激光通信APT系统中快速反射镜研究

倪迎雪,伞晓刚,高世杰,吴佳彬,王 晶,王 涛,丁少行

(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)

1 引 言

激光通信是以激光光束为载波或者以空间物质传输信道完成信息传递。激光通信具有通信容量大、低功耗、重量轻等优势,较适合应用于卫星平台；保密性好、抗电磁干扰能力强等优点,使其在国防军事领域有着重要应用；此外,它的高数据传输效率及大通信容量在民用领域有着更加广阔的应用前景[1-2]。

激光通信系统要求发射端光束必须精确地对准接收端以建立光通道,然而,由于诸多客观因素,如平台震动,目标运动大气散射、湍流等因素影响,容易导致激光光束偏离目标,甚至通信链路中断[3-4]。为了解决这一问题,在激光通信中应用了捕获、瞄准和跟踪(APT)技术,用来建立激光通信链路,并保证两通信端机的光束能够精确对准,确保通信的可靠性。因此,APT系统已成为激光通信中最为关键的部分之一,而在APT系统中,FSM安装在光源与接收端之间,通过驱动器控制反射镜的偏转进而调整光束传播方向,恰好可以弥补激光通信中激光光束的偏移量[5-6],因此,FSM是激光通信APT系统中关键器件之一。由于它具有高带宽、高响应速度、高控制精度等特点,还被广泛应用于天文望远镜、图像稳定、自适应光学等领域[7-8]。

2 FSM国内外研究现状

2.1 FSM国外研究现状

随着激光通信技术的发展,对激光光束传播的控制要求越来越高,使得国内外对FSM的研究十分火热[9-10]。为了提高空间激光通信中光束的指向精度,20世纪80年代美国麻省理工学院的Gregory C Loney为空间通信实验研制了高带宽柔性轴式FSM[11]；美国Ball Aerospace & Technologies公司于1983年开始对FSM进行研究,经历几十年的技术积累,现已生产出多种FSM,均已广泛应用于航空航天光学系统中[12]。美国Left Hand Design Corporation公司从1995年开始设计FSM,现在设计的采用音圈电机的FSM最大行程可以达到±10°[13]。2005年,Francisc M. Tapos等人设计的三自由度的压电陶瓷驱动的FSM控制带宽可以达到1 kHz[14]。2007年,来自麻省理工学院的Daniel J. Klul 等人对FSM进行了优化设计,为空间激光通信系统设计了音圈电机驱动,柔性铰链支撑的FSM结构,反射镜直径为10～16 mm,行程可以达到±13 mrad,闭环带宽10 kHz[5,15]。2008年,美国空间动力实验室设计的适用于星载和机载设备的FSM,俯仰角可以达到±15°,控制带宽为70 Hz[16]。2012年,韩国加工与材料研究所设计的基于三个压电陶瓷驱动的FSM,反射镜直径为28 mm,厚度为22 mm,闭环带宽可以达到4 kHz[17]。2013年,美国雷声公司为了空间和机载光学系统研制了两轴FSM,反射镜直径82.8 mm,行程可以达到10°以上,闭环带宽3.3 kHz[18]。2016年,澳大利亚的J. Davies等人为GMT积分场光谱仪设计的压电陶瓷驱动的FSM,精度达到28 nm[19]。2017年,韩国的Byoung Uk Nam等人设计的音圈电机驱动,柔性铰链支撑的FSM,反射镜直径为150 mm,行程达到1 mrad,控制带宽达到500 Hz[20]。

2.2 FSM国内研究现状

3 FSM组成及工作原理

快速反射镜主要由基座、反射镜、支撑结构、驱动元件、位置检测元件和控制系统等6部分组成。其工作原理如图1所示,支撑结构起到支点的作用,限制反射镜在各个方向的平移自由度,使反射镜只有绕两工作轴的转动自由度；当入射在反射镜上的光束发生一定角度的偏转时,反射镜由微型驱动器推动发生角度偏转,位置检测元件探测反射镜偏转的角度,并把反射镜的位置信息反馈给控制系统,根据目标位置由驱动器进一步推动反射镜发生角度偏转,直到有反射镜反射光束的偏移量被完全校正为止。位置检测元件与FSM的控制系统构成闭环系统,从而提高了FSM的控制精度。

图1 FSM工作原理图

支撑结构是FSM主要的承载元件,直接决定了FSM的承载能力,同时也影响FSM的转动精度和行程；驱动元件为FSM反射镜的偏转提供推力,它直接影响了FSM的行程和带宽；位置检测元件的精度直接影响FSM的定位精度及响应速度；基座是FSM的基体部分,也是固定部分,它的刚度影响FSM的谐振频率,对于对带宽要求比较高的FSM,基座的刚度应该尽可能大。

4 FSM组成及关键技术研究

随着FSM应用领域不断增加及激光通信APT系统对FSM的精度与响应速度要求越来越高,国内外的研究机构对FSM的各组成部分进行深入研究,主要集中在以下几个方面:(1)支撑结构的设计;(2)反射镜镜体的轻量化设计;(3)高性能驱动器的选择与设计;(4)高精度、高分辨率位置检测装置的选择与设计;(5)稳定可靠的控制算法设计。

4.1 支撑结构

FSM机械结构设计的主要区别在于支撑结构的设计,它也是FSM中主要的承载部件。根据支撑结构形式的不同,FSM可以分为:X-Y框架式、柔性轴承式和柔性无轴式三类。

4.1.1 X-Y框架式FSM

如图2所示,X-Y框架式FSM有两个固定的轴系,外框架轴系的轴承座固定在基板上,内框架轴系安装在外框架上,同时内框架轴系也起到反射镜镜座的作用。该结构形式的优势是:旋转中心稳定,结构刚度好,承载能力强,但是该结构存在致命的缺陷是:转动惯量大,摩擦力矩大,响应速度低。一般X-Y框架式FSM采用轴承与框架构成轴系,轴承转动时存在的摩擦和间隙,会导致系统的爬行、震荡等不稳定因素,影响系统的控制带宽和转动精度。

图2 X-Y框架式FSM

4.1.2 柔性轴承式FSM

人乳腺癌细胞Bcap-37和MCF-7及人肺癌细胞A549均由浙江省人民医院隋梅花教授馈赠。用含10%胎牛血清和1%青-链霉素溶液的RPMI 1640培养基在37℃，5%CO2培养箱中常规培养，0.5%胰酶消化传代。本实验所用细胞均为对数生长期细胞。

柔性轴承式FSM是基于柔性轴承的一种结构形式,柔性轴承式FSM具有稳定的回转中心,但是无需对轴系进行设计,该FSM工作时完全依赖柔性轴承的角变形进行工作,并且在FSM处于不工作状态时,柔性轴承可以保证FSM处于平衡位置,无需复位装置,在系统断电时可以保护音圈电机的磁钢与线圈不发生碰撞。此外柔性轴承的转动精度较高。图3(a)为柔性轴承的结构示意图,图3(b)为一款基于柔性轴承的FSM。通过图3可以看出,反射镜发生转动时,只产生柔性轴承的弹性变形,不存在摩擦和间隙。此外,柔性轴承的偏转范围相对于FSM的偏转范围要大的多,有利于保证FSM的行程,提高系统稳定性。

图3 柔性轴承结构示意图及柔性轴承式FSM结构轴侧图

4.1.3 柔性无轴式FSM

柔性无轴式FSM具有结构简单、无摩擦力矩和响应速度快等优点,但是,FSM运动部件的载荷主要由柔性件支撑,在震动冲击等恶劣环境中工作时,反射镜除了在运动方向上发生转动还会产生微量的轴向位移,进而导致FSM的转动精度降低。因此,该类型FSM对柔性支撑的要求较高。如图4所示为美国麻省理工学院研制的柔性无轴式FSM结构图,该FSM的柔性支撑由柔性轴和柔性环组成,柔性轴连接了FSM的运动部分与固定基座,同时限制了反射镜沿柔性轴方向的轴向平动,柔性环限制了反射镜的扭转及在两个横向方向上的平动。

图4 柔性轴式FSM爆炸图

用于FSM的柔性支撑除了图4所示的柔性轴结构,柔性铰链也被广泛的应用于该系统。柔性铰链的性能与铰链切口形状有关,目前用于FSM中柔性铰链的切口形状主要有直圆型、直梁型、椭圆型、双曲线直圆混合型等。图5～7分别为不同研究机构设计的采用直圆型、直梁型、椭圆型柔性铰链的FSM[24,28,30]。

图5 采用直圆型柔性铰链的FSM

直圆型柔性铰链可以实现较高的转动精度,但是行程相对较小,直梁型柔性铰链与直圆型恰好相反；而椭圆型柔性铰链较直圆型柔性铰链有较大的转角,比直梁型柔性铰链有较高的转动精度。此外,混合型柔性铰链可以结合两种不同柔性铰链的优点,得到较好地性能,已成为国内外学者研究的热点。

图6 采用直梁型柔性铰链做运动传递元件的FSM

图7 基于椭圆型柔性铰链的FSM

通过以上分析总结不同支撑结构的特点如表1所示。

表1 不同支撑结构的特点对比

4.2 反射镜

反射镜是FSM中的直接工作部件,也是主要负载之一。为了提高系统的响应频率,需要尽可能地减小FSM的负载惯量,因此,需要对反射镜进行轻量化设计。通常有以下两种轻量化方法:一是选择比刚度高、导热性好、加工性能优异的轻质材料做镜坯，如表2所示为常用反射镜材料的性能指标；二是结合有限元方法对镜体进行轻量化设计,最终设计出质量较轻的反射镜结构。如图8所示,目前常用的轻量化结构有背部开槽式、拱形结构和蜂窝式三种。此外,还可以不用传统的镜框结构,将反射镜设计为可以安装的结构形式,如图9所示。

表2 反射镜材料及其性能参数

图8 常用的镜体轻量化结构

Fig.8 The generally lightweight structure of the mirror

图9 无镜框式反射镜结构

4.3 驱动元件

为了保证FSM的高精度、高响应频率等特点,对驱动元件的精度、分辨率、响应速度等提出了极高的要求。目前,广泛应用在FSM中的驱动元件主要为压电陶瓷驱动(PZT) 器和音圈电机驱动器(VCA),如图10所示,它们的性能特点如表3所示。

图10 两种驱动器

驱动器类型工作范围优点缺点压电陶瓷0～100μm响应速度快；带宽高；几乎不受磁场干扰驱动电压大；移动范围小且有迟滞蠕变特性音圈电机几毫米到几十毫米行程较大；无滞后；驱动电压低易受磁场的影响；响应频率低

通过对以上两种驱动元件性能的比较,可以得出音圈电机比压电陶瓷更加适用要求大行程和大口径的FSM,压电陶瓷驱动器比较适合应用于对带宽要求较高的FSM。

针对PZT伸缩梁小的问题,国内外研究学者做了大量的工作,设计出多种适用于不同工作场合的PZT位移放大机构,图11为1种利用PZT位移放大机构设计的FSM图；另外,通过改变驱动器的使用方式,可以有效地提高压电陶瓷的抗剪切、冲击能力。

随着FSM口径和负载的不断增大,对驱动器推力的要求越来越高,图12为吴鑫等人优化的音圈电机模型,相比于传统的具有整体磁铁的音圈电机,他采用多块永磁铁组合而成,不仅大大减小了漏磁,同时也改变了磁感线的分布,提高了电机的推力[7]。

4.4 位置检测装置

应用于FSM的位置检测装置中的主要有:电涡流传感器、电容传感器、光栅测微仪、电阻应变式传感器、光干涉测量法和光电类传感器等,各类传感器的性能特点如表4所示。

图11 利用PZT位移放大机构设计的FSM

图12 大推力音圈电机

位置检测装置类型优点缺点电涡流传感器测量精度高；响应速度快；线性度好价格昂贵；测量范围相对较小电容传感器测量精度高；响应速度快；体积小测量范围相对较小；存在温度漂移光栅测微仪精度高；分辨率高；线性度好体积大电阻应变片体积小；成本低；易于集成存在温度漂移；测量精度低光电类位置传感器测量范围大；抗电磁干扰能力相对较强；可以与FSM基座仪器设计以减小体积；光路设计相对复杂

用于FSM中的光电类传感器主要包括四象限探测器(QD)和PSD,需要光源和反射镜共同配合两者组成位置测量装置,具体测量方法是:激光由光源发出,经反射镜反射后,照射在QD或者PSD感光面上,然后通过对光能量分布的计算,最终得到反射镜的位置信息。QD相对于PSD具有较大的测量范围和较高的线性度。并且可以将该装置安装在FSM基体中,有利于FSM结构更加紧凑。但是,采用光电传感器的位置检测装置的设计相对复杂,它的精度与光程和光源均有关系,所以针对不同类型的FSM,均需要设计合适的位置检测装置。

图13所示为国防科技大学设计的音圈电机驱动,PSD作为位置检测装置的FSM[17]。采用PSD传感器的位置检测装置安装在基座的背面,整个FSM的外形尺寸与四个音圈电机排布近似,所以使得FSM结构变得更加紧凑。

图13 音圈电机驱动与PSD传感器相结合的FSM结构模型

4.5 控制系统

控制系统可以控制FSM实现快速定位或偏转等功能,目前比较有效地控制方法主要有PID控制及智能PID控制和自适应控制两种控制方法。PID控制器具有结构简单,参数易于调整等优点,因此得到广泛应用。随着FSM的结构行程及应用场合的增多,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,并且取得了良好的控制效果。采用自适应控制方法,对系统进行开环控制,使得输出线性误差减小,且该控制系统具有一定的鲁棒性和适应性,提高了开环控制系统的性能[22]。

以上两种控制方法中调整控制器参数的最终目标是提高系统的控制带宽和稳定性。并且,系统对实时性有极高的要求,否则,由于相位滞后,控制效果将会受到严重影响,因此在FSM的控制系统中,通常选用高速DSP作为系统的处理器。

5 总 结

伴随着激光通信的发展,APT系统对捕获视场、稳定瞄准精度、稳定跟踪精度等方面的要求不断提高。FSM作为目前能够有效地提高APT跟踪、瞄准精度的重要组成部分之一,其技术发展必然与上述系统的要求相适应。由于激光通信系统中两个端机之间距离较远,导致光束在传输过程可能会出现较大角度的偏移,因此需要设计大行程的FSM对光束偏转进行补偿。为了满足激光通信APT系统对跟踪、瞄准精度的要求,FSM对位置检测装置的测量精度及支撑结构的转动精度有较高的要求。同时,为了实现激光通信APT系统结构更加紧凑,设计结构紧凑的FSM是十分有必要的。

为了满足FSM在激光通信APT系统中的应用需求,可以通过以下4个方面对FSM的进行设计:

(1)音圈电机凭借其精度高、响应速度快、行程大和结构紧凑等优点在FSM中占有主导地位,尤其在高精度、大行程FSM驱动装置中有独特优势。

(2)基于QD的位置检测装置不仅可以有效地提高测量行程、分辨率,且有较强的抗干扰能力,还有利于FSM体积向小型化发展,此外电涡流传感器凭借其高的测量精度和高的线性度适合应用于对精度要求较高的FSM。

(3)为了提高FSM的带宽,需要减小运动部件的转动惯量,因此,反射镜镜体选择比刚度高、散热性好的新型材料,并对反射镜镜体等运动部件进行轻量化设计。

(4)在支撑结构的设计方面,需要进一步提高柔性铰链的承载能力、转角范围和精度,因此,针对柔性铰链的研究依然是热点。同时,为了提高FSM工作精度,具有精度高、响应速度快和可靠性高的位置检测装置也成为研究的主流。

[1] DONG Guangyan,XU Shengqi.Research on digital coherent optical receiver for satellite to ground laser communication[J].Laser & Infrared,2016,46(11):1311-1314.(in Chinese)

董光焰,徐圣奇.星地激光通信中光学数字相干接收机的研究[J].激光与红外,2016,46(11):1311-1314.

[2] CAO Yang,LIU Shitao,et al.Active disturbance rejection control of optical axis for airborne laser communication system[J].Laser & Infrared,2017,47(6):750-753.(in Chinese)

曹阳,刘世涛,等.机载激光通信的重复自抗扰视轴稳定[J].激光与红外,2017,47(6):750-753.

[3] X M Zhu,J M Kahn.Free-space optical communication through atmospheric turbulence channels[J].IEEE Trans.Commun.,2002,50:1293-1300.

[4] K P Peppas,P T Mathiopoulos.Free-space optical communication with spatial modulation and coherent detection over H-K atmospheric turbulence channels[J].J.Light w.Technol.,2015,33:4221-4232.

[5] M R Suite,H R Burris,et al.Fast steering mirror implementation for reduction of focal-spot wander in a long-distance free-space communication link[J].Proc.SPIE,2004,5160:439-446.

[6] D J Kluk,M T Boulet,D L Trumper.A high-bandwidth,high-precision,two-axis steering mirror with moving iron actuator[J].Mechatronics,2012,22:257-270.

[7] X Wu,S H Chen,et al.Large angle and high linearity two-dimensional laser scanner based on voice coil actuators[J].Rev.Sci.Instrum,2011,82:105103.

[8] XU Xinhang,YANG Hongbo,et al.Research on key technology of fast-steering-mirror[J].2013,43(10):1095-1103.(in Chinese)

徐新行,杨洪波,等.快速反射镜关键技术研究[J].激光与红外,2013,43(10):1095-1103.

[9] SHAO Shuai.Fast steering mirror in laser autocollimato[J].OME Information,2011,28(9):29-32.(in Chinese)

邵帅.激光自动对准系统中快速反射镜机构研究[J].光机电信息,2011,28(9):29-32.

[10] XU Feifei,JI Ming,et al.Status of fast steering mirror[J].Journal of Applied Optics,2010,35(5):847-850.(in Chinese)

徐飞飞,纪明等.快速偏转反射镜研究现状及关键技术[J].应用光学,2010,35(5):847-850.

[11] G C Loney.Design and performance of a small two-axis high-bandwidth steering mirror[J].Beam Deflection and Scanning Technologies,1991,1454:198-206.

[12] J D Medbery,A A Gupta.Stable coniroller design of a six degree-of-freedom Magnetically Suspended Fine-Steering Mirror(MSFSM)[J].Active and Adaptive Optical Components,1991,1543:276-285.

[13] L Germann,G Blackwood,et al.A combined fast steering and alignment mirror for space-based interferometers[C].Proc SPIE,1996,2807:214-236.

[14] Francisc M Tapos,Derel J Edinger,et al.High bandwidth fast steering mirror[J].Optomechanics,2005,5877:1-14.

[15] D J Kluk.An advanced fast steering mirror for optical communication[D].Massachusetts Institute of Technology,2007.

[16] Wassom S R,Davidson M.Development of a Low-Cost fine steering mirror[C].the 39th Aerospace Mechanisms Symposium,2008.

[17] Jung-Ho Park,Hu-Seung Lee,Jae-Hoon Lee,et al.Design of a piezoelectric-driven tilt mirror for a fast laser scanner[J].Japanese Journal of Applied Physics,2012,51:1-5.

[18] A Bullard,I Shawki.Responder® Fast Steering Mirror[J].Proc SPIE,2013,8836:883606.

[19] J Davies,G Bloxham.GMTIFS:The adaptive optics beam steering mirror for the GMT Integral-Field spectrograph[J].Proc SPIE,2016,9912:991217.

[20] Byoung Uk Nam,Hakin Gimm,et al.Development of a fast steering mirror of large diameter[J].Proc SPIE,2017,10249:102490R.

[21] WANG Yonghui.Research on structure design of fast-steering mirror and It′s dynamic characteristics[D].Changchun:Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,2004.(in Chinese)

王永辉.快速控制反射镜结构及其动态特性的研究[D].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2004.

[22] ZHANG Limin,GUO Jin.Simulative research on dual X-Y axis control of fast steering mirror[J].Optics and Precision Engineering,2005,13(Supp):142-147.(in Chinese)

张丽敏,郭劲.快速反射镜双X-Y轴控制的仿真研究[J].光学 精密工程,2005,13(Supp):142-147.

[23] SHAO Bing,SUN Lining,et al.Design of fine pointing tip/tilt mirror of ATP system for free space optical communication[J].Optics and Precision Engineering,2006,14(1):43-47.(in Chinese)

邵兵,孙立宁,等.自由空间光通信ATP系统中精瞄偏转镜的设计[J].光学 精密工程,2006,14(1):43-47.

[24] LU Yafei,FAN Dapeng,et al.Design of two-axis elastic support for fast steering mirror[J].Optics and Precision Engineering,2010,18(12):2574-2582.(in Chinese)

鲁亚飞,范大鹏,等.快速反射镜两轴柔性支撑设计[J].光学 精密工程,2010,18(12):2574-2582.

[25] XU Xinxing,WANG Bing,et al.Research on mechanical structure of fast-steering mirror driven by voice coil actuators[J].Journal of Changchun University of Science and Technology,2011,34(1):49-52.(in Chinese)

徐新行,王兵,等.音圈电机驱动型快速控制反射镜机械结构研究[J].长春理工大学学报,2011,34(1):49-52.

[26] WU Xin.Research on high-performance fast steering mirror[D]. Wuhan:Huazhong University of Science & Technology,2012.(in Chinese)

吴鑫.高性能快速控制反射镜研究[D].武汉：华中科技大学,2012.

[27] ZHOU Ziyun,GAO Yunguo,et al.Design of fast steering mirror using flexible hinge[J].Optics and Precision Engineering,2014,22(6):1547-1554.(in Chinese)

周子云,高云国,等.采用柔性铰链的快速反射镜设计[J].光学 精密工程,2014,22(6):1547-1554.

[28] FU Jinjiang.Design and optimization on high performance fast steering mirror with flexible platform composed by elliptical hinge[D].Changchun：Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,2016.(in Chinese)

付锦江.基于椭圆弧柔性铰链支撑的高性能快反镜优化设计[D].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2016.

[29] FANG Chu.Design and research on fast steering mirror system used in beam steering control devices[D].ChangchunChangchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,2017.(in Chinese)

方楚.光束指向控制设备中快速反射镜系统设计研究[D].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2016.

[30] NI Yingxue,SAN Xiaogang,et al.Research on flexibility of the novel hybrid flexure hinge[J].Infrared and Laser Engineering,2016,45(10):1017001.(in Chinese)

倪迎雪,伞晓刚,等.新型混合柔性铰链柔度研究[J].红外与激光工程,2016,45(10):1017001.