激光對準(zhǔn)快速反射鏡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

彭樹萍，王偉國，于洪君

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春130033）

激光對準(zhǔn)快速反射鏡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

彭樹萍，王偉國，于洪君

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春130033）

為了校正激光發(fā)射設(shè)備中激光對準(zhǔn)光路的偏差，設(shè)計(jì)了一種激光對準(zhǔn)快速反射鏡控制系統(tǒng)。采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，控制快速反射鏡在互相垂直的兩個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，校正激光光路的偏差，達(dá)到了精確控制激光光路的目的。對激光對準(zhǔn)快速反射鏡的工作原理和設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并利用對準(zhǔn)控制機(jī)箱等硬件設(shè)備對軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，快速反射鏡控制系統(tǒng)在小角度工作范圍內(nèi)方位誤差和俯仰誤差均方根都小于1″，即控制精度小于1″。該系統(tǒng)能夠很好地控制快速反射鏡進(jìn)行2維運(yùn)動(dòng)，軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)都是正確可靠的，能夠滿足激光對準(zhǔn)控制系統(tǒng)精確控制激光光路的要求。

激光技術(shù)；快速反射鏡；對準(zhǔn)控制；步進(jìn)電機(jī)

引 言

隨著激光武器的發(fā)展，人們對激光器發(fā)射精度的要求越來越高。在激光發(fā)射設(shè)備中，包含了大量的激光器件、光學(xué)元件和組件。在復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)中，需要將光學(xué)元件放置在幾個(gè)平臺(tái)上，各平臺(tái)之間允許有一定的相對運(yùn)動(dòng)，但要求全系統(tǒng)共軸［1］。如在高能激光技術(shù)中，激光器和光束發(fā)射系統(tǒng)分別位于兩個(gè)平臺(tái)上，當(dāng)兩個(gè)平臺(tái)相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求兩個(gè)平臺(tái)上的光學(xué)元件實(shí)時(shí)共軸。目前，國內(nèi)外都有激光自動(dòng)對準(zhǔn)方面的研究，很多采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式快速反射鏡精確控制光束實(shí)現(xiàn)激光的自動(dòng)對準(zhǔn)［2-4］。而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式快速反射鏡成本較高且驅(qū)動(dòng)電壓大，因此作者所在單位采用自行研制開發(fā)的快速反射鏡，用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。為此，本文中研究了一種激光對準(zhǔn)快速反射鏡控制系統(tǒng)來控制該快速反射鏡調(diào)節(jié)激光發(fā)射系統(tǒng)的光路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對準(zhǔn)。激光對準(zhǔn)快速反射鏡控制系統(tǒng)的主要作用是控制快速反射鏡繞兩個(gè)互相垂直并相交的軸旋轉(zhuǎn)，可以對光束方向進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的修正，實(shí)現(xiàn)由靜態(tài)對準(zhǔn)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測和校正的轉(zhuǎn)變［5-7］，精確控制激光發(fā)射方向。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 工作原理

激光對準(zhǔn)控制系統(tǒng)由光束監(jiān)測系統(tǒng)、CCD、合束鏡、激光器、快速反射鏡控制系統(tǒng)等組成。激光對準(zhǔn)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。激光器發(fā)出的激光經(jīng)快速反射鏡反射后到達(dá)合束鏡，通過鍍膜實(shí)現(xiàn)將入射激光的99.5％反射，將入射激光的0.3％透射［8-9］。透射光經(jīng)衰減片后到達(dá)CCD成像鏡頭，并在其上成像。光束監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測CCD像點(diǎn)的位置，可實(shí)現(xiàn)對激光器發(fā)出的光束方向的高精度監(jiān)測。快速反射鏡控制系統(tǒng)根據(jù)光束監(jiān)測系統(tǒng)給出的光束偏差量控制快速反射鏡運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到校正激光光路的目的。為了防止激光光斑在CCD相面上飽和，可以根據(jù)需要選擇合適的衰減片［10-12］。

Fig.1 Principle of laser autocollimator control system

激光對準(zhǔn)快速反射鏡控制系統(tǒng)的原理如圖2所示。激光器發(fā)射激光后，激光進(jìn)入光路監(jiān)測系統(tǒng)中，根據(jù)光路監(jiān)測系統(tǒng)給出的光路偏差量控制快速反射鏡在兩個(gè)互相垂直的方向上運(yùn)動(dòng)，然后判斷光路偏差量是否為0，即光路是否已經(jīng)對準(zhǔn)，如果沒有對準(zhǔn)，則繼續(xù)進(jìn)行控制快速反射鏡運(yùn)動(dòng)，否則結(jié)束控制。

Fig.2 Principle of control system of fast reflector

Fig.3 Mechanical structure of fast reflector

激光對準(zhǔn)控制系統(tǒng)中的快速反射鏡采用作者所在單位自行研發(fā)設(shè)計(jì)的鋁質(zhì)鍍膜兩維反射鏡，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示?？焖俜瓷溏R機(jī)構(gòu)通過方位、俯仰兩個(gè)直線步進(jìn)電機(jī)分別帶動(dòng)方位和俯仰楔塊移動(dòng)，經(jīng)過楔形摩擦副使快速反射鏡分別繞方位、俯仰兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)快速反射鏡機(jī)構(gòu)原理，楔塊在垂直方向的移動(dòng)量和步進(jìn)電機(jī)步長之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可由下式表示：

式中，β為楔塊的楔角，β=4°；H為楔塊在垂直方向的移動(dòng)量；t為步進(jìn)電機(jī)步長，t=0.003048mm。計(jì)算得到H=2.13×10-4mm。

因此，根據(jù)快速反射鏡回轉(zhuǎn)半徑R和楔塊在垂直方向的移動(dòng)量H，就可以算出快速反射鏡控制系統(tǒng)的分辨率V，見下式：

本設(shè)計(jì)中采用的快速反射鏡回轉(zhuǎn)半徑R= 5mm，可以計(jì)算出V=0.58″，即快速反射鏡控制系統(tǒng)的分辨率為0.58″，滿足對準(zhǔn)控制系統(tǒng)分辨率的要求。

1.2 工作范圍

激光對準(zhǔn)控制系統(tǒng)中選定的CCD攝像機(jī)型號(hào)為Basler公司的PIA24000攝像機(jī)，它的主要參量如表1所示。

Table 1 Main parameters of CCD

由表1可知，PIA24000型CCD攝像機(jī)像元尺寸為3.45μm×3.45μm，像素為2448（水平）×2050（垂直）。

激光對準(zhǔn)控制系統(tǒng)中CCD前端的光學(xué)系統(tǒng)焦距f=250mm；經(jīng)過計(jì)算可知，CCD相機(jī)方位視場角為1.94°，俯仰視場角為1.62°。

根據(jù)快速反射鏡在激光對準(zhǔn)控制系統(tǒng)中的位置，快速反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)γ角度，則對應(yīng)返回CCD的光線轉(zhuǎn)動(dòng)4γ角度。

因此，若要保證返回CCD的光線不超出CCD視場，則計(jì)算得出反射鏡的方位轉(zhuǎn)角范圍為±14.6′，俯仰轉(zhuǎn)角范圍為±12.1′。

2 設(shè)計(jì)過程

2.1 硬件設(shè)計(jì)

激光對準(zhǔn)快速反射鏡控制板的主要性能參量如表2所示。

Table 2 Main capability parameters of the circuit board of fast reflector control system

激光對準(zhǔn)快速反射鏡控制系統(tǒng)的硬件組成原理如圖4所示。

Fig.4 Principle of the hardware of fast reflector of control system

對準(zhǔn)控制硬件系統(tǒng)采用dsPIC30F4011作為控制芯片，對其進(jìn)行外圍電路的擴(kuò)展。由于快速反射鏡需要在方位和俯仰兩個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，因此采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。對準(zhǔn)控制板上擴(kuò)展了兩路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，分別驅(qū)動(dòng)方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用UP2HB01芯片，并采用光耦進(jìn)行信號(hào)隔離，提高抗干擾性。采用SP489差分接收芯片和SP487差分發(fā)送芯片擴(kuò)展422通訊接口，與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。外部接口包括方位步進(jìn)電機(jī)接口、俯仰步進(jìn)電機(jī)接口、方位限位開關(guān)接口、俯仰限位開關(guān)接口。對準(zhǔn)控制系統(tǒng)采用的是兩相直線式步進(jìn)電機(jī)。

整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，由dsPIC30F4011發(fā)送脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號(hào)、方向信號(hào)和使能信號(hào)給方位步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和俯仰步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出信號(hào)分別是A+，A-，B+，B-，它們分別控制步進(jìn)電機(jī)的A相和B相繞組，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過改變PWM輸出頻率來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度，通過改變方向信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)正向和反向運(yùn)轉(zhuǎn)，通過改變使能信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)和停止。本設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī)是兩相直線式步進(jìn)電機(jī)，它的型號(hào)是35H4N-05-122，主要技術(shù)參量如表3所示。

Table 3 Technical parameters of step motor

2.2 軟件設(shè)計(jì)

快速反射鏡控制軟件主程序流程如圖5所示。主控計(jì)算機(jī)根據(jù)對準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)的測量值進(jìn)行判斷是否已經(jīng)對準(zhǔn)，將控制命令發(fā)送給快速反射鏡控制系統(tǒng)?？焖俜瓷溏R控制軟件接收到主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制命令后進(jìn)行解包處理。然后進(jìn)行判斷，如果是電機(jī)正轉(zhuǎn)命令，則輸出PWM波控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果是電機(jī)反轉(zhuǎn)命令，則輸出PWM波控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，如果是電機(jī)停轉(zhuǎn)命令，則停止輸出PWM波，使電機(jī)停止。最后將對準(zhǔn)控制信息包括限位開關(guān)狀態(tài)信息、故障信息等發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該激光對準(zhǔn)快速反射鏡控制系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)的正確性，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)對準(zhǔn)控制機(jī)箱，該機(jī)箱內(nèi)部組成如圖6所示。對準(zhǔn)控制機(jī)箱內(nèi)部包括：電路板電源、電機(jī)電源、通訊板、快速反射鏡控制板及對外接口。

Fig.5 Flow chart of themain software procedure of fast reflector control system

對準(zhǔn)控制機(jī)箱的前后面板如圖7所示。對準(zhǔn)控制機(jī)箱的前面板有3個(gè)開關(guān)和3個(gè)接口。3個(gè)開關(guān)分別是電源開關(guān)、方位開關(guān)和俯仰開關(guān)。方位開關(guān)和俯仰開關(guān)分別控制方位電機(jī)和俯仰電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。3個(gè)接口分別是方位電機(jī)接口、俯仰電機(jī)接口和通信接口。機(jī)箱的后面板只有一個(gè)電源接口，該接口負(fù)責(zé)給整個(gè)機(jī)箱供電。

Fig.6 Insidesetupofautocollimatorcontrolbox

Fig.7 Frontandbehindimagesoftheautocollimatorcontrolboxa—thefrontimageofautocollimatorcontrolbox b—thebehindimageof autocollimatorcontrolbox

利用對準(zhǔn)控制機(jī)箱對快速反射鏡控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：快速反射鏡、對準(zhǔn)控制機(jī)箱、主控計(jì)算機(jī)、0.01″數(shù)顯自準(zhǔn)直平行光管等?？焖俜瓷溏R控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的硬件連接示意圖，如圖8所示。

Fig.8 Trialhardwareconnectionofthetrialoffastreflectorcontrolsystem

將該機(jī)箱方位電機(jī)接口連接快速反射鏡方位電機(jī)，俯仰電機(jī)接口連接俯仰電機(jī)，通信接口連接主控計(jì)算機(jī)。機(jī)箱通電后，打開電源開關(guān)，分別撥動(dòng)方位開關(guān)和俯仰開關(guān)，可以看到方位電機(jī)和俯仰電機(jī)按照設(shè)定方向運(yùn)動(dòng)。將方位開關(guān)和電機(jī)開關(guān)撥到中間位置，兩個(gè)電機(jī)都停止運(yùn)動(dòng)。然后通過主控計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令給對準(zhǔn)控制機(jī)箱，對準(zhǔn)控制機(jī)箱將根據(jù)控制指令內(nèi)容對快速反射鏡的方位和俯仰進(jìn)行控制，并且能夠判斷是否到達(dá)限位位置，如果到達(dá)限位位置則使電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)將信息反饋給主控計(jì)算機(jī)，否則繼續(xù)運(yùn)動(dòng)?？焖俜瓷溏R的運(yùn)動(dòng)通過數(shù)顯自準(zhǔn)直平行光管觀測。將主控計(jì)算機(jī)指定的值作為理論設(shè)定值，自準(zhǔn)直平行光管觀測數(shù)據(jù)作為實(shí)際值，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

Table 4 Trialdata

根據(jù)表4可知，方位軸系的誤差均方根為0.73″，俯仰軸系的誤差均方根為0.63″，控制精度均小于1″。從表中可以看出，快反鏡在小角度轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)，控制精度基本不受轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大小的影響。由于在前面第1.1節(jié)中分辨率的計(jì)算公式中將快速反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)所對應(yīng)的小圓弧用直線近似等效，快反鏡轉(zhuǎn)動(dòng)范圍越大，這種近似所引起的誤差就越大，導(dǎo)致控制精度隨之降低。但是在激光對準(zhǔn)控制系統(tǒng)中，所需的工作范圍通常較小，因此轉(zhuǎn)動(dòng)范圍對控制精度影響較小?？刂葡到y(tǒng)誤差主要來源于將步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)轉(zhuǎn)換為角度的過程及機(jī)械結(jié)構(gòu)上存在的誤差，平行光管的測量誤差也是誤差來源之一。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論：快速反射鏡在小角度范圍內(nèi)工作時(shí)，控制精度小于1″。實(shí)驗(yàn)證明，該快速反射鏡控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)都是正確可靠的，且能夠滿足激光對準(zhǔn)控制系統(tǒng)的要求。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種激光對準(zhǔn)快速反射鏡控制系統(tǒng)，并且詳細(xì)闡述了該激光對準(zhǔn)快速反射鏡控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。通過自行設(shè)計(jì)開發(fā)的對準(zhǔn)控制機(jī)箱對該快速反射鏡控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，快速反射鏡控制系統(tǒng)的硬件和軟件均符合設(shè)計(jì)要求，能夠很好地控制快速反射鏡在方位和俯仰兩個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，在小角度工作范圍內(nèi)時(shí)方位軸系和俯仰軸系的誤差均方根都小于1″，即控制精度小于1″。該系統(tǒng)能夠很好地校正激光對準(zhǔn)光路的偏差，有效提高了激光發(fā)射設(shè)備的激光發(fā)射精度，有著非常重要的研究意義和應(yīng)用前景。

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Design of a control system of fast reflector in a laser autocollimator

PENG Shu-ping，WANGWei-guo，YU Hong-jun
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

In order to revise the light-route deviation of a laser autocollimator，a fast reflector control system of fast reflector in laser autocollimator control was designed.By adopting a step motor as power element，the movement of fast reflector in 2-D way was controlled，the light-route deviation of laser was eliminated and the light route of laser could be controlled accurately.The hardware and software of the fast reflector control system were expatiated exactly.Using hardware such as the laser autocollimator control box，the hardware and software design of laser autocollimator control system were validated.The experimental results show that root-mean-square of both azimuth errors and elevation direction errors are less than 1″when the working range of the fast reflector system is small，that is to say，the precision of fast reflector control system is less than 1″.Fast reflector control system can control the movement of fast reflector in 2-D way exactly.The hardware and software of the design is correct and reliable.The fast reflector control system can satisfy the demand of the laser autocollimator control system.

laser technique；fast reflector；autocollimator control；step motor

TP23

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.004

1001-3806（2013）04-0431-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61205143）

彭樹萍（1984-），女，碩士，現(xiàn)主要從事光電對抗及伺服控制技術(shù)的研究。

E-mail：pengshuping666＠126.com

2012-12-17；

2012-12-31