王 震，程雪岷

(清華大學(xué) 深圳研究生院 精密儀器系，深圳518055)

引言

作為在光源和接收器之間進(jìn)行光束指向控制的反射鏡器件，快速反射鏡(fast steering mirror，F(xiàn)SM)結(jié)合了高精度角度測(cè)量技術(shù)、微位移驅(qū)動(dòng)技術(shù)、先進(jìn)控制理論等多種先進(jìn)技術(shù)理論，相比傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)大大提高了指向控制精度、控制帶寬、角度分辨率。得益于其體積小巧的優(yōu)點(diǎn)，快速反射鏡易于應(yīng)用在多種光機(jī)電系統(tǒng)中以改善系統(tǒng)性能[1-5]。

1 快速反射鏡組成及工作原理

快速反射鏡主要由反射鏡、驅(qū)動(dòng)元件、支撐結(jié)構(gòu)、角度測(cè)量傳感器、基座、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。以兩軸快速反射鏡為例分析，其工作原理如圖1所示，支撐結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)元件及角度測(cè)量傳感器安裝于基座上；支撐結(jié)構(gòu)與反射鏡連接并限制其3個(gè)平移自由度及1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度；驅(qū)動(dòng)元件可以推拉反射鏡使其產(chǎn)生兩軸的角度旋轉(zhuǎn)；角度測(cè)量傳感器測(cè)量反射鏡的角度偏轉(zhuǎn)量并反饋給控制系統(tǒng)；集成控制算法的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可根據(jù)角度測(cè)量值閉環(huán)控制驅(qū)動(dòng)元件使反射鏡實(shí)現(xiàn)可控角度偏轉(zhuǎn)。

圖1 FSM工作原理Fig.1 Schematic diagram of FSM

2 快速反射鏡的分類(lèi)

2.1 按支撐結(jié)構(gòu)分類(lèi)

支撐結(jié)構(gòu)連接快速反射鏡基座與反射鏡，目前有3種結(jié)構(gòu)：柔性支撐式結(jié)構(gòu)、X-Y框架式結(jié)構(gòu)、剛性支撐式結(jié)構(gòu)，其中柔性支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。

柔性支撐式快速反射鏡通過(guò)柔性組件實(shí)現(xiàn)鏡體與基座的連接，一般具有限制鏡體3個(gè)平移自由度及垂直鏡體的旋轉(zhuǎn)自由度的作用。圖2為麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室研制的快速反射鏡[1]，具有柔性軸+柔性環(huán)的柔性支撐結(jié)構(gòu)。其中柔性環(huán)限制鏡體2個(gè)橫向平移自由度及扭轉(zhuǎn)自由度，柔性軸連接鏡體及基座并限制鏡體的軸向位移。

圖2 MIT快反鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic diagram of MIT’s FSM

另外一種柔性支撐結(jié)構(gòu)[6](如圖3)采用柔性鉸鏈，按照柔性鉸鏈的切口形狀主要有直圓型、直梁型、橢圓型、倒圓角三角型。

柔性支撐結(jié)構(gòu)具有角位移精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)摩擦力矩、響應(yīng)速度高等優(yōu)點(diǎn)；但其結(jié)構(gòu)抗干擾能力較低，尤其是工作在有振動(dòng)沖擊的惡劣環(huán)境，鏡體可能產(chǎn)生微量軸向位移及角位移。因此柔性支撐快速反射鏡常應(yīng)用于工況良好精度要求較高的場(chǎng)合，如空間光通訊、天文望遠(yuǎn)鏡、激光武器。

圖3 兩軸柔性支撐結(jié)構(gòu)Fig.3 Two-axis flexure support structure

X-Y框架式結(jié)構(gòu)[7](如圖4)由內(nèi)外2個(gè)框架組成，外框架通過(guò)軸承與基座連接，內(nèi)框架通過(guò)軸承安裝于外框架，反射鏡固定于內(nèi)框架上，內(nèi)外框架軸系垂直。X-Y框架式結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)中心穩(wěn)定、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)剛度高，但該結(jié)構(gòu)角位移精度受限于軸承徑向間隙，且存在轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦、控制精度與帶寬較低等缺點(diǎn)。

圖4 X-Y框架式FSM結(jié)構(gòu)圖Fig.4 FSM withX-Yframe structure

剛性支撐式結(jié)構(gòu)[8-9](如圖5)通過(guò)剛性球面副實(shí)現(xiàn)反射鏡與基座的連接，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、抗沖擊性能優(yōu)秀的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是球面副摩擦阻力大、響應(yīng)速度有限、轉(zhuǎn)動(dòng)精度低、加工裝調(diào)難度高。

圖5 剛性支撐式FSMFig.5 FSM with rigidly support structure

2.2 按驅(qū)動(dòng)元件分類(lèi)

目前快速反射鏡的驅(qū)動(dòng)元件有音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器兩種方案。

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生位移，驅(qū)動(dòng)電壓100 V左右，行程約100 μm，具有驅(qū)動(dòng)力大、分辨率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是其抗沖擊性能差，行程較小需要位移放大機(jī)構(gòu)，且存在遲滯蠕變等非線性因素。

音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器利用通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的安培力，輸出力大，且與電流成正比。音圈電機(jī)動(dòng)定子間存在工作間隙，允許一定范圍的反射鏡偏轉(zhuǎn)引起的動(dòng)定子相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，且其位移分辨力高，理論上取決于傳感器測(cè)量精度。音圈電機(jī)快速反射鏡的優(yōu)點(diǎn)是精度高、工作行程較大、驅(qū)動(dòng)電壓低、易于驅(qū)動(dòng)控制，缺點(diǎn)是受磁場(chǎng)影響，響應(yīng)頻率低于壓電陶瓷。

2.3 按控制器分類(lèi)

快速反射鏡的控制目前主要有模擬控制器及數(shù)字控制器兩種方案，模擬控制器具有帶寬大、分辨率高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其受芯片性能漂移影響，難以應(yīng)用調(diào)整復(fù)雜算法。隨著數(shù)字芯片的發(fā)展，研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始使用FPGA和DSP等控制器實(shí)現(xiàn)快反鏡數(shù)字控制，數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律且控制參數(shù)易于調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)日益明顯，并逐漸取代模擬控制。

3 國(guó)內(nèi)外快速反射鏡研究現(xiàn)狀

快速反射鏡的研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)研制出不同性能特點(diǎn)的快速反射鏡。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)快速反射鏡普遍采用柔性支撐結(jié)構(gòu)，使用反作用質(zhì)量塊設(shè)計(jì)可提高音圈電機(jī)快速反射鏡系統(tǒng)開(kāi)環(huán)諧振頻率至1.8 kHz，性能上其閉環(huán)帶寬可達(dá)10 kHz，閉環(huán)控制精度0.1 μrad左右。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上沒(méi)有采用反作用質(zhì)量塊，開(kāi)環(huán)諧振頻率較低為100 Hz，性能上閉環(huán)帶寬1 kHz左右，閉環(huán)控制精度1 μrad左右。

3.1 MIT’s HBSM

1990年,HBSM(high bandwidth steering mirror)由美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室(Lincoln laboratory)研制[1,10]，圖2為其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。HBSM采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，磁鋼固定于基座，線圈與反射鏡固連降低負(fù)載質(zhì)量；使用柔性軸+柔性環(huán)的柔性支撐結(jié)構(gòu)，具有2個(gè)偏轉(zhuǎn)自由度；結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，反射鏡采用高剛性密度的金屬鈹，減小反射鏡直徑，增大電機(jī)推拉力臂；傳感器采用電渦流差分傳感器；模擬PID驅(qū)動(dòng)控制。HBSM具有10 kHz的閉環(huán)控制帶寬，可以對(duì)100 Hz至1 kHz的擾動(dòng)進(jìn)行抑制，被應(yīng)用于空間光通信等對(duì)指向穩(wěn)定性要求很高的光機(jī)設(shè)備。反射鏡直徑：16 mm；角行程：±13 mrad；閉環(huán)帶寬：10 kHz； 角分辨率：0.2 μrad ；角位移精度：0.2 μrad。

3.2 MIT’s AFSM

AFSM(advanced fast steering Mirror)是2007年MIT研制的一款用于空間光通訊的兩軸快反鏡[11-12](如圖6)，其在HBSM的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。AFSM由4個(gè)新型電磁驅(qū)動(dòng)器、新型柔性支撐結(jié)構(gòu)、反射鏡、電容探針傳感器及基座組成，新型電磁驅(qū)動(dòng)器可提供4 000 g的加速度，電流熱效應(yīng)影響更??；柔性支撐結(jié)構(gòu)采用彈性橡膠材料，具有頻率相關(guān)的阻尼特性，控制性能更好，結(jié)構(gòu)緊湊質(zhì)量輕，柔性桿限制軸向平移自由度，橡膠材料限制2個(gè)橫向平移自由度及扭轉(zhuǎn)自由度。反射鏡直徑：30 mm；角行程：±3.5 mrad；閉環(huán)帶寬：10 kHz；角位移精度：<0.4 μrad。

圖6 AFSM結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural schematic diagram of AFSM

3.3 Ball Aerospace’s two-axis FSM

圖7左為1990年Ball Aerospace研制的兩軸快速反射鏡[13]，反射鏡采用金屬鈹，并通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低反射鏡質(zhì)量；音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，磁鋼輕質(zhì)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；反作用質(zhì)量塊位于反射體后與柔性軸相連降低反作用力及力矩影響，提高諧振頻率。開(kāi)環(huán)截止頻率1.8 kHz,閉環(huán)控制帶寬達(dá)到4 kHz，跟蹤誤差可達(dá)10 nrad。反射鏡直徑：25.4 mm；角行程：±50 mrad；閉環(huán)帶寬：4 kHz；角分辨率：0.2 μrad；角位移精度：0.2 μrad。

圖7 Ball Aerospace兩軸快反鏡(左)MSFSM(右)Fig.7 Two-axis FSM(left) and MSFSM(right) of Ball Aerospace

3.4 Ball Aerospace’s MSFSM

MSFSM(magnetically-suspended fine-steering mirror)是由美國(guó)Ball Aerospace公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款六自由度磁懸浮快速反射鏡[14-15]。如圖6右，MSFSM由8個(gè)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、6個(gè)傳感器、反射鏡及基座組成；沒(méi)有采用柔性支撐結(jié)構(gòu)，具有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度可以實(shí)現(xiàn)聚焦控制；127 mm大直徑金屬鈹反射鏡；驅(qū)動(dòng)器磁鋼與反射鏡連接降低線圈熱效應(yīng)；電渦流差分傳感器；功率損耗較高；多輸入多輸出控制系統(tǒng)，需要完成驅(qū)動(dòng)器耦合矩陣及傳感器耦合矩陣測(cè)量；被應(yīng)用于空間望遠(yuǎn)鏡。

反射鏡直徑：12.7 cm 角行程：±87 mrad

角偏轉(zhuǎn)閉環(huán)帶寬：600 Hz 角位移精度：1 μrad

對(duì)準(zhǔn)帶寬(鏡平面X,Y軸)：50 Hz位移分辨率：2 μm

聚焦帶寬(Z軸)：50Hz 位移分辨率：2 μm

3.5 ATA’s OIRU

圖8為ATA(applied technology associates)公司的快速反射鏡產(chǎn)品，口徑覆蓋25.4 mm～304.8 mm；控制帶寬高于1 kHz；角位移分辨率可達(dá)50 nrad；采用模擬電路或數(shù)字方式(FPGA或xPC)控制；部分型號(hào)中安裝有慣性傳感器，圖中除8個(gè)驅(qū)動(dòng)器，6個(gè)角位移傳感器外還有4個(gè)慣性傳感器，可以實(shí)現(xiàn)慣性閉環(huán)。ATA的OIRU(optical inertial reference unit)[16]是可以提供極低慣性抖動(dòng)的光學(xué)參考器件，可為空間光通訊(如圖9)及天文望遠(yuǎn)鏡等光機(jī)設(shè)備提供穩(wěn)定慣性參考。OIRU產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成與快速反射鏡類(lèi)似，一般包括4～8個(gè)驅(qū)動(dòng)器、4～8個(gè)角位移傳感器、4～8個(gè)慣性傳感器(陀螺儀、高精度角速率傳感器、加速度計(jì))、激光光源及基座。OIRU采用FPGA執(zhí)行多種信號(hào)采集、信號(hào)處理、控制算法及控制信號(hào)輸出，信號(hào)采集處理頻率可達(dá)20 kHz。OIRU的產(chǎn)品抖動(dòng)性能(1～1 000 Hz)：0.1 μrad；帶寬：大于100 Hz；位置精度：<1 μrad。

圖8 OIRU結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structural schematic diagram of OIRU

圖9 OIRU應(yīng)用于空間光通信Fig.9 Application of OIRU in space optical communication

3.6 Lockheed Martin’s PZT FSM

圖10為洛克希德馬丁空間系統(tǒng)公司生產(chǎn)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)快速反射鏡[17]，應(yīng)用于邁克爾遜干涉儀，要求高鏡面質(zhì)量、高位移分辨率、低重復(fù)誤差。針對(duì)應(yīng)用要求，快速反射鏡采用直徑50.8 mm、厚12.7 mm的金屬鈦材質(zhì)鏡片，4∶1的直徑厚度比保證了很高的剛度，鏡面波前誤差1/900λ，1/250λ的P-V誤差，表面變形少于1 nm；采用3個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，可提供3個(gè)平移自由度。閉環(huán)帶寬1 kHz；穩(wěn)態(tài)精度4 nrad。

圖10 洛馬公司快反鏡Fig.10 PZT FSM of Lockheed Martin

3.7 二維剛性支撐快反鏡

圖5為中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研制的二維高承載大口徑快速反射鏡[8-10]，反射鏡通過(guò)滾珠與基座剛性連接，提高了快速反射鏡的承載能力和環(huán)境適應(yīng)性；采用超硬鋁合金反射鏡，并進(jìn)行鏤空輕量化設(shè)計(jì)；采用4個(gè)光柵測(cè)微儀進(jìn)行角度測(cè)量，測(cè)量精度達(dá)到1.454 4 μrad；閉環(huán)定位精度6.79 μrad。

3.8 成都光機(jī)所壓電快反鏡

1995年成都光機(jī)所研制出一系列壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)快速反射鏡[18]，反射鏡最初采用圖11左所示的三支點(diǎn)連接方式，其中一個(gè)支點(diǎn)連接柔性支撐結(jié)構(gòu)，另外兩支點(diǎn)連接壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，壓電陶瓷作用下可以實(shí)現(xiàn)兩軸偏轉(zhuǎn)。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器位移分辨率達(dá)到0.01 μm，角位移分辨率可達(dá)0.7 μrad，被應(yīng)用于天文自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，追蹤目標(biāo)精度可達(dá)0.048 μrad。2009年成都光機(jī)所[19]對(duì)快反鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，不僅采用了圖11右所示的原點(diǎn)支撐，四壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器推拉驅(qū)動(dòng)的方案，還引入了薄板徑向支撐設(shè)計(jì)，將諧振頻率從125 Hz提高至251 Hz，提高了快反鏡的系統(tǒng)剛度、角行程。

圖11 成都光機(jī)所壓電陶瓷快反鏡Fig.11 PZT FSM from Institute of Optics andElectronics, CAS

3.9 西安君蘭電子快速反射鏡

西安君蘭電子研制的一系列快速反射鏡(圖12)采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，反射鏡口徑25 mm～80 mm，角位移行程最大±1.5°，閉環(huán)帶寬可達(dá)400 Hz，角位移分辨率和重復(fù)精度可達(dá)1 μrad，且具有0.03%線性度高于大部分快反鏡產(chǎn)品。其采用FPGA實(shí)現(xiàn)閉環(huán)PID控制，上位機(jī)可通過(guò)RS422協(xié)議控制其通訊。

圖12 西安君蘭電子音圈電機(jī)快反鏡Fig.12 Voice coil FSM of JUNLAN Electronics

3.10 哈爾濱芯明天壓電陶瓷快速反射鏡

哈爾濱芯明天公司研制出一系列壓電陶瓷快速反射鏡(圖13)，最大偏轉(zhuǎn)角度25 mrad，最小角位移分辨率0.02 μrad，最大鏡片直徑60 mm，最大閉環(huán)諧振頻率2.6 kHz。

圖13 哈爾濱芯明天壓電陶瓷快反鏡Fig.13 PZT FSM of COREMORROW

4 結(jié)束語(yǔ)

快速反射鏡的選型與設(shè)計(jì)需要考慮多種因素：1)驅(qū)動(dòng)元件上，相比壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩，角位移行程更大，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，但其位移精度及控制帶寬較低，因此在工作環(huán)境良好相對(duì)精度要求高的場(chǎng)合可選用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器；2)支撐結(jié)構(gòu)上，柔性支撐具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)間隙傳動(dòng)、高控制精度、高控制帶寬、多種變形設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)該得到更多的研究與重視；3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，反射鏡輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高剛度質(zhì)量比材料、反作用質(zhì)量塊減震設(shè)計(jì)等可大大提高快反鏡的控制性能；4)角位移傳感器上，電渦流傳感器及應(yīng)變片傳感器依靠其體積小巧、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快成為主流解決方案，另外陀螺儀、重力加速度計(jì)[20-23]可擴(kuò)展快反鏡的應(yīng)用領(lǐng)域；5)控制器上，數(shù)字控制器如FPGA可提供多傳感器的高速并行采樣與處理，可集成復(fù)雜控制算法提高快反鏡的性能，且易與數(shù)字系統(tǒng)結(jié)合。綜上所述，高閉環(huán)帶寬、高控制精度和數(shù)字控制是目前國(guó)內(nèi)外快速反射鏡的發(fā)展趨勢(shì)。