大口徑、高精度二維快速控制平面反射鏡系統(tǒng)設(shè)計

康登魁，姜昌錄，劉力雙，趙俊成，俞 兵，陳青山，王生云，王楠茜，陳潔婧，張云龍，王 雷

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

引言

光電搜索跟蹤系統(tǒng)是信息化武器的核心裝備，當(dāng)目標(biāo)進入光學(xué)視場后，伺服系統(tǒng)會捕獲鎖定目標(biāo)，然后進行跟蹤，保證目標(biāo)始終位于光學(xué)測量的視場內(nèi)，同時記錄目標(biāo)相對瞄準(zhǔn)線的偏離程度，即跟蹤精度。跟蹤精度指標(biāo)是表征作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵參數(shù)，也是維修保障中的一個重要方面[1-2]。

跟蹤精度測試主要分室內(nèi)測試和室外測試兩種形式。其中，室內(nèi)檢測設(shè)備主要有檢測架、信標(biāo)光和可編程動態(tài)靶等形式，室外測試主要采用在靶場跟飛的試驗形式。檢測架式測量一般將被測系統(tǒng)固定，相對被測儀器中心安裝多個平行光管，平行光管對應(yīng)某些方位角度及俯仰角度，平行光管出射的平行光會聚在焦平面上，在焦平面上設(shè)有分劃來模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)供光電設(shè)備跟蹤測量。這種方法的優(yōu)點是穩(wěn)定性好，檢測精度容易保證，但也存在體積較大、不易維護的缺點。

目前應(yīng)用較多的是信標(biāo)光法，該方法采用旋轉(zhuǎn)信標(biāo)光裝置或激光模擬信標(biāo)光裝置產(chǎn)生動態(tài)靶標(biāo)，這種方法的優(yōu)點是運動范圍大，但運動頻率和精度受限于二維轉(zhuǎn)臺，難以精確模擬高精度快速運動目標(biāo)[3-10]。

采用基于二維快速控制反射鏡（fast steering mirror,FSM）的模擬信標(biāo)光法，可以在實驗室內(nèi)產(chǎn)生1 個動態(tài)模擬的運動目標(biāo)，實施精確高速掃描運動，從而開展高精度跟蹤精度的測量。但是，目前大多數(shù)FSM 應(yīng)用口徑局限在Φ100 mm 以內(nèi)，已經(jīng)不能滿足部分應(yīng)用需求。本文根據(jù)上述測量需求，設(shè)計了一種大口徑、高精度二維快速控制反射鏡，以滿足在實驗室內(nèi)進行跟蹤精度測量的實際需求。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

FSM 總體構(gòu)成如圖1 所示，主要包含機械部件和測量控制部件兩大部分。其中機械部件主要包括平面反射鏡、柔性支撐鉸鏈、反射鏡托架、位移測量模塊、總體裝配結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電機、鎖止機構(gòu)等；測量控制部件主要包括精密測量模塊、核心控制模塊、電機及其驅(qū)動模塊等。

圖 1 二維快速控制反射鏡組成框圖Fig.1 Composition block diagram of two-dimensional FSM

FSM 工作原理如圖2 所示，驅(qū)動電機驅(qū)動反射鏡組件產(chǎn)生俯仰和方位2 個方向的高速擺動，由位移測量模塊對擺角進行測量，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖 2 二維快速控制反射鏡工作原理示意圖Fig.2 Working principle diagram of two-dimensional FSM

其中，平面反射鏡是定向控制組件的輸出端，在系統(tǒng)光路中直接參與光指向的調(diào)整。柔性支撐鉸鏈為包含反射鏡及其托架的扭轉(zhuǎn)載荷提供彈性支撐，使其圍繞回轉(zhuǎn)中心做出俯仰和方位2 個方向的運動。位移測量模塊主要用于測量反射鏡的偏轉(zhuǎn)角，用于閉環(huán)控制反饋及偏振角信號輸出，均布多個非接觸式微位移傳感器，實現(xiàn)精密差動實時測量。核心控制模塊用于電路邏輯控制、控制算法實現(xiàn)以及信息輸入輸出等，其基于DSP 完成設(shè)計，集成控制、測量輸入輸出通道、驅(qū)動電路、通信接口、電源變換等功能。電機及其驅(qū)動模塊用于驅(qū)動反射鏡偏轉(zhuǎn)，采用音圈電機（voice coil motor,VCM）實現(xiàn)致動。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)跟蹤精度的測試要求，快速控制反射鏡需要采用45°吊裝結(jié)構(gòu)進行光線出射，通光口徑為15.24 cm。因此，采用橢圓形的鏡面結(jié)構(gòu)，鏡面尺寸通過以上要求進行設(shè)計。長軸直徑D0=D/cos45°，經(jīng)過計算，長軸尺寸為215.6 mm?？紤]到邊緣面形質(zhì)量會有所下降，兩邊保留一定的設(shè)計余量，最終快速控制反射鏡長軸尺寸為230 mm，短軸尺寸為160 mm。

另外，平面反射鏡的鏡面面形對整個系統(tǒng)的成像質(zhì)量具有決定性的影響，一般與材料、加工、鍍膜、安裝和使用環(huán)境有關(guān)?？紤]到微晶玻璃具有較小的熱膨脹系數(shù)，在溫度變化時能夠較好地保證面形精度。因此，本系統(tǒng)最終采用微晶玻璃作為反射鏡材料，實際面形精度為λ/30（RMS），如圖3所示，能夠滿足成像系統(tǒng)的使用要求。

圖 3 反射鏡實物及面形測量圖Fig.3 Mirror and surface measurement diagram

快速控制反射鏡支撐組件主要由剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)兩種方式組成，其中柔性支撐結(jié)構(gòu)避免了剛性支撐的空回和機械磨損等缺點，可以有效地消除大部分運動耦合，使2 個自由度保持相對獨立。因此，本文快速控制反射鏡設(shè)計了4 個柔性鉸鏈，分別位于水平和垂直方向。

驅(qū)動組件是快速控制反射鏡的動力來源，采用4 個音圈電機驅(qū)動組件，音圈電機驅(qū)動方式采用洛倫茲力原理，可以獲得較大的角度范圍，如圖4所示。

圖 4 音圈電機實物圖Fig.4 Physical photo of voice coil motor

快速控制反射鏡的最終結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5 所示，其結(jié)構(gòu)主體外形尺寸為260 mm×306 mm×101 mm。

圖 5 二維快速控制反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.5 Structural design diagram of two-dimensional FSM

3 電控系統(tǒng)組成

FSM 電路組成如圖6 所示?？焖倏刂品瓷溏R驅(qū)動電路與上位機之間采用RS422 標(biāo)準(zhǔn)全雙工通信接口，通信波特率為115.2 kbps±0.5%，RX-FIFO和TX-FIFO 的容量要求各不小于16 字節(jié)。上位機將快速控制反射鏡控制命令發(fā)送給主控制器，主控制器通過傳感器讀取快速控制反射鏡的偏轉(zhuǎn)信息，并按照上位機控制命令驅(qū)動快速控制反射鏡，使快速控制反射鏡達到上位機命令要求?？焖倏刂品瓷溏R驅(qū)動電路通過4 線SPI 串口向上位機返回快返鏡兩軸角度數(shù)據(jù)，要求兩軸角度采集精度為16 bit，采集速率為50 kHz，SPI 串口通信速率為10 MHz，SPI 數(shù)字信號均采用5 V TTL 電平[11-15]。

圖 6 快速控制反射鏡控制電路組成框圖Fig.6 Composition block diagram of control circuit of FSM

控制電路主要由4 個部分組成：傳感器電路、主控制電路、驅(qū)動電路和主電源電路。

3.1 傳感器電路組成

快速控制反射鏡的位置偏轉(zhuǎn)信息由電渦流傳感器進行檢測，將傳感器探頭（電感線圈）放置在被測目標(biāo)附近，交流電流激勵線圈，當(dāng)探頭與被測金屬之間的距離發(fā)生變化時，由于電渦流效應(yīng)，線圈的阻抗也發(fā)生變化。通過交流電橋?qū)⒕€圈的阻抗變化檢測出來，并經(jīng)過檢波、濾波、放大等過程轉(zhuǎn)化為直流電壓變化，即將探頭與被測面之間的位移變化轉(zhuǎn)換為直流電壓的變換。電渦流傳感器組成如圖7 所示。

圖 7 電渦流傳感器測試電路組成框圖Fig.7 Diagram of eddy current sensor test circuit

激勵信號源高頻激勵電橋，電橋?qū)⒈粶y面的偏轉(zhuǎn)信息轉(zhuǎn)換成交流信號的幅值變化信息，檢波電路將交流電壓幅值信號轉(zhuǎn)化成直流信號，經(jīng)放大濾波后送A/D 轉(zhuǎn)換器，由主控電路讀取。

3.2 主控制電路組成

主控制電路和驅(qū)動電路采用一體化設(shè)計。控制核心采用DSP 方式，上位機與主控制板之間采用422 通信，傳感器和主控制板之間采用LVDS電平的SPI 通信，如圖8 所示?？焖倏刂品瓷溏R的驅(qū)動采用高輸出電流驅(qū)動芯片驅(qū)動，具有使能控制、高溫及過流保護功能。

圖 8 主控制電路組成框圖Fig.8 Composition block diagram of main control circuit

驅(qū)動信號和使能/鎖止用于控制快速控制反射鏡的工作狀態(tài)，電流檢測用于檢測驅(qū)動電流，電源系統(tǒng)用于主控制器和傳感器對驅(qū)動電源的供電，如圖9 所示。

圖 9 驅(qū)動電路組成框圖Fig.9 Composition block diagram of drive circuit

3.3 傳感器設(shè)計

精密位移測量模塊是整個擺鏡組合控制的基準(zhǔn)。其工作原理如圖10 所示，鏡片與傳感器的距離位置會隨鏡片轉(zhuǎn)動角度而變化，該位移變化量由1 對差分微位移傳感器測量，根據(jù)偏轉(zhuǎn)位移量及測量節(jié)圓換算出偏角值。

圖 10 精密位移測量模塊結(jié)構(gòu)原理圖Fig.10 Structure diagram of precision displacement measurement module

具體采用2 組具有較好環(huán)境適應(yīng)能力的非接觸微位置傳感器，分別差分測量水平方向（X軸）及俯仰方向（Y軸）的鏡片轉(zhuǎn)動角度。當(dāng)前精密位置測量模塊為20 位分辨率，信號噪聲占3～4 位，其理論分辨率可達1/60 000 以上，鏡托偏轉(zhuǎn)角分辨率可優(yōu)于1 μrad。結(jié)合外部自準(zhǔn)儀標(biāo)定設(shè)備以及標(biāo)定經(jīng)驗方法，快速控制反射鏡在小角度（±1°）范圍內(nèi)的線性度可以達到0.4‰，即±6.9 μrad 以內(nèi)。

FSM 工作流程設(shè)計如圖11 所示，上電后，組件進行自檢。若自檢通過，組件將根據(jù)用戶設(shè)定進入相應(yīng)的工作模式，否則報故障碼并執(zhí)行異常處理。

圖 11 二維快速控制反射鏡工作流程圖Fig.11 Workflow chart of two-dimensional FSM

快速控制反射鏡接收上位機的軌跡掃描指令，得到要掃描的軌跡和速度，控制快速控制反射鏡按照預(yù)定的角度和速度運動。運動過程中測量快速控制反射鏡的傳感器位置讀數(shù)與期望位置值的偏差，并快速調(diào)整音圈電機，從而完成內(nèi)部閉環(huán)控制，驅(qū)動快速控制反射鏡完成精確的軌跡掃描，采用標(biāo)準(zhǔn)422 接口通信方式，波特率為230.4 kbps，8 數(shù)據(jù)位，1 停止位，可以實現(xiàn)圓形軌跡運動、直線軌跡運動和隨機運動形式[16-18]。

最終，本文系統(tǒng)快速控制反射鏡的設(shè)計指標(biāo)為：有效通過口徑15.24 cm；運動范圍60 mrad （±30 mrad）；帶寬100 Hz；角分辨率≤1 μrad；重復(fù)性≤±4 μrad；運動控制線性度優(yōu)于±0.20%；快速控制反射鏡運動控制精度5 μrad。

4 快速控制反射鏡性能測試結(jié)果

4.1 帶寬測試

快速控制反射鏡系統(tǒng)的帶寬通常采用1%行程的-3 dB 帶寬法進行測試。測試原理為：系統(tǒng)通過計算機向快速控制反射鏡發(fā)送指令，控制其在各頻率下等幅擺動，并產(chǎn)生相位同步信號供相位頻率測量。掃頻完成后，通過上位機分析光斑位置數(shù)據(jù)，即可產(chǎn)生相應(yīng)的幅頻及相頻特性數(shù)據(jù)。根據(jù)幅頻特性數(shù)據(jù)的-3 dB 位置，即可完成快速控制反射鏡帶寬的測量。

測試步驟為：固定好激光器，使其發(fā)射出的光路不變；激光器發(fā)射出的光線射到鏡面上，快速控制反射鏡每次擺動都會使折射的L光線發(fā)生相應(yīng)的變化；控制快速控制反射鏡以不同的引導(dǎo)頻率余弦擺動；折射出的光線照在PSD （position sensitive detector,PSD）傳感器上，PSD 傳感器感知L光線的位置變化，從而將位置量轉(zhuǎn)化成電信號。將電信號也就是表1 中的幅值記錄下來，由1 Hz 逐漸增加引導(dǎo)頻率，記錄對應(yīng)的幅值變化。當(dāng)幅值下降到初始幅值的0.707 倍（即-3 dB 增益）時，此引導(dǎo)頻率即為其對應(yīng)的工作帶寬。增益的計算方法是20×log10(實際幅值/1 Hz 對應(yīng)的幅值)。

表 1 帶寬測量結(jié)果Table 1 Bandwidth measurement results

快速控制反射鏡帶寬體現(xiàn)的是系統(tǒng)抗擾動能力的高低，只有當(dāng)FSM 的帶寬達到設(shè)計要求時，才能夠滿足實際的使用要求。本文采用基于FSM 模擬信標(biāo)光法進行跟蹤精度測試時，控制帶寬需要達到100 Hz。如表1 所示，在1 Hz 時，系統(tǒng)的輸入幅值為100"；當(dāng)頻率逐漸增加到100 Hz 時，X軸和Y軸所對應(yīng)的幅值分別為71.39"和70.94"。因此，根據(jù)-3 dB 法，F(xiàn)SM 的帶寬滿足100 Hz 的使用要求。

4.2 角分辨率測試

快速控制反射鏡系統(tǒng)的角分辨率是其平面反射鏡所能調(diào)整的最小角度。角分辨率的測試方法由測試計算機給快速反射鏡輸入方波信號，并不斷減小方波幅值，自準(zhǔn)直儀能夠反饋反射鏡角度值；當(dāng)觀測角度由可分辨轉(zhuǎn)為不可分辨時，光電自準(zhǔn)直儀的角度值已無明顯變化，即可得到快速控制反射鏡的最小角分辨率。

根據(jù)指標(biāo)，要求快速控制反射鏡的角分辨率達到1 μrad，約為0.2"。因此，設(shè)置X軸和Y軸方向的步進幅值角為0.2"。根據(jù)輸出波形，直接觀測能否達到角分辨率的要求。

X軸和Y軸方向的輸出波形如圖12 所示。由圖12 可以看出，快速控制反射鏡的實際角度值與上位機發(fā)送的角度值一樣，呈階梯狀增加，能夠分辨出0.2"的偏轉(zhuǎn)角度。因此，快速控制反射鏡的角分辨率滿足1 μrad 的指標(biāo)要求。

4.3 線性度測試

線性度測試采用自準(zhǔn)直儀，當(dāng)快速控制反射鏡上電后做直線運動，在光電自準(zhǔn)直儀中觀察、記錄直線上的坐標(biāo)點實際值，然后求出偏差值，其線性度應(yīng)滿足優(yōu)于±0.2%的要求。

測試步驟為：二維快速控制反射鏡電控箱上電，輸入二維快速控制反射鏡驅(qū)動器的零位電壓；調(diào)整自準(zhǔn)直儀的位置，使自準(zhǔn)直儀的出射光束與經(jīng)二維快速控制反射鏡反射后的光束重合，即反射光束的“十字”光標(biāo)位于自準(zhǔn)直儀的視場中心；固定Y軸，通過控制計算機向二維快速控制反射鏡電控箱發(fā)送指令，驅(qū)動反射鏡繞X工作軸方向轉(zhuǎn)動，以取點的方式記錄正行程各位置的角度值yi正和反行程各位置的角度值yi反；根據(jù)直線擬合方程計算出正反行程的最大偏差 ΔLmax；然后計算線性度。

線性度測量結(jié)果如表2 所示。以目標(biāo)角度為橫坐標(biāo)、正反行程的角度平均值為縱坐標(biāo)，采用最小二乘法進行曲線擬合，如圖13 所示。則其擬合直線為：

圖 12 分辨率測量結(jié)果Fig.12 Resolution measurement results

表 2 線性度測量結(jié)果Table 2 Linearity measurement results

圖 13 X 軸線性度擬合直線Fig.13 X-axis linearity fitting straight line

根據(jù)測量結(jié)果，X軸（方位）方向的最大偏差為5.9"，Y軸（俯仰）方向的最大偏差為9.5"，則FSM的線性度為

式中：ΔLmax為目標(biāo)角度與實際角度的最大偏差；YFS為最大偏差所對應(yīng)的設(shè)定角度值。根據(jù)（2）式所計算出的線性度結(jié)果如表2 中的最后兩列所示。從表2 中可以看出，X軸（方位）方向的線性度為0.197%，Y軸（俯仰）方向的線性度為0.19%，滿足±0.2%的使用要求。

4.4 重復(fù)定位精度測試

快速控制反射鏡的重復(fù)定位精度通過3σ進行表征，其測試方法是首先分別計算正反行程每個測試點的子樣標(biāo)準(zhǔn)差σi正和σi反，則快速控制反射鏡的重復(fù)定位精度為3σ。

測試步驟為：二維快速控制反射鏡電控箱上電，輸入驅(qū)動器零位電壓，調(diào)整自準(zhǔn)直儀的位置，使自準(zhǔn)直儀的出射光束與經(jīng)二維快速控制反射鏡反射后的光束重合，即反射光束的“十字”光標(biāo)位于自準(zhǔn)直儀的視場中心；改變驅(qū)動器電壓，使反射鏡從零位偏轉(zhuǎn)到正方向1 000"、2 000"、3 000"處。當(dāng)FSM 輸出角度穩(wěn)定后，記錄 1 min 內(nèi)自準(zhǔn)直儀顯示的實際偏轉(zhuǎn)角度的平均值xi，yi；改變驅(qū)動器電壓，使反射鏡從零位偏轉(zhuǎn)到負(fù)方向-1 000"、-2 000"、-3 000"處。當(dāng)FSM 輸出角度穩(wěn)定后，記錄 1 min 內(nèi)自準(zhǔn)直儀顯示的實際偏轉(zhuǎn)角度的平均值xi，yi；根據(jù)（3）式和（4）式計算重復(fù)定位誤差。具體測量結(jié)果如表3 所示。

表 3 重復(fù)定位精度測量結(jié)果Table 3 Repetitive positioning accuracy measurement results

在各個測試點，標(biāo)準(zhǔn)偏差按（3）式進行計算：

式中：xj為X方向各次的角度測量值；xˉ為各次測量角度的平均值。則X方向的重復(fù)定位精度為

Y方向與X方向計算方法相同。表3 中，根據(jù)實際使用情況，將偏轉(zhuǎn)的角度秒值轉(zhuǎn)換為μrad，測量結(jié)果如表3 中所示，其重復(fù)定位精度為4 μrad。

5 結(jié)論

快速控制反射鏡在激光對抗、目標(biāo)偵察、激光合束、穩(wěn)像、精密跟蹤等軍事領(lǐng)域有著廣泛的需求。本文設(shè)計了長、短軸分別為230 mm 和160 mm的橢圓形二維快速反射鏡，經(jīng)過測試，其運動控制線性度優(yōu)于±0.2%，角分辨率優(yōu)于1 μrad，重復(fù)性優(yōu)于4 μrad，可以實現(xiàn)兩維勻速、加速等連續(xù)運動。在內(nèi)部控制固定模式下，可以完成勻速、圓周等掃描模式，能夠滿足光電系統(tǒng)跟蹤精度測試過程中的光束模擬問題。未來，隨著技術(shù)的發(fā)展，軍事領(lǐng)域?qū)Υ罂趶?、高帶寬的快速控制反射鏡需求會越來越多，具有廣泛的應(yīng)用前景。