快速反射镜关键技术研究

第43卷 第 10期2013年 10月激 光 与 红 外LASER & INFRAREDVo1．43．No．10October．2013文章编号：1001-5078(2013)10—1095-09快速反射镜关键技术研究· 综述与评论 ·徐新行 ，杨洪波 ，王 兵 ，高云国(1．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2．中国科学院大学，北京 100049)摘 要：快速反射镜(FSM)凭借其高精度、高分辨力、快响应等优点，被广泛应用于天文望远镜、自适应光学、复合轴精密跟踪等领域。尽管国内外关于FSM的研究较多，但少有对其关键技术的系统总结。首先，介绍了国内外 FSM的发展现状和研究热点，分析 了FSM 的主要性能指标与各组成部分之间的关系。在延用FSM传统按支撑结构不同分类方式的同时，首次提出了按功能用途不同的分类方式，并针对各类 FSM的结构特点和功能用途等进行 了深入探讨；然后，在明确 FSM结构组成的基础上，系统阐述了FSM 系统中支撑铰链、工作镜体、驱动元件、测量元件和控制系统等关键技术，首次提出将柔性铰链分为四周分散式、中心集中式及四周分散与中心集中相结合式的分类方式，并分别对驱动元件、测量元件的排布方式进行了对比分析。最后，通过对FSM 系统各关键技术的归纳总结，提 出了FSM 向大口径、大角度、高精度、高响应和高承载等方向发展的趋势。

关键词：快速反射镜；柔性铰链；刚性支撑；响应速度中图分类号：TH703 文献标识码：A DOI：10．3969／j．issn．1001-5078．2013．10．03Research on key technology of fast·steering mirrorXU Xin．hang ，YANG Hong．bo ，WANG Bing ，GAO Yun—guo(1．Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2．University of Chinese Academy of sciences，Beijing 100049，China)Abstract：Fast—steering mirror(FSM)which has high precision，high resolution and fast response speed is widelyused in astronomical telescope，adaptive optical system，precise tracking system with composite axes and SO on．First—ly，development status of FSM ，research emphasis on FSM at home and abroad are introduced，correlation between pri—mary performances and constitutes of FSM is analyzed．FSM classifying method according to functions is put forwardinstead of conventional classifying method according to support structure．Then，structure pecu!iarity and functions ofFSM with different styles are discussed．Secondly，some key technologies on support hinge，glass，actuators，measuresensor and control system of FSM are introduced in detail，synchronously，diferent arrange styles of actuators and sen—sors are analyzed contrastively．At last，developing direction of FSM with big diameter，large angle，high precision，highresponse speed and great bearing capacity is pointed out.

Key words：fast—steering mirror；flexure hinge；rigidly support；response rate1 引 言快速反射镜(FSM)作为发射光源与接收端之间控制光束传播方向的精密光学仪器，集光、机、电技术于一身，具有响应快、精度高、分辨力大等突出优点，已被广泛应用于天文望远镜、激光通讯、图像稳基金项 目：吉林 省 自然科学基金项 目(No．201115123)资助，“863”项目(No．2011AA7031024G)资助。

作者简介：徐新行(1983一)，男，博士，研究方向为光学精密仪器的设计研究。E—mail：xxh123321xxh###163．con收稿日期：2013—03—28激 光 与 红 外 第43卷定、自适应光学、高精度激光合束、复合轴精密跟踪等领域 ¨J。

长期以来，国内外关于 FSM 的研究就十分火热。 。起初，主要立足于一些工程、基金项 目如：美国马萨诸塞州技术研究所(MIT)为空间光通信实验研制了高带宽柔性轴式 FSMl9 ；美国左手设计局(LHDC)与喷气推进实验室(JPL)合作设计了两轴柔性指向式 FSM，用于补偿卫星姿态控制系统引起的抖动? ；美国国家天文台(NOAO)为麦哲轮巨型望远镜(GMT)的次镜研制了超大型拼接式 FSM，它主要由7个独立的小型 FSM组成，拼接直径达3．2 13l1。 近年来，中科院长春光机所在王兵研究员的带领下针对车载移动平台，设计了多种刚性承载式 FSM，主要用 于精确控制光束 的发射方向 。国防科学技术大学也在国家自然科学基金的资助下研制了两维独立柔性轴式 FSM，并针对柔性铰链的结构形式、材料选择、刚度分析等展开了理论分析计算 。华中科技术大学近年来也开始有关于高性能 FSM系统的研制成果见诸报端 。后来 ，随着 FSM应用领域的进一步扩大，国内外一些公司经过多年的研究与积累，开始形成一些系列化产品，并逐渐将其推向市场。如，德国PI公司采用巧妙的柔性环结构实现两轴摆动，应用压电陶瓷驱动，生产了高精度、高响应速度的FSM系列产品，其小信号带宽在 500～900 Hz之间 。美国 Bal Aerospace&technologies公司采用集中柔性弹片支撑，音圈电机驱动，生产了一系列大角度 FSM产品，其转角范围可达 30 ，环境适应性更加优异 I2 。此外 ，中科院成都光电所早在20世纪 90年代便开始在凌宁教授的带领下从事 FSM的研制工作，目前已生产出 8～140口径的系列化产品 ；哈尔滨芯明天公司也一直致力于高精度、高响应 、压 电陶瓷驱动柔性无轴式 FSM的研制开发，经过多年的努力取得了不错的成果。所生产 FSM在响应速度方面虽与国外还存在一定差距，但已呈现出取代进 口产品的趋势。

柔性无轴式 FSM作为国内外研究的重点，具有结构简单、无摩擦、响应快等优点，不足之处是承载能力十分有限 。鉴于此，国内外学者针对柔性支撑铰链做了大量的研究工作，设计出各式各样的柔性件，以期改善 FSM的承载能力与环境适应性，也取得了良好的效果 21”j。同时，一些新型支撑结构的 FSM也开始见于文献报道 。。 ，如刚性支撑式 FSM从结构原理上保证了系统的承载能力与抗冲击、振动性能，使 FSM开始向车载、机载、舰载等应用领域迈进 I2。’ 。

2 FSM的主要性能指标FSM的主要性能指标包括：有效通光 口径、转角范围、角分辨力、控制带宽和响应频率等 卫 引j。

其中，有效通光口径反映了 FSM所能校正光束直径的范围，它决定了 FSM工作镜体的大小，进而影响系统的负载惯量，最终限制 FSM的响应频率。转角范围是指工作镜体所能转动的最大角度，从应用方面考虑，它必须能够覆盖 FSM工作对象所需求的调节范围。但为了保证系统高的响应频率，FSM的转角范围往往比较小(多为分级)。因此，为了实现大的工作范围，FSM通常与大惯量的二维转台配合使用构成复合轴系统 J。角分辨力是指 FSM的工作镜体所能实现的最小转角，它与位置传感器的分辨力及 FSM装置的加工装调精度有关；控制带宽是指FSM控制系统的频带宽度。带宽越高，对外界干扰的抑制能力越强。对于响应频率要求不高的系统，其控制带宽较窄，一般远低于结构件的固有频率。

而对于响应频率要求较高的系统，其控制带宽应尽可能大。为了避免谐振的发生，在结构件设计过程中，应保证各阶谐振频率不落在 FSM的控制带宽以内 ；响应频率是指 FSM系统最终所能达到的响应速度，它直接影响着系统的跟踪能力，一般响应速度越快，跟踪精度也就越高。它与 FSM的结构谐振频率，驱动器的响应速度及控制系统的带宽有关。

图1为 FSM的主要性能指标与各组成部分之间的关系图。

焦 匡：=嚣 匿 设计行程 i结构【l
茎灞 响应速度H{兀仟4
磊 i 响应速度卜_叫l兀件IJ一??一图 1 FSM的性能指标与各组成部分之阳】关系Fig．1 Correlations between FSM performances and constitute3 FSM的分类3．1 按支撑结构分类根据支撑方式的不同，FSM主要分为：柔性无轴式结构、x—Y轴框架式和刚性支撑式 3大类，这也是目前最为常用的分类方式。

柔性无轴式 FSM的突出优点是：结构简单、无竺



激 光 与 红 外 No．10 2013 徐新行等 快速反射镜关键技术研究 1101均由4个位置传感器差分获得，因此 ，大幅度提高了FSM系统的测量精度。

4．5 控制系统控制系统主要用来控制 FSM实现定位或快速偏转等功能，可采用模拟控制器或数字控制器来实现。其中，模拟控制器具有带宽大、分辨率高、设计简单等优点，但存在元件老化、温度漂移等缺陷。而数字控制器不仅实现方便、灵敏度高、抗干扰能力强，而且精度不受噪声、漂移等的影响，尤其在实现复杂控制规律方面具有模拟控制器无可比拟的优势，因此被越来越多的应用于 FSM系统的控制。

在数字控制算法方面，选择什么样的控制方案并没有一个绝对的依据，主要以提高系统的控制带宽和稳定性为最终目的。目前采用比较多的是 PID控制算法，并通过理论计算、实验分析、参数 自寻等手段，获得最佳的PID控制参数。同时，辅以剔野值算法、滤波算法等，以实现 FSM系统较好的控制效果。此外，随着不同结构形式及功能用途 FSM的出现，在传统 PID控制算法的基础上发展了不完全微分 PID算法、模糊 PID算法等，也取得了良好的控制效果。

5 结 论随着 FSM系统应用领域的进一步拓宽，对大口径、大角度、高承载、高响应速度 FSM的需求也越来越多。为了适应这些应用需求，FSM呈现出多元化的发展趋势。

在驱动方式上，压电陶瓷和音圈电机凭借其高精度、高分辨率、高响应速度等优点，依然是FSM系统驱动元件的首选。在工作镜体的设计方面，选择比刚度高、散热性好的新型材料，并进行合理的轻量化结构设计，以适应 FSM向大口径、高响应方向发展的趋势。在支撑铰链选择上，为了克服现有柔性无轴式结构承载能力不足的缺陷，针对柔性铰链的研究依然是热点。同时，为了从根本上改善柔性无轴式 FSM的环境适应性，新型刚性承载式 FSM也越来越受到重视。在测量元件方面，采用小体积、高精度、高响应、易于集成的微位移传感器成为主流。

在控制系统方面，采用高运算速度的DSP处理器，结合先进的控制算法，以实现 FSM系统更优的控制精度和动态响应性能。

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