壓電驅(qū)動(dòng)雙面快速指向鏡的設(shè)計(jì)

宋 盛，劉重飛，苑自勇，徐衛(wèi)明，舒 嶸，2*

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所 空間主動(dòng)光電技術(shù)中科院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；2. 中國(guó)科學(xué)大學(xué) 量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230026)

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壓電驅(qū)動(dòng)雙面快速指向鏡的設(shè)計(jì)

宋 盛1，劉重飛1，苑自勇1，徐衛(wèi)明1，舒 嶸1，2*

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所 空間主動(dòng)光電技術(shù)中科院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；2. 中國(guó)科學(xué)大學(xué) 量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230026)

考慮相干激光雷達(dá)對(duì)光束波前的要求，設(shè)計(jì)了壓電驅(qū)動(dòng)雙面快速指向鏡系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)相干激光遙感探測(cè)的高精度大范圍指向定位。研究了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子學(xué)控制方法。結(jié)合指向角度、通光口徑及信號(hào)帶寬的實(shí)際工程應(yīng)用需求，選擇了合理的致動(dòng)器和位移放大機(jī)構(gòu)。針對(duì)壓電陶瓷固有的遲滯和蠕變等非線性效應(yīng)，設(shè)計(jì)了以應(yīng)變片作為位移傳感器的模擬比例-積分-微分(Proportion Intergration Differentiation，PID)閉環(huán)反饋控制方法。在仿真分析指向鏡固有模態(tài)頻率的基礎(chǔ)上，確定了周邊支撐的反射鏡支撐方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該指向系統(tǒng)能夠達(dá)到指向范圍為27 mrad×27 mrad、絕對(duì)定位精度優(yōu)于27 μrad、偏轉(zhuǎn)速率為2.7 rad/s的指標(biāo)，基本滿足激光遙感探測(cè)對(duì)探測(cè)范圍、探測(cè)精度、探測(cè)速率等指向定位的要求。

相干探測(cè)；激光雷達(dá)；壓電驅(qū)動(dòng)；快速指向鏡；模擬PID

1 引 言

在現(xiàn)代空間探測(cè)工程、軍事偵測(cè)、工業(yè)與醫(yī)療設(shè)備等國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)重大相關(guān)的課題中，光束的精密指向、跟蹤與定位技術(shù)已成為不可缺少的重要組成部分。在空間光通信系統(tǒng)中，由于光束發(fā)散角小、接收天線視場(chǎng)窄，通信雙方必須對(duì)對(duì)方光學(xué)天線進(jìn)行精確的瞄準(zhǔn)和跟蹤，保證光束對(duì)準(zhǔn)，才能建立良好的通信鏈路。在大氣光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，要求光學(xué)天線和光學(xué)系統(tǒng)能夠快速精確控制光束的指向，以補(bǔ)償大氣擾動(dòng)、載體振動(dòng)共同引起的光束偏轉(zhuǎn)和成像噪聲[1-5]。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)在對(duì)于快速指向鏡(Fast Steering Mirror，F(xiàn)SM)的研究已步入成熟階段，德國(guó)PI公司作為微驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的先驅(qū)，其研發(fā)的高精度指向鏡廣泛應(yīng)用于空間通信、光學(xué)相移補(bǔ)償、顯微成像等領(lǐng)域。法國(guó)CEDRAT公司生產(chǎn)的壓電驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)被應(yīng)用于多種星載精密光學(xué)系統(tǒng)中。國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，中科院光電技術(shù)研究所、西安205所以及中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所等單位在高精度指向方面做了大量研究，也取得了較好的成果[6-8]。

在激光遙感探測(cè)領(lǐng)域，相干激光雷達(dá)對(duì)光束波前要求較高，探測(cè)器接收視場(chǎng)較小。在對(duì)光束進(jìn)行掃描指向的應(yīng)用場(chǎng)合，接收回波時(shí)需要對(duì)發(fā)射到自由空間的光束進(jìn)行實(shí)時(shí)的角度補(bǔ)償。采用兩面指向鏡很難做到發(fā)射的掃描角度和補(bǔ)償?shù)幕夭ń嵌韧健６捎猛幻骁R子的正反兩面能夠有效保證轉(zhuǎn)角的一致性，達(dá)到補(bǔ)償回波發(fā)射偏角的目的，使得探測(cè)器上接收的角度相對(duì)固定。因此，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)雙面快速指向的快反鏡系統(tǒng)對(duì)于工程實(shí)踐具有重要意義。

2 雙面快速指向鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性軸式快速指向鏡結(jié)構(gòu)主要包括：致動(dòng)器、位移放大機(jī)構(gòu)和柔性支撐結(jié)構(gòu)，目前比較活躍的是精確快速的反射鏡柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與新型輕量化反射鏡[9-12]。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，指向角度的范圍決定了致動(dòng)器位移的大小；通光口徑?jīng)Q定了反射鏡的鏡面大小；快反鏡諧振頻率限制了工作信號(hào)帶寬。圖1所示為雙面快速指向鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電指向鏡采用四驅(qū)動(dòng)-兩軸方式，即對(duì)角線的壓電驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成差分頂拉結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)鏡片平臺(tái)的偏轉(zhuǎn)。強(qiáng)度大的鏡面平臺(tái)由柔性機(jī)構(gòu)鏈接到外部框架上，可以無(wú)間隙的連續(xù)偏轉(zhuǎn)。

圖1 雙面快速指向鏡結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 致動(dòng)器選擇

通常音圈電機(jī)、壓電陶瓷和磁致伸縮材料都可用來(lái)驅(qū)動(dòng)柔性支撐的FSM。壓電驅(qū)動(dòng)器是利用壓電體逆壓電效應(yīng)形成機(jī)械驅(qū)動(dòng)或控制能力的裝置，驅(qū)動(dòng)器將變形或振動(dòng)直接作用于從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)機(jī)械驅(qū)動(dòng)或機(jī)械控制，而非傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器那樣需要先形成旋轉(zhuǎn)再經(jīng)轉(zhuǎn)換成為目標(biāo)動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)，此類裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性好、響應(yīng)速度快、輸出力大、換能效率高等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，壓電陶瓷能夠達(dá)到納米級(jí)的位移精度，這在超精密定位和微位移控制中是其它驅(qū)動(dòng)器所無(wú)法比擬的，本設(shè)計(jì)要求中對(duì)位移分辨率較高，因此壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)更適合。單層陶瓷片的變形量比較小，所以在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用多層的壓電陶瓷堆疊結(jié)構(gòu)，其伸長(zhǎng)量與所加電壓的關(guān)系為：

ΔL=N·E·d·L0，

(1)

其中：ΔL為壓電堆疊總伸長(zhǎng)量；N為壓電陶瓷片數(shù)目；E為施加的電場(chǎng)強(qiáng)度；d為壓電系數(shù)；L0為單片壓電陶瓷片的厚度。設(shè)計(jì)中采用的壓電陶瓷參數(shù)如表1所示。

表1 壓電陶瓷矩形致動(dòng)器基本參數(shù)

2.2 位移放大機(jī)構(gòu)

壓電陶瓷致動(dòng)器具有較高的位移分辨率，但同時(shí)也存在著輸出位移小的缺點(diǎn)。在有大行程工作要求的情況下，需要對(duì)壓電陶瓷的輸出位移進(jìn)行放大和導(dǎo)向。柔性鉸鏈微位移放大機(jī)構(gòu)基于杠桿原理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微位移的有效放大，其工作原理如圖2所示。壓電陶瓷在A點(diǎn)產(chǎn)生豎直向上的位移，B點(diǎn)相當(dāng)于一級(jí)杠桿的支點(diǎn)，使D點(diǎn)產(chǎn)生一級(jí)放大的位移。C點(diǎn)相當(dāng)于二級(jí)杠桿的支點(diǎn)，由此E點(diǎn)產(chǎn)生二級(jí)放大的位移。經(jīng)仿真分析，兩級(jí)杠桿式微位移放大結(jié)構(gòu)可將位移放大15倍，拓展了壓電致動(dòng)器的工作行程，可彌補(bǔ)其輸出位移小的缺點(diǎn)。

圖2 位移放大機(jī)構(gòu)

3 雙面快速指向鏡驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

壓電驅(qū)動(dòng)雙面指向鏡的驅(qū)動(dòng)控制原理如圖3所示，以其中一個(gè)軸示意，兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器均為堆疊結(jié)構(gòu)，堆疊A的負(fù)極接地，正極與堆疊C的負(fù)極相連構(gòu)成控制輸入端U，堆疊C的正極連接到基準(zhǔn)電平150 V。當(dāng)U為75 V時(shí)，施加在堆疊A和堆疊C上的電壓量相同，因此兩堆疊的伸長(zhǎng)量相同，鏡面平臺(tái)沒(méi)有偏角；當(dāng)U為150 V時(shí)，堆疊A的壓差為150 V伸長(zhǎng)量最大，而堆疊C所受壓差為0 V無(wú)伸長(zhǎng)量，鏡面平臺(tái)以紙面垂線為軸右偏轉(zhuǎn)到最大角度。同理，當(dāng)U為0 V，鏡面左偏最大角度。

圖3 快反鏡工作原理

3.1 位移傳感器

壓電陶瓷致動(dòng)器存在著遲滯和蠕動(dòng)等非線性因素，如不加處理，會(huì)對(duì)其應(yīng)用產(chǎn)生影響。本文設(shè)計(jì)的指向鏡采用4個(gè)正方形排布的壓電陶瓷，對(duì)角線的2個(gè)陶瓷構(gòu)成一維調(diào)整結(jié)構(gòu)，陶瓷的連接如圖4所示。每個(gè)壓電陶瓷上黏有2片電阻應(yīng)變片，作為位移傳感器。電阻應(yīng)變片是基于應(yīng)變效應(yīng)制作的，導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值相應(yīng)的會(huì)發(fā)生變化。位移傳感器的一維反饋模型如圖5所示。每一維的4個(gè)應(yīng)變片組成全橋結(jié)構(gòu)，將陶瓷的位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓偻ㄟ^(guò)差分放大器將電信號(hào)放大輸出給低通濾波器，低通濾波器能夠?qū)⑿盘?hào)中的高頻雜波濾除，最終作為控制單元的反饋信號(hào)。

圖4 壓電陶瓷連線示意圖

圖5 一維反饋模型

反饋模型中電阻應(yīng)變片的全橋分布方式不僅可以有效檢測(cè)出陶瓷的位移變化，還能夠消除電阻值溫漂帶來(lái)的影響。全橋電路的電信號(hào)輸出可以通過(guò)R0微量調(diào)節(jié)，使信號(hào)值在初期調(diào)試時(shí)能夠調(diào)節(jié)到一個(gè)相對(duì)零點(diǎn)，彌補(bǔ)4個(gè)應(yīng)變片阻值不一致帶來(lái)的電壓偏差。差分放大器檢測(cè)全橋電路的輸出信號(hào)，通過(guò)調(diào)整放大倍數(shù)使輸出調(diào)節(jié)到一個(gè)相應(yīng)的變化范圍，從而精確閉環(huán)整個(gè)控制回路。

3.2 閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制

對(duì)二維壓電指向平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)控制回路采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，控制流程原理框圖如圖6所示。當(dāng)圖像處理主控單元解算得到目標(biāo)質(zhì)心位置后，通過(guò)高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器將位置值轉(zhuǎn)換為0～10 V的軸控制信號(hào)。

圖6 指向鏡閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制原理框圖

斜率控制器限制目標(biāo)值信號(hào)的變化速率，防止過(guò)快的信號(hào)變化損害指向鏡，系統(tǒng)中將信號(hào)變化速率限制在2 V/ms以下。開(kāi)環(huán)閉環(huán)選擇的靈活設(shè)計(jì)便于在前期調(diào)試時(shí)對(duì)應(yīng)變片反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，使反饋信號(hào)與控制信號(hào)的變化范圍一致。PID控制模塊將控制命令信號(hào)和傳感器反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生功率放大器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)快速精確的閉環(huán)控制。壓電指向鏡具有豐富的高頻諧振分量，必須加以抑制，否則很容易引起諧振現(xiàn)象，對(duì)機(jī)構(gòu)造成損壞。典型的措施是在功放電路前面加陷波器，陷波器的中心頻率為諧振頻率，并能調(diào)節(jié)帶寬。功率放大器將0～10 V的控制信號(hào)進(jìn)行電壓和功率放大至0～150 V，以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)所用儀器為自準(zhǔn)直儀，自準(zhǔn)直儀是高精度角度測(cè)量?jī)x器，多用于航空航天、船舶、軍工等要求精密度極高的行業(yè)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，精度高，使用方便，不但可以進(jìn)行角度測(cè)量，也可以進(jìn)行直線度、垂直度和平面度測(cè)量。

其工作原理如圖7所示，光線通過(guò)位于物鏡焦平面的分劃板后，經(jīng)物鏡形成平行光。平行光被垂直于光軸的反射鏡反射回來(lái)，再通過(guò)物鏡后在焦平面上形成分劃板十字標(biāo)線像與標(biāo)線重合。當(dāng)反射鏡傾斜微小角度α角時(shí)，反射回來(lái)的光束就傾斜2α角。

圖7 自準(zhǔn)直儀工作原理

4.1 指向角度范圍

指向角度測(cè)量過(guò)程中，將0～10 V的控制電壓均分成20個(gè)點(diǎn)測(cè)試，即每次增加0.5 V的控制電壓。由于自準(zhǔn)直儀測(cè)量范圍有限，無(wú)法在指向鏡的全行程范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，因此調(diào)整為測(cè)量相鄰兩點(diǎn)之間的機(jī)械偏轉(zhuǎn)角，最終的偏轉(zhuǎn)角由累加求得。每個(gè)點(diǎn)測(cè)量200個(gè)數(shù)據(jù)，求均值作為該點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角度值，將數(shù)據(jù)繪制成點(diǎn)狀如圖8、圖9所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，X軸和Y軸的全行程偏轉(zhuǎn)范圍為27 mrad×27 mrad。

對(duì)于不同控制命令電壓下指向鏡X軸和Y軸的偏轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行一階線性擬合并求出兩軸的線性度，兩軸的全量程非線性誤差在0.1%以內(nèi)。對(duì)于測(cè)試的指向鏡，其全程范圍為27 mrad，因此絕對(duì)定位精度在27 μrad以下。

圖8X軸偏轉(zhuǎn)角度和非線性誤差系數(shù)

Fig.8 Deflection angle and non-linear error coefficient ofX-axis

圖9 Y軸偏轉(zhuǎn)角度和非線性誤差系數(shù)

4.2 指向分辨率

指向鏡的指向分辨率受模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出電壓分辨率的影響，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出分辨率越高，指向鏡的指向分辨率就越高。采用輸出電壓為0～10 V、分辨率12 bit的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓分辨率為：

(2)

由此可得指向鏡的指向分辨率為：

(3)

4.3 偏轉(zhuǎn)速率

指向鏡的偏轉(zhuǎn)速率通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片反饋信號(hào)上升沿時(shí)間間接測(cè)得。測(cè)試過(guò)程中，指向鏡控制器輸入一頻率為10 Hz、幅值為10 V的方波激勵(lì)，通過(guò)示波器測(cè)得X軸和Y軸的應(yīng)變片反饋信號(hào)上升沿時(shí)間為10 ms，如圖10所示。

圖10 反饋信號(hào)上升沿時(shí)間測(cè)量

指向鏡的偏轉(zhuǎn)速率為：

(4)

5 結(jié) 論

本文以相干激光雷達(dá)實(shí)際工程需求為背景，系統(tǒng)介紹了壓電驅(qū)動(dòng)雙面快速指向鏡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。針對(duì)應(yīng)用需求，合理選擇致動(dòng)器與位移放大機(jī)構(gòu)，在仿真分析指向鏡固有模態(tài)頻率的基礎(chǔ)上，確定了周邊支撐的反射鏡支撐方式。在電子學(xué)控制部分，設(shè)計(jì)了以應(yīng)變片為位移傳感器的模擬PID閉環(huán)反饋控制方法，有效克服壓電陶瓷固有的磁滯和蠕變效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本指向鏡能夠達(dá)到指向范圍27 mrad×27 mrad、指向精度27 μrad、偏轉(zhuǎn)速率2.7 rad/s的指標(biāo)，基本滿足了相干激光遙感探測(cè)應(yīng)用中的要求。

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舒 嶸(1971-)，男，浙江溫嶺人，博士，研究員，1992年于合肥工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事空間激光遙感與探測(cè)技術(shù)方面的研究。E-mail： shurong@mail.sitp.ac.cn

(版權(quán)所有 未經(jīng)許可 不得轉(zhuǎn)載)

Design of double-sided fast steering mirror based on piezoelectric actuating

SONG Sheng1， LIU Chong-fei1， YUAN Zi-yong1， XU Wei-ming1， SHU Rong1，2*

(1.Key Laboratory of Space Active Opto-Electronics Technology，ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics，ChineseAcademyofSciences，Shanghai200083，China；2.SynergeticInnovationCenterofQuantumInformationandQuantumPhysics，UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230026，China)

According to the requirements of laser radars for beam wavefront， a piezo-activated double-sided and fast-steering mirror was designed to realize the high-accuracy beam pointing and wide scanning range of a coherent laser remote system. The mechanical structure of the system and its electronics control method were researched. In consideration of the system requirements for the point angle， clear aperture and the signal bandwidth， an actuator and a displacement amplification mechanism were chosen. To overcome the nonlinear effect of piezoelectric ceramics， such as hysteresis and creep， an analog Proportion Intergration Differentiation(PID) closed-loop feedback control method by taking a strain gauge as the displacement sensor was designed. By analysis of the natural modal frequencies of the pointing mirror， the circum support was determined as the mirror support manner. Experimental results indicate that the pointing accuracy and scanning speed of the system are respectively 27 μrad and 2.7 rad/s at the range of 27 mrad×27 mrad， which satisfies the requirements of laser remote sensing for detection ranges， detection accuracy and detection speeds.

coherent detection； laser radar； piezo-actuating；fast steering mirror； analog PID

2016-05-10；

2016-06-17.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.2014AA7100012)

1004-924X(2016)11-2777-06

TN958.98；TP722

A

10.3788/OPE.20162411.2777

宋 盛(1990-)，男，上海青浦人，博士研究生，2012年于華東師范大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事紅外圖像處理、激光遙感探測(cè)方面的研究。E-mail： songsheng03@126.com

*Correspondingauthor，E-mail：shurong@mail.sitp.ac.cn