Lazer huzmesindeki optik seğirmenin bastırılmasına yönelik bir kontrolcü tasarımı
Controller design for suppression of the jitter in laser beam
Yazar: HARUN TURAN
Danışman: PROF. DR. ŞEREF NACİ ENGİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Lazer huzmesi yönlendirme teknolojisi (laser beam streering), yüksek enerjili lazer sistemleri (HEL), serbest-uzay optik haberleşmesi, optik litografi taraması, lazer kaynağı, lazerle malzeme kesme/işleme ve çeşitli biyomedikal uygulamaları gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Optik sistemin üzerinde bulunduğu platformun titreşimleri, atmosferik türbülans kaynaklı bozulmaları ve optik bileşenlerdeki üretim hataları yüzünden lazer huzmesinin belirli bir mesafede bulunan hedefte istenilen bir noktada sabit tutulmasında sapmalar meydana gelmektedir. Optik seğirme (jitter) denilen bu bozucuların en önemlisi lazer huzmesinin atmosferden geçerken karşılaştığı türbülans etkisidir. Lazer huzmesinin dalga cephesi bozulmaları Zernike polinomları ile modellenebilir. Lazer huzmesindeki birinci dereceden bozulmalar, lazer huzmesinin merkezinin hareketidir ve tip / tilt hatası olarak adlandırılır. Bu birinci dereceden hataları düzeltmek için hızlı yönlendirilebilen aynalar (Fast Streering Mirror, FSM) kullanılır. Bu tip sistemler, hızlı yönlendirilebilen ayna, lazer huzme merkezi algılayıcısı (Position Sensing Dedector, PSD) ve kontrolcü biriminden oluşur. Lazer huzmesinin merkezinde meydana gelen birinci dereceden tip/tilt bozulmaları PSD ile algılanarak bozulmanın tersi yönündeki kontrol sinyali FSM'ye uygulanır. Böylece lazer huzmesinde meydana gelen tip/tilt hataları düzeltilmiş olur. 
Son yıllarda özellikle savunma sanayisinde, huzme yönlendirme teknolojisi, optik haberleşme sistemlerinde ve lazer ile belirli bir mesafedeki hedefi hassas takip ve bertaraf etmekte yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Başarılı ve uygulanabilir bir sistem için belirli bir performans endeksi için optimal sonuç veren bir kontrolcü ile çözülmesi mümkündür. Ülkemizde bu teknoloji kullanarak çeşitli projeler yapılmasına rağmen burada kritik bileşen olan FSM'nin üretimi yapılamamaktadır. Bunun temel sebepleri, piezo seramik malzemeler ile piezo yığın (stack) yapısının oluşturulması, mekanik tasarımı ve modelleme/kontrol zorluğudur.  
Dinamik sistemlerin fiziksel yasalara dayalı matematiksel modelinin çıkarılması oldukça zor ve zaman alıcıdır. Bir sistemin modeli, sistem tanılama yöntemi ile sistem üzerinden elde edilen giriş/çıkış verileri kullanılarak elde edilebilir. Bu tez çalışmasında, hızlı yönlendirilebilen aynalı sistem için, ilk olarak gerçek sisteme ait giriş/çıkış verileri kullanılarak sistem tanılama yöntemiyle sistemin çok-girişli çok-çıkışlı (MIMO) durum uzay modeli bulunmuştur. Daha sonra elde edilen model kullanılarak lazer huzmesini optik seğirmenin en az etkisiyle hedef üzerinde belirli bir noktada sabit tutabilmek için LQR tabanlı optimal MIMO PID kontrolcüsü ile bozucu girişinden performans çıkışına olan sistemin H_∞ normunu minimize eden ayrıştırılmış ve MIMO yapıdaki PID kontrolcülerin tasarımı yapılarak deneysel düzenek üzerindeki başarımları gösterilmiştir.

Abstract:
Laser beam steering technology is used in many fields such as high energy laser systems (HEL), free-space optical communication, optical lithography scanning, laser welding, laser material cutting / processing and various biomedical applications. Due to the vibrations of the platform on which the optical system is located, atmospheric turbulence distortions and production defects in the optical components, deviations occur in keeping the laser beam stable at a desired point in the target at a certain distance. The most important of these disruptors that is called jitter, is the turbulence effect on laser beam encounter while passing through the atmosphere. The wave front distortions of the laser beam can be modeled with Zernike polynomials. First degree distortions in the laser beam are the motion of the center of the laser beam and are called tip / tilt errors. Fast Steering Mirrors (FSM) are used to suppress these first-order errors. These types of systems consist of FSM, laser beam Position Sensing Detector (PSD) and controller unit. First order tip / tilt distortions occurring in the center of the laser beam are detected with PSD and the control signal in the opposite direction of the distortion is applied to FSM. Thus, the tip / tilt errors occurring in the laser beam are corrected.
In recent years, especially in the defense industry, laser beam steering technology has been widely used in optical communication systems and to precisely track and destroy the target at a certain distance by using high energy laser. It is possible to solve with a controller that gives an optimal solution for a specified performance index for a successful and feasible system. Although there are various projects in our country using this technology, the production of FSM, which is a critical component, is not possible. The main reasons for this are piezo stack structure that consist of the piezo ceramic material, mechanical design and modeling / control difficulties.
The mathematical model of dynamic systems based on physical laws is very difficult and time consuming. The model of a system can be obtained with using the system identification by using input / output data obtained from the system. In this study, firstly, multi-input multi-output (MIMO) state space model of the system has been determined by using system identification. In order to keep the laser beam at a certain point on the target with the least effect of the jitter, the LQR based optimal MIMO PID controller and decentered and MIMO PID type H_∞ controllers are designed.  The performance of the designed controllers are shown by simulation and experimental results.