倪迎雪,傘曉剛,高世杰,吳佳彬,王 晶,王 濤,丁少行

(1.中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué),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(zhì)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(shì),較適合應(yīng)用于衛(wèi)星平臺(tái)；保密性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),使其在國防軍事領(lǐng)域有著重要應(yīng)用；此外,它的高數(shù)據(jù)傳輸效率及大通信容量在民用領(lǐng)域有著更加廣闊的應(yīng)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(duì)準(zhǔn)接收端以建立光通道,然而,由于諸多客觀因素,如平臺(tái)震動(dòng),目標(biāo)運(yùn)動(dòng)大氣散射、湍流等因素影響,容易導(dǎo)致激光光束偏離目標(biāo),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(yīng)用了捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤(APT)技術(shù),用來建立激光通信鏈路,并保證兩通信端機(jī)的光束能夠精確對(duì)準(zhǔn),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(guān)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(qū)動(dòng)器控制反射鏡的偏轉(zhuǎn)進(jìn)而調(diào)整光束傳播方向,恰好可以彌補(bǔ)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(guān)鍵器件之一。由于它具有高帶寬、高響應(yīng)速度、高控制精度等特點(diǎn),還被廣泛應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡、圖像穩(wěn)定、自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域[7-8]。

2 FSM國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 FSM國外研究現(xiàn)狀

隨著激光通信技術(shù)的發(fā)展,對(duì)激光光束傳播的控制要求越來越高,使得國內(nèi)外對(duì)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(jì)80年代美國麻省理工學(xué)院的Gregory C Loney為空間通信實(shí)驗(yàn)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(duì)FSM進(jìn)行研究,經(jīng)歷幾十年的技術(shù)積累,現(xiàn)已生產(chǎn)出多種FSM,均已廣泛應(yīng)用于航空航天光學(xué)系統(tǒng)中[12]。美國Left Hand Design Corporation公司從1995年開始設(shè)計(jì)FSM,現(xiàn)在設(shè)計(jì)的采用音圈電機(jī)的FSM最大行程可以達(dá)到±10°[13]。2005年,Francisc M. Tapos等人設(shè)計(jì)的三自由度的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的FSM控制帶寬可以達(dá)到1 kHz[14]。2007年,來自麻省理工學(xué)院的Daniel J. Klul 等人對(duì)FSM進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),為空間激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)了音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng),柔性鉸鏈支撐的FSM結(jié)構(gòu),反射鏡直徑為10～16 mm,行程可以達(dá)到±13 mrad,閉環(huán)帶寬10 kHz[5,15]。2008年,美國空間動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的適用于星載和機(jī)載設(shè)備的FSM,俯仰角可以達(dá)到±15°,控制帶寬為70 Hz[16]。2012年,韓國加工與材料研究所設(shè)計(jì)的基于三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的FSM,反射鏡直徑為28 mm,厚度為22 mm,閉環(huán)帶寬可以達(dá)到4 kHz[17]。2013年,美國雷聲公司為了空間和機(jī)載光學(xué)系統(tǒng)研制了兩軸FSM,反射鏡直徑82.8 mm,行程可以達(dá)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(chǎng)光譜儀設(shè)計(jì)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的FSM,精度達(dá)到28 nm[19]。2017年,韓國的Byoung Uk Nam等人設(shè)計(jì)的音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng),柔性鉸鏈支撐的FSM,反射鏡直徑為150 mm,行程達(dá)到1 mrad,控制帶寬達(dá)到500 Hz[20]。

2.2 FSM國內(nèi)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(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)元件、位置檢測(cè)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(jié)構(gòu)起到支點(diǎn)的作用,限制反射鏡在各個(gè)方向的平移自由度,使反射鏡只有繞兩工作軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；當(dāng)入射在反射鏡上的光束發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)時(shí),反射鏡由微型驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)發(fā)生角度偏轉(zhuǎn),位置檢測(cè)元件探測(cè)反射鏡偏轉(zhuǎn)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(biāo)位置由驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步推動(dòng)反射鏡發(fā)生角度偏轉(zhuǎn),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(cè)元件與FSM的控制系統(tǒng)構(gòu)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(jié)構(gòu)是FSM主要的承載元件,直接決定了FSM的承載能力,同時(shí)也影響FSM的轉(zhuǎn)動(dòng)精度和行程；驅(qū)動(dòng)元件為FSM反射鏡的偏轉(zhuǎn)提供推力,它直接影響了FSM的行程和帶寬；位置檢測(cè)元件的精度直接影響FSM的定位精度及響應(yīng)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(duì)于對(duì)帶寬要求比較高的FSM,基座的剛度應(yīng)該盡可能大。

4 FSM組成及關(guān)鍵技術(shù)研究

隨著FSM應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加及激光通信APT系統(tǒng)對(duì)FSM的精度與響應(yīng)速度要求越來越高,國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)對(duì)FSM的各組成部分進(jìn)行深入研究,主要集中在以下幾個(gè)方面:(1)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);(2)反射鏡鏡體的輕量化設(shè)計(jì);(3)高性能驅(qū)動(dòng)器的選擇與設(shè)計(jì);(4)高精度、高分辨率位置檢測(cè)裝置的選擇與設(shè)計(jì);(5)穩(wěn)定可靠的控制算法設(shè)計(jì)。

4.1 支撐結(jié)構(gòu)

FSM機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要區(qū)別在于支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),它也是FSM中主要的承載部件。根據(jù)支撐結(jié)構(gòu)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(gè)固定的軸系,外框架軸系的軸承座固定在基板上,內(nèi)框架軸系安裝在外框架上,同時(shí)內(nèi)框架軸系也起到反射鏡鏡座的作用。該結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)勢(shì)是:旋轉(zhuǎn)中心穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)剛度好,承載能力強(qiáng),但是該結(jié)構(gòu)存在致命的缺陷是:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,摩擦力矩大,響應(yīng)速度低。一般X-Y框架式FSM采用軸承與框架構(gòu)成軸系,軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存在的摩擦和間隙,會(huì)導(dǎo)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(zhuǎn)動(dòng)精度。

圖2 X-Y框架式FSM

4.1.2 柔性軸承式FSM

人乳腺癌細(xì)胞Bcap-37和MCF-7及人肺癌細(xì)胞A549均由浙江省人民醫(yī)院隋梅花教授饋贈(zèng)。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(shí)驗(yàn)所用細(xì)胞均為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞。

柔性軸承式FSM是基于柔性軸承的一種結(jié)構(gòu)形式,柔性軸承式FSM具有穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)中心,但是無需對(duì)軸系進(jìn)行設(shè)計(jì),該FSM工作時(shí)完全依賴柔性軸承的角變形進(jìn)行工作,并且在FSM處于不工作狀態(tài)時(shí),柔性軸承可以保證FSM處于平衡位置,無需復(fù)位裝置,在系統(tǒng)斷電時(shí)可以保護(hù)音圈電機(jī)的磁鋼與線圈不發(fā)生碰撞。此外柔性軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)精度較高。圖3(a)為柔性軸承的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí),只產(chǎn)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(zhuǎn)范圍相對(duì)于FSM的偏轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)示意圖及柔性軸承式FSM結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖

4.1.3 柔性無軸式FSM

柔性無軸式FSM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無摩擦力矩和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),但是,FSM運(yùn)動(dòng)部件的載荷主要由柔性件支撐,在震動(dòng)沖擊等惡劣環(huán)境中工作時(shí),反射鏡除了在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生微量的軸向位移,進(jìn)而導(dǎo)致FSM的轉(zhuǎn)動(dòng)精度降低。因此,該類型FSM對(duì)柔性支撐的要求較高。如圖4所示為美國麻省理工學(xué)院研制的柔性無軸式FSM結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)部分與固定基座,同時(shí)限制了反射鏡沿柔性軸方向的軸向平動(dòng),柔性環(huán)限制了反射鏡的扭轉(zhuǎn)及在兩個(gè)橫向方向上的平動(dòng)。

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(jié)構(gòu),柔性鉸鏈也被廣泛的應(yīng)用于該系統(tǒng)。柔性鉸鏈的性能與鉸鏈切口形狀有關(guān),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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)動(dòng)精度,但是行程相對(duì)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(zhuǎn)角,比直梁型柔性鉸鏈有較高的轉(zhuǎn)動(dòng)精度。此外,混合型柔性鉸鏈可以結(jié)合兩種不同柔性鉸鏈的優(yōu)點(diǎn),得到較好地性能,已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

圖6 采用直梁型柔性鉸鏈做運(yùn)動(dòng)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(jié)不同支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如表1所示。

表1 不同支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)比

4.2 反射鏡

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

Fig.8 The generally lightweight structure of the mirror

圖9 無鏡框式反射鏡結(jié)構(gòu)

4.3 驅(qū)動(dòng)元件

為了保證FSM的高精度、高響應(yīng)頻率等特點(diǎn),對(duì)驅(qū)動(dòng)元件的精度、分辨率、響應(yīng)速度等提出了極高的要求。目前,廣泛應(yīng)用在FSM中的驅(qū)動(dòng)元件主要為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)(PZT) 器和音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(VCA),如圖10所示,它們的性能特點(diǎn)如表3所示。

圖10 兩種驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器類型工作范圍優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)壓電陶瓷0～100μm響應(yīng)速度快；帶寬高；幾乎不受磁場(chǎng)干擾驅(qū)動(dòng)電壓大；移動(dòng)范圍小且有遲滯蠕變特性音圈電機(jī)幾毫米到幾十毫米行程較大；無滯后；驅(qū)動(dòng)電壓低易受磁場(chǎng)的影響；響應(yīng)頻率低

通過對(duì)以上兩種驅(qū)動(dòng)元件性能的比較,可以得出音圈電機(jī)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(qū)動(dòng)器比較適合應(yīng)用于對(duì)帶寬要求較高的FSM。

針對(duì)PZT伸縮梁小的問題,國內(nèi)外研究學(xué)者做了大量的工作,設(shè)計(jì)出多種適用于不同工作場(chǎng)合的PZT位移放大機(jī)構(gòu),圖11為1種利用PZT位移放大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的FSM圖；另外,通過改變驅(qū)動(dòng)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(fù)載的不斷增大,對(duì)驅(qū)動(dòng)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(jī)模型,相比于傳統(tǒng)的具有整體磁鐵的音圈電機(jī),他采用多塊永磁鐵組合而成,不僅大大減小了漏磁,同時(shí)也改變了磁感線的分布,提高了電機(jī)的推力[7]。

4.4 位置檢測(cè)裝置

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

圖11 利用PZT位移放大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的FSM

圖12 大推力音圈電機(jī)

位置檢測(cè)裝置類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電渦流傳感器測(cè)量精度高；響應(yīng)速度快；線性度好價(jià)格昂貴；測(cè)量范圍相對(duì)較小電容傳感器測(cè)量精度高；響應(yīng)速度快；體積小測(cè)量范圍相對(duì)較??；存在溫度漂移光柵測(cè)微儀精度高；分辨率高；線性度好體積大電阻應(yīng)變片體積??；成本低；易于集成存在溫度漂移；測(cè)量精度低光電類位置傳感器測(cè)量范圍大；抗電磁干擾能力相對(duì)較強(qiáng)；可以與FSM基座儀器設(shè)計(jì)以減小體積；光路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜

用于FSM中的光電類傳感器主要包括四象限探測(cè)器(QD)和PSD,需要光源和反射鏡共同配合兩者組成位置測(cè)量裝置,具體測(cè)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(duì)光能量分布的計(jì)算,最終得到反射鏡的位置信息。QD相對(duì)于PSD具有較大的測(cè)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(jié)構(gòu)更加緊湊。但是,采用光電傳感器的位置檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜,它的精度與光程和光源均有關(guān)系,所以針對(duì)不同類型的FSM,均需要設(shè)計(jì)合適的位置檢測(cè)裝置。

圖13所示為國防科技大學(xué)設(shè)計(jì)的音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng),PSD作為位置檢測(cè)裝置的FSM[17]。采用PSD傳感器的位置檢測(cè)裝置安裝在基座的背面,整個(gè)FSM的外形尺寸與四個(gè)音圈電機(jī)排布近似,所以使得FSM結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。

圖13 音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)與PSD傳感器相結(jié)合的FSM結(jié)構(gòu)模型

4.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)可以控制FSM實(shí)現(xiàn)快速定位或偏轉(zhuǎn)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(yīng)控制兩種控制方法。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,參數(shù)易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn),因此得到廣泛應(yīng)用。隨著FSM的結(jié)構(gòu)行程及應(yīng)用場(chǎng)合的增多,在傳統(tǒng)PID控制算法的基礎(chǔ)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(yīng)控制方法,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)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(diào)整控制器參數(shù)的最終目標(biāo)是提高系統(tǒng)的控制帶寬和穩(wěn)定性。并且,系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性有極高的要求,否則,由于相位滯后,控制效果將會(huì)受到嚴(yán)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(jié)

伴隨著激光通信的發(fā)展,APT系統(tǒng)對(duì)捕獲視場(chǎng)、穩(wěn)定瞄準(zhǔn)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(zhǔn)精度的重要組成部分之一,其技術(shù)發(fā)展必然與上述系統(tǒng)的要求相適應(yīng)。由于激光通信系統(tǒng)中兩個(gè)端機(jī)之間距離較遠(yuǎn),導(dǎo)致光束在傳輸過程可能會(huì)出現(xiàn)較大角度的偏移,因此需要設(shè)計(jì)大行程的FSM對(duì)光束偏轉(zhuǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。為了滿足激光通信APT系統(tǒng)對(duì)跟蹤、瞄準(zhǔn)精度的要求,FSM對(duì)位置檢測(cè)裝置的測(cè)量精度及支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度有較高的要求。同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)激光通信APT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(yīng)用需求,可以通過以下4個(gè)方面對(duì)FSM的進(jìn)行設(shè)計(jì):

(1)音圈電機(jī)憑借其精度高、響應(yīng)速度快、行程大和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)在FSM中占有主導(dǎo)地位,尤其在高精度、大行程FSM驅(qū)動(dòng)裝置中有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

(2)基于QD的位置檢測(cè)裝置不僅可以有效地提高測(cè)量行程、分辨率,且有較強(qiáng)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(cè)量精度和高的線性度適合應(yīng)用于對(duì)精度要求較高的FSM。

(3)為了提高FSM的帶寬,需要減小運(yùn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)反射鏡鏡體等運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

(4)在支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面,需要進(jìn)一步提高柔性鉸鏈的承載能力、轉(zhuǎn)角范圍和精度,因此,針對(duì)柔性鉸鏈的研究依然是熱點(diǎn)。同時(shí),為了提高FSM工作精度,具有精度高、響應(yīng)速度快和可靠性高的位置檢測(cè)裝置也成為研究的主流。

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