激光通信APT系統(tǒng)中快速反射鏡研究

倪迎雪,傘曉剛,高世杰,吳佳彬,王 晶,王 濤,丁少行

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033；2.中國科學院大學,北京 100049)

1 引 言

激光通信是以激光光束為載波或者以空間物質傳輸信道完成信息傳遞。激光通信具有通信容量大、低功耗、重量輕等優(yōu)勢,較適合應用于衛(wèi)星平臺；保密性好、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點,使其在國防軍事領域有著重要應用；此外,它的高數(shù)據(jù)傳輸效率及大通信容量在民用領域有著更加廣闊的應用前景[1-2]。

激光通信系統(tǒng)要求發(fā)射端光束必須精確地對準接收端以建立光通道,然而,由于諸多客觀因素,如平臺震動,目標運動大氣散射、湍流等因素影響,容易導致激光光束偏離目標,甚至通信鏈路中斷[3-4]。為了解決這一問題,在激光通信中應用了捕獲、瞄準和跟蹤(APT)技術,用來建立激光通信鏈路,并保證兩通信端機的光束能夠精確對準,確保通信的可靠性。因此,APT系統(tǒng)已成為激光通信中最為關鍵的部分之一,而在APT系統(tǒng)中,FSM安裝在光源與接收端之間,通過驅動器控制反射鏡的偏轉進而調整光束傳播方向,恰好可以彌補激光通信中激光光束的偏移量[5-6],因此,FSM是激光通信APT系統(tǒng)中關鍵器件之一。由于它具有高帶寬、高響應速度、高控制精度等特點,還被廣泛應用于天文望遠鏡、圖像穩(wěn)定、自適應光學等領域[7-8]。

2 FSM國內外研究現(xiàn)狀

2.1 FSM國外研究現(xiàn)狀

隨著激光通信技術的發(fā)展,對激光光束傳播的控制要求越來越高,使得國內外對FSM的研究十分火熱[9-10]。為了提高空間激光通信中光束的指向精度,20世紀80年代美國麻省理工學院的Gregory C Loney為空間通信實驗研制了高帶寬柔性軸式FSM[11]；美國Ball Aerospace & Technologies公司于1983年開始對FSM進行研究,經(jīng)歷幾十年的技術積累,現(xiàn)已生產出多種FSM,均已廣泛應用于航空航天光學系統(tǒng)中[12]。美國Left Hand Design Corporation公司從1995年開始設計FSM,現(xiàn)在設計的采用音圈電機的FSM最大行程可以達到±10°[13]。2005年,Francisc M. Tapos等人設計的三自由度的壓電陶瓷驅動的FSM控制帶寬可以達到1 kHz[14]。2007年,來自麻省理工學院的Daniel J. Klul 等人對FSM進行了優(yōu)化設計,為空間激光通信系統(tǒng)設計了音圈電機驅動,柔性鉸鏈支撐的FSM結構,反射鏡直徑為10～16 mm,行程可以達到±13 mrad,閉環(huán)帶寬10 kHz[5,15]。2008年,美國空間動力實驗室設計的適用于星載和機載設備的FSM,俯仰角可以達到±15°,控制帶寬為70 Hz[16]。2012年,韓國加工與材料研究所設計的基于三個壓電陶瓷驅動的FSM,反射鏡直徑為28 mm,厚度為22 mm,閉環(huán)帶寬可以達到4 kHz[17]。2013年,美國雷聲公司為了空間和機載光學系統(tǒng)研制了兩軸FSM,反射鏡直徑82.8 mm,行程可以達到10°以上,閉環(huán)帶寬3.3 kHz[18]。2016年,澳大利亞的J. Davies等人為GMT積分場光譜儀設計的壓電陶瓷驅動的FSM,精度達到28 nm[19]。2017年,韓國的Byoung Uk Nam等人設計的音圈電機驅動,柔性鉸鏈支撐的FSM,反射鏡直徑為150 mm,行程達到1 mrad,控制帶寬達到500 Hz[20]。

2.2 FSM國內研究現(xiàn)狀

3 FSM組成及工作原理

快速反射鏡主要由基座、反射鏡、支撐結構、驅動元件、位置檢測元件和控制系統(tǒng)等6部分組成。其工作原理如圖1所示,支撐結構起到支點的作用,限制反射鏡在各個方向的平移自由度,使反射鏡只有繞兩工作軸的轉動自由度；當入射在反射鏡上的光束發(fā)生一定角度的偏轉時,反射鏡由微型驅動器推動發(fā)生角度偏轉,位置檢測元件探測反射鏡偏轉的角度,并把反射鏡的位置信息反饋給控制系統(tǒng),根據(jù)目標位置由驅動器進一步推動反射鏡發(fā)生角度偏轉,直到有反射鏡反射光束的偏移量被完全校正為止。位置檢測元件與FSM的控制系統(tǒng)構成閉環(huán)系統(tǒng),從而提高了FSM的控制精度。

圖1 FSM工作原理圖

支撐結構是FSM主要的承載元件,直接決定了FSM的承載能力,同時也影響FSM的轉動精度和行程；驅動元件為FSM反射鏡的偏轉提供推力,它直接影響了FSM的行程和帶寬；位置檢測元件的精度直接影響FSM的定位精度及響應速度；基座是FSM的基體部分,也是固定部分,它的剛度影響FSM的諧振頻率,對于對帶寬要求比較高的FSM,基座的剛度應該盡可能大。

4 FSM組成及關鍵技術研究

隨著FSM應用領域不斷增加及激光通信APT系統(tǒng)對FSM的精度與響應速度要求越來越高,國內外的研究機構對FSM的各組成部分進行深入研究,主要集中在以下幾個方面:(1)支撐結構的設計;(2)反射鏡鏡體的輕量化設計;(3)高性能驅動器的選擇與設計;(4)高精度、高分辨率位置檢測裝置的選擇與設計;(5)穩(wěn)定可靠的控制算法設計。

4.1 支撐結構

FSM機械結構設計的主要區(qū)別在于支撐結構的設計,它也是FSM中主要的承載部件。根據(jù)支撐結構形式的不同,FSM可以分為:X-Y框架式、柔性軸承式和柔性無軸式三類。

4.1.1 X-Y框架式FSM

如圖2所示,X-Y框架式FSM有兩個固定的軸系,外框架軸系的軸承座固定在基板上,內框架軸系安裝在外框架上,同時內框架軸系也起到反射鏡鏡座的作用。該結構形式的優(yōu)勢是:旋轉中心穩(wěn)定,結構剛度好,承載能力強,但是該結構存在致命的缺陷是:轉動慣量大,摩擦力矩大,響應速度低。一般X-Y框架式FSM采用軸承與框架構成軸系,軸承轉動時存在的摩擦和間隙,會導致系統(tǒng)的爬行、震蕩等不穩(wěn)定因素,影響系統(tǒng)的控制帶寬和轉動精度。

圖2 X-Y框架式FSM

4.1.2 柔性軸承式FSM

人乳腺癌細胞Bcap-37和MCF-7及人肺癌細胞A549均由浙江省人民醫(yī)院隋梅花教授饋贈。用含10%胎牛血清和1%青-鏈霉素溶液的RPMI 1640培養(yǎng)基在37℃，5%CO2培養(yǎng)箱中常規(guī)培養(yǎng)，0.5%胰酶消化傳代。本實驗所用細胞均為對數(shù)生長期細胞。

柔性軸承式FSM是基于柔性軸承的一種結構形式,柔性軸承式FSM具有穩(wěn)定的回轉中心,但是無需對軸系進行設計,該FSM工作時完全依賴柔性軸承的角變形進行工作,并且在FSM處于不工作狀態(tài)時,柔性軸承可以保證FSM處于平衡位置,無需復位裝置,在系統(tǒng)斷電時可以保護音圈電機的磁鋼與線圈不發(fā)生碰撞。此外柔性軸承的轉動精度較高。圖3(a)為柔性軸承的結構示意圖,圖3(b)為一款基于柔性軸承的FSM。通過圖3可以看出,反射鏡發(fā)生轉動時,只產生柔性軸承的彈性變形,不存在摩擦和間隙。此外,柔性軸承的偏轉范圍相對于FSM的偏轉范圍要大的多,有利于保證FSM的行程,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖3 柔性軸承結構示意圖及柔性軸承式FSM結構軸側圖

4.1.3 柔性無軸式FSM

柔性無軸式FSM具有結構簡單、無摩擦力矩和響應速度快等優(yōu)點,但是,FSM運動部件的載荷主要由柔性件支撐,在震動沖擊等惡劣環(huán)境中工作時,反射鏡除了在運動方向上發(fā)生轉動還會產生微量的軸向位移,進而導致FSM的轉動精度降低。因此,該類型FSM對柔性支撐的要求較高。如圖4所示為美國麻省理工學院研制的柔性無軸式FSM結構圖,該FSM的柔性支撐由柔性軸和柔性環(huán)組成,柔性軸連接了FSM的運動部分與固定基座,同時限制了反射鏡沿柔性軸方向的軸向平動,柔性環(huán)限制了反射鏡的扭轉及在兩個橫向方向上的平動。

圖4 柔性軸式FSM爆炸圖

用于FSM的柔性支撐除了圖4所示的柔性軸結構,柔性鉸鏈也被廣泛的應用于該系統(tǒng)。柔性鉸鏈的性能與鉸鏈切口形狀有關,目前用于FSM中柔性鉸鏈的切口形狀主要有直圓型、直梁型、橢圓型、雙曲線直圓混合型等。圖5～7分別為不同研究機構設計的采用直圓型、直梁型、橢圓型柔性鉸鏈的FSM[24,28,30]。

圖5 采用直圓型柔性鉸鏈的FSM

直圓型柔性鉸鏈可以實現(xiàn)較高的轉動精度,但是行程相對較小,直梁型柔性鉸鏈與直圓型恰好相反；而橢圓型柔性鉸鏈較直圓型柔性鉸鏈有較大的轉角,比直梁型柔性鉸鏈有較高的轉動精度。此外,混合型柔性鉸鏈可以結合兩種不同柔性鉸鏈的優(yōu)點,得到較好地性能,已成為國內外學者研究的熱點。

圖6 采用直梁型柔性鉸鏈做運動傳遞元件的FSM

圖7 基于橢圓型柔性鉸鏈的FSM

通過以上分析總結不同支撐結構的特點如表1所示。

表1 不同支撐結構的特點對比

4.2 反射鏡

反射鏡是FSM中的直接工作部件,也是主要負載之一。為了提高系統(tǒng)的響應頻率,需要盡可能地減小FSM的負載慣量,因此,需要對反射鏡進行輕量化設計。通常有以下兩種輕量化方法:一是選擇比剛度高、導熱性好、加工性能優(yōu)異的輕質材料做鏡坯，如表2所示為常用反射鏡材料的性能指標；二是結合有限元方法對鏡體進行輕量化設計,最終設計出質量較輕的反射鏡結構。如圖8所示,目前常用的輕量化結構有背部開槽式、拱形結構和蜂窩式三種。此外,還可以不用傳統(tǒng)的鏡框結構,將反射鏡設計為可以安裝的結構形式,如圖9所示。

表2 反射鏡材料及其性能參數(shù)

圖8 常用的鏡體輕量化結構

Fig.8 The generally lightweight structure of the mirror

圖9 無鏡框式反射鏡結構

4.3 驅動元件

為了保證FSM的高精度、高響應頻率等特點,對驅動元件的精度、分辨率、響應速度等提出了極高的要求。目前,廣泛應用在FSM中的驅動元件主要為壓電陶瓷驅動(PZT) 器和音圈電機驅動器(VCA),如圖10所示,它們的性能特點如表3所示。

圖10 兩種驅動器

驅動器類型工作范圍優(yōu)點缺點壓電陶瓷0～100μm響應速度快；帶寬高；幾乎不受磁場干擾驅動電壓大；移動范圍小且有遲滯蠕變特性音圈電機幾毫米到幾十毫米行程較大；無滯后；驅動電壓低易受磁場的影響；響應頻率低

通過對以上兩種驅動元件性能的比較,可以得出音圈電機比壓電陶瓷更加適用要求大行程和大口徑的FSM,壓電陶瓷驅動器比較適合應用于對帶寬要求較高的FSM。

針對PZT伸縮梁小的問題,國內外研究學者做了大量的工作,設計出多種適用于不同工作場合的PZT位移放大機構,圖11為1種利用PZT位移放大機構設計的FSM圖；另外,通過改變驅動器的使用方式,可以有效地提高壓電陶瓷的抗剪切、沖擊能力。

隨著FSM口徑和負載的不斷增大,對驅動器推力的要求越來越高,圖12為吳鑫等人優(yōu)化的音圈電機模型,相比于傳統(tǒng)的具有整體磁鐵的音圈電機,他采用多塊永磁鐵組合而成,不僅大大減小了漏磁,同時也改變了磁感線的分布,提高了電機的推力[7]。

4.4 位置檢測裝置

應用于FSM的位置檢測裝置中的主要有:電渦流傳感器、電容傳感器、光柵測微儀、電阻應變式傳感器、光干涉測量法和光電類傳感器等,各類傳感器的性能特點如表4所示。

圖11 利用PZT位移放大機構設計的FSM

圖12 大推力音圈電機

位置檢測裝置類型優(yōu)點缺點電渦流傳感器測量精度高；響應速度快；線性度好價格昂貴；測量范圍相對較小電容傳感器測量精度高；響應速度快；體積小測量范圍相對較?。淮嬖跍囟绕乒鈻艤y微儀精度高；分辨率高；線性度好體積大電阻應變片體積小；成本低；易于集成存在溫度漂移；測量精度低光電類位置傳感器測量范圍大；抗電磁干擾能力相對較強；可以與FSM基座儀器設計以減小體積；光路設計相對復雜

用于FSM中的光電類傳感器主要包括四象限探測器(QD)和PSD,需要光源和反射鏡共同配合兩者組成位置測量裝置,具體測量方法是:激光由光源發(fā)出,經(jīng)反射鏡反射后,照射在QD或者PSD感光面上,然后通過對光能量分布的計算,最終得到反射鏡的位置信息。QD相對于PSD具有較大的測量范圍和較高的線性度。并且可以將該裝置安裝在FSM基體中,有利于FSM結構更加緊湊。但是,采用光電傳感器的位置檢測裝置的設計相對復雜,它的精度與光程和光源均有關系,所以針對不同類型的FSM,均需要設計合適的位置檢測裝置。

圖13所示為國防科技大學設計的音圈電機驅動,PSD作為位置檢測裝置的FSM[17]。采用PSD傳感器的位置檢測裝置安裝在基座的背面,整個FSM的外形尺寸與四個音圈電機排布近似,所以使得FSM結構變得更加緊湊。

圖13 音圈電機驅動與PSD傳感器相結合的FSM結構模型

4.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)可以控制FSM實現(xiàn)快速定位或偏轉等功能,目前比較有效地控制方法主要有PID控制及智能PID控制和自適應控制兩種控制方法。PID控制器具有結構簡單,參數(shù)易于調整等優(yōu)點,因此得到廣泛應用。隨著FSM的結構行程及應用場合的增多,在傳統(tǒng)PID控制算法的基礎上發(fā)展了不完全微分PID算法、模糊PID算法等,并且取得了良好的控制效果。采用自適應控制方法,對系統(tǒng)進行開環(huán)控制,使得輸出線性誤差減小,且該控制系統(tǒng)具有一定的魯棒性和適應性,提高了開環(huán)控制系統(tǒng)的性能[22]。

以上兩種控制方法中調整控制器參數(shù)的最終目標是提高系統(tǒng)的控制帶寬和穩(wěn)定性。并且,系統(tǒng)對實時性有極高的要求,否則,由于相位滯后,控制效果將會受到嚴重影響,因此在FSM的控制系統(tǒng)中,通常選用高速DSP作為系統(tǒng)的處理器。

5 總 結

伴隨著激光通信的發(fā)展,APT系統(tǒng)對捕獲視場、穩(wěn)定瞄準精度、穩(wěn)定跟蹤精度等方面的要求不斷提高。FSM作為目前能夠有效地提高APT跟蹤、瞄準精度的重要組成部分之一,其技術發(fā)展必然與上述系統(tǒng)的要求相適應。由于激光通信系統(tǒng)中兩個端機之間距離較遠,導致光束在傳輸過程可能會出現(xiàn)較大角度的偏移,因此需要設計大行程的FSM對光束偏轉進行補償。為了滿足激光通信APT系統(tǒng)對跟蹤、瞄準精度的要求,FSM對位置檢測裝置的測量精度及支撐結構的轉動精度有較高的要求。同時,為了實現(xiàn)激光通信APT系統(tǒng)結構更加緊湊,設計結構緊湊的FSM是十分有必要的。

為了滿足FSM在激光通信APT系統(tǒng)中的應用需求,可以通過以下4個方面對FSM的進行設計:

(1)音圈電機憑借其精度高、響應速度快、行程大和結構緊湊等優(yōu)點在FSM中占有主導地位,尤其在高精度、大行程FSM驅動裝置中有獨特優(yōu)勢。

(2)基于QD的位置檢測裝置不僅可以有效地提高測量行程、分辨率,且有較強的抗干擾能力,還有利于FSM體積向小型化發(fā)展,此外電渦流傳感器憑借其高的測量精度和高的線性度適合應用于對精度要求較高的FSM。

(3)為了提高FSM的帶寬,需要減小運動部件的轉動慣量,因此,反射鏡鏡體選擇比剛度高、散熱性好的新型材料,并對反射鏡鏡體等運動部件進行輕量化設計。

(4)在支撐結構的設計方面,需要進一步提高柔性鉸鏈的承載能力、轉角范圍和精度,因此,針對柔性鉸鏈的研究依然是熱點。同時,為了提高FSM工作精度,具有精度高、響應速度快和可靠性高的位置檢測裝置也成為研究的主流。

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