高精度动载体激光发射系统光束控制反射镜

随着红外和微电子技术的发展及其在军事上的应用，现代战场出现了具有优异性能的光电制导武器和光电侦察告警等设备1 ]，对重要的军事目标和设施构成了严重的威胁，而高能激光武器是实现光电对抗防御的有效手段3]。对于运动载体的激光发射系统，其载体受到环境的振动和冲击时会对激光光束的稳定性产生影响，从而使激光在远场的光斑扩大，降低对 目标的破坏或干扰效果 。

快速 控制 反射 镜 (Fast Steering Mirror，FSM)是-种工作在光源或接收器与 目标之间用于调整和稳定光学系统视轴或光束指向的重要部件4]，已经广泛应用于天文望远镜、自适应光学和空间激光通信等重要领域L5。]。在激光发射系统中，结合引入小惯量、高精度和响应速度快 的FSM与大惯量、带宽窄、响应慢且跟踪范围大的主框架，可以有效提高激光发射系统的光束稳定精度，增强其精确打击能力。

根据研究报道，目前对 FSM 的研究主要是以固定基座或实验室的光学设备 中的应用为主 ]。虽然 FSM 的谐振频率很高，但其通光孔径和转角范围都较小，并且对其在动载体条件下的工作性能研究也较少g 。

本文结合 FSM 在某光学系统中的使用环境和性能要求，对 FSM 的反射镜、支承结构形式、驱动器元件、位置反馈传感器等关键技术进行研究，设计了-种适用于车载等运动环境且具有较高精度的快速控制反射镜系统。该 FSM 的成功研制也将为运动条件下光束指向控制或视轴稳定方面的研究提供-定的参考价值。

2 FSM 的性能要求快速控制反射镜设计的最终目的是使其指标满足光学系统的性能需要。所 以从使用角度，FSM 的设计主要考虑以下几点性能指标：反射镜有效通光孑L径和面形精度以及抗强激光损伤能力、转角范围、定位精度、伺服带宽、响应时间等。

表 1 FSM 系统性 能指标Tab.1 Performance requirement of FSMParameter RequirementDegrees of freedomClear apertureDynamic range/( )Positioning accuracy/( )2 dimension143 mm × 202 mm土3O≤23 FSM 系统设计3.1 反射镜设计由于 FSM 在高能激光环境下工作，平面反射镜直接与被控制光束接触。因此，对于反射镜基底材料的选择，除需考虑材料的抗强激光损伤能力外，还需要选择对激光吸收少且热导率高的材料，以避免反射镜被强激光损伤或因吸收能量发热而引起的镜面变形[1 。同时，平面反射镜又是 FSM 的主要负载，其转动惯量的大小对提高FSM谐振频率至关重要。在保证反射镜具有足够刚度和面形精度的前提下，对其进行轻量化设计是非常必要的。

为了使平面反射镜同时满足机械性能和光学性能的要求，材料的选择必须注意以下几点：(1)热物理性能，较低的综合热性能比值，选用低膨胀系数、导热性能良好的材料；(2)力学性能，选用高弹性模量、低密度的材料，有利于反射镜的轻量化；(3)光学加工性能，基底材料必须能适应光学面形的加工要求或者能经受光学镀膜的工艺条件与膜层牢固结合。(4)对材料的微观结构、缺陷及晶向等因素也要重点考虑。

表 2列出了几种常用反射镜基底材料的属性1 。微晶玻璃材料虽然性能优异，但是缺少金属反射镜设计的灵活性。在特殊领域光学设备中，通常选用刚度与质量比较高的材料，如铍和碳化硅。

338 光学 精密工程 第20卷从表 2可以看出，铍和碳化硅的刚度是微晶玻璃材料和其它金属材料的 4～6倍。但是这两种材料的价格相对昂贵，所以本文选择了价格低和性能优异的铝合金作为基底材料，通过有限元分析对反射镜进行了轻量化设计。为了满足抗高能激光的损伤阈值，镜面根据使用的光谱要求进行了镀金膜处理，对中长波激光的反射率可达98 以上 。

3.2 驱动器的选择驱动器是 FSM 的重要部件，它决定 FSM 的结构形式、响应频率、负载的尺寸和重量等因素。

目前，技术比较成熟用作 FSM 的驱动器的主要是压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)和音圈电机(Voice coil actuator，VCA )1 。

压电陶瓷驱动存在行程孝位移非线性、响应滞后、要求驱动电压高等缺点。音圈电机与之相比，驱动电压只有几十伏，行程却是 PZT的上千倍，同时还具有无动态响应滞后、响应频率高等优点[1 。为了满足 FSM系统的大转角范围和大承载的要求，同时考虑到载车受环境影响的振动频率不高(-般在 50 Hz以下)。因此，选用了大行程的直线式音圈电机作为 FSM 系统的驱动元件。

系统采用 4个音圈电机作为驱动器，以转动支点为中心均匀排布在反射镜镜座的背部，对径2个音圈电机为-对，组成力偶以推/拉的形式驱动反射镜。音圈电机主要由永磁体和线圈组成，磁体质量远大于线圈(-般为3～5倍)。因此，为了减小音圈电机运动部分的转动惯量，提高系统谐振频率，采用音圈电机的线圈与镜座相连，磁体与基座紧固。

3.3 位置信息反馈元件国内外检测 FSM位置的元件大多采用位置敏感器(PSD)、四象限光电探测器等元件，在使用中要引入参考光源。由于受到参考光品质、器件本身精度的限制和抗干扰能力差等因素的影响，快速反射镜的控制精度-般不高。

为了精确测量反射镜的摆角信息，研制了-种角秒级的高精度角位移测量装置。对反射镜的测量原理如图 1所示，测量装置的探测点距反射镜回转中心距离为L，当反射镜作微星度 A0摆动时，测量装置移动 Ah，式(1)可以将测量装置位移变化量转换为反射镜的角度变化量。

A0arctan(7Ah)。 (1) L将角度变化量 △ 作为控制系统的反馈信号传给FSM控制系统的高速数字处理电路，实现对快速反射镜的伺服闭环控制。

Miror图 1 FSM角位移测量原理图Fig.1 Measurement principle for FSM angle displacement角位移测量装置实物如图 2所示，装置的线位移分辨率为 0.058 6 m，通过式(1)计算转换，可实现对反射镜的角度测量分辨率为0.15 。

该装置为接触式测量，采用 4个位置信息反馈元件并且正交排布，信号提取时用对径 2个元件的测量值进行差分处理，取平均值作为此方向的反馈信号。这种测量方法具有以下优点：(1)可以对测量误差具有平差效应。(2)可以消除由于系统膨胀系数不匹配对反射镜测量精度的影响。(3)提高了系统的可靠性。如果其中-个不能正常工作，另-个可以单独工作。(4)可以减小34O 光学 精密工程 第2O卷影响。实验中精密测量设备选用数字显示自准直仪，其测量精度均方根差 ≤O.1”。

4.2 结果分析首先将 FSM 基座固定在平台上，连接好伺服控制电路，系统上电。FSM 寻找位置反馈元件的绝对零位后锁定，系统进人闭环稳定状态。此时修正自准直仪高低角和方位角使其十字丝像调整到视诚适位置，将自准直仪的数字显示系统置零。驱动 FSM 使平面反射镜摆动微星度，然后重新回到初始位置，待系统稳定后，记录自准直仪相应的显示值，重复操作多次，形成表 3所列的实验记录数据。

表 3 实验数据记录表Tab.3 Experimental data of recordingTimes Error/(”)- O.41.73- O.4- 1.521.34- O.17- 1.24- O.96O.58