方法及系统。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于刀口差分电流反馈的光束原位自动对中方法及系统。

2、为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：基于刀口差分电流反馈的光束原位自动对中方法，包括以下步骤：

3、s1：将狭缝开度调节至预设开度，使入射光束能够同时照射至上下挡光刀口边缘，以建立刀口电流检测条件；

4、s2：采集上挡光刀口产生的第一电流信号和下挡光刀口产生的第二电流信号；

5、s3：根据第一电流信号和第二电流信号计算总电流信号和归一化偏差信号，归一化偏差信号用于表征光束相对于狭缝中心的偏移程度；

6、s4：将总电流信号与预设的噪声门限阈值进行比较；当总电流信号大于或等于噪声门限阈值时，判定挡光刀口已截获光束，进入精密自动对中闭环控制模式并执行s5；当总电流信号小于噪声门限阈值时，判定系统进入探测盲区状态，退出精密自动对中闭环控制模式并执行s6；

7、s5：在精密自动对中闭环控制模式下，根据归一化偏差信号的符号判断光束的偏移方向，根据归一化偏差信号的幅值判断光束的偏移程度，据此确定狭缝移动平台的目标位移量，并驱动狭缝移动平台沿垂直于光束传播方向进行位移补偿，直至归一化偏差信号满足预设的对中误差条件，判定光束位于狭缝中心区域并完成自动对中；

8、s6：在扫描检索模式下，驱动狭缝移动平台沿预设方向进行步进扫描，并实时监测总电流信号；当检测到总电流信号重新大于或等于噪声门限阈值时，判定系统重新捕获光束信号，退出扫描检索模式并返回s5。

9、优选地，s6中，当第一电流信号和第二电流信号均小于噪声门限阈值时，判定系统处于双侧探测盲区状态，执行单向缺省扫描策略，即按照预设方向驱动狭缝移动平台连续步进搜索，直至重新检测到满足总电流信号大于或等于噪声门限阈值的有效光束信号。

10、优选地，s1中，在狭缝开度调节过程中暂停精密自动对中闭环控制模式；当狭缝开度调整完成且刀口位置稳定后，再启动精密自动对中闭环控制模式；每次狭缝开度发生变化后，均重新执行自动对中校准。

11、优选地，s5中，位移补偿采用串级双闭环控制，串级双闭环控制包括光束位置外环和平台位置内环；

12、光束位置外环以归一化偏差信号作为反馈量，根据光束的偏移方向和偏移程度生成狭缝移动平台的目标位置；

13、平台位置内环以目标位置与位置反馈传感器检测的狭缝移动平台的实际位置之间的位置误差作为反馈量，生成驱动指令控制第二压电驱动器驱动狭缝移动平台进行位移补偿，使狭缝移动平台的实际位置趋近目标位置。

14、优选地，s5中，光束位置外环采用闭环反馈控制算法，根据归一化偏差信号的比例、积分和微分分别计算控制分量，将各控制分量叠加后作为控制输出，驱动第二压电驱动器产生位移响应。

15、本发明还公开了一种基于刀口差分电流反馈的光束原位自动对中系统，包括：

16、光束位置检测模块，用于采集上挡光刀口产生的第一电流信号和下挡光刀口产生的第二电流信号，并根据第一电流信号和第二电流信号计算总电流信号和归一化偏差信号，归一化偏差信号用于表征光束相对于狭缝中心的偏移程度；

17、模式切换模块，用于将总电流信号与预设的噪声门限阈值进行比较，当总电流信号大于或等于噪声门限阈值时切换至精密自动对中闭环控制模式，当总电流信号小于噪声门限阈值时切换至扫描检索模式；

18、光束位置闭环控制模块，用于在精密自动对中闭环控制模式下，根据归一化偏差信号的符号判断光束的偏移方向，根据归一化偏差信号的幅值判断光束的偏移程度，据此生成目标位移量；

19、扫描检索模块，用于在扫描检索模式下，驱动狭缝移动平台沿预设方向进行步进扫描，并实时监测总电流信号，直至重新捕获光束信号后切换回精密自动对中闭环控制模式；

20、对中执行模块，包括狭缝移动平台和第二压电驱动器，用于根据目标位移量驱动狭缝移动平台沿垂直于光束传播方向进行位移补偿，以实现光束自动对中。

21、优选地，扫描检索模块中，当第一电流信号和第二电流信号均小于噪声门限阈值时，判定系统处于双侧探测盲区状态，扫描检索模块执行单向缺省扫描策略，即按照预设方向驱动狭缝移动平台连续步进搜索，直至重新检测到满足总电流信号大于或等于噪声门限阈值的有效光束信号。

22、优选地，对中执行模块在狭缝开度调节过程中暂停工作；当狭缝开度调整完成且刀口位置稳定后，对中执行模块再启动工作；每次狭缝开度发生变化后，对中执行模块均重新执行自动对中。

23、优选地，光束位置闭环控制模块包括串级双闭环控制结构，串级双闭环控制结构包括光束位置外环控制器和平台位置内环控制器；

24、光束位置外环控制器以归一化偏差信号作为反馈量，生成狭缝移动平台的目标位置；

25、平台位置内环控制器以目标位置与位置反馈传感器检测的狭缝移动平台的实际位置之间的位置误差作为反馈量，生成驱动指令控制第二压电驱动器进行位移补偿，使狭缝移动平台的实际位置趋近目标位置。

26、优选地，光束位置外环控制器采用闭环反馈控制算法，根据归一化偏差信号的比例、积分和微分分别计算控制分量，将各控制分量叠加后作为控制输出，驱动第二压电驱动器产生位移响应。

27、有益效果

28、1、本发明利用挡光刀口兼作电流检测电极，通过设置于挡光刀口与安装结构之间的绝缘层实现刀口电流信号的独立检测，无需额外配置ccd相机、荧光屏、四象限光电探测器或位置敏感探测器等外部光束位置探测装置即可实现光束位置的原位检测，降低真空腔体内的集成难度，避免外部探测设备在高辐射环境下长期工作易发生辐照损伤、热损伤或性能退化的问题。

29、2、本发明通过实时采集上下挡光刀口产生的刀口电流信号并计算归一化偏差信号，利用归一化偏差信号的符号直接判断光束偏移方向、利用归一化偏差信号的幅值判断光束偏移程度，实现了光束偏移方向的实时判定和偏移量的精确量化；同时，归一化偏差信号采用上下刀口电流的差值与总电流的比值形式，能够有效降低光源强度波动对位置检测结果的影响，提高自动对中精度和抗干扰能力。此外，通过将狭缝开度调节与自动对中采用时序分离，在狭缝开度调节过程中暂停自动对中闭环控制，待刀口位置稳定后再启动自动对中，有效避免控制系统将开度变化引起的电流变化误判为光束位置偏移。

30、3、本发明采用双自由度运动结构，通过第一自由度驱动上下挡光刀口作相对运动以调节狭缝开度，通过第二自由度驱动狭缝移动平台整体运动以实现光束自动对中，实现狭缝开度调节与光束自动对中功能的解耦控制；并通过联动杆连接上下滑块实现上下挡光刀口的对称开合，使狭缝中心位置在开度调节过程中保持基本不变，有效降低狭缝开合过程中产生的中心漂移，提高狭缝开度调节的对称性和重复定位精度。在精密自动对中闭环控制模式下，采用串级双闭环控制结构，光束位置外环以归一化偏差信号作为反馈量生成狭缝移动平台的目标位置，用于消除光束与狭缝之间的相对位置偏差；平台位置内环以目标位置与实际位置之间的位置误差作为反馈量生成驱动指令控制第二压电驱动器进行位移补偿，用于保证狭缝移动平台准确跟踪目标位置并抑制压电执行器的迟滞、蠕变、温漂及负载变化，实现了光束位置闭环与平台位置闭环的协同控制。