高精度激光测量和激光通讯的指向调整机构研究与设计

河南省电子信息产品质量监督检验院　韩宇星

1.引言

激光测量和通讯是一个新领域。我国在此方面的应用，包括激光雷达和激光通讯等。激光的使用，非常重要的一个环节是光线或反射镜的的方向调整。由于激光的特性，对激光指向调整机构的要求往往很高，分辨率常常在5微弧度左右。另外，由于空间限制，要求的机构体积越小越好。星载的系统要求更严格。传统的调整机构，很难满足这些要求。本文介绍一些这方面的设计和应用，着重介绍一种高精度的指向调整机构。

2.激光的指向调整机构的设计分类及要求

激光的指向调整机构的设计要求，一般将这种调整称作“自准直”，在作为激光指向，搜索的功能来看，似乎太局限。近几年，由于激光技术的发展，激光测量，如大气测量、植被测量、云雨测量等，逐渐开始研制使用。激光雷达的研制应用也日渐发展。激光通讯也从地面，到空中，并向太空延伸。

激光的指向调整机构的设计要求，分为调整的角度范围和调整度精度两个方面。调整范围根据具体的使用环境，有360°连续调整；局调整如0-90°调整；和小角度调整，如±1°等。调整精度包括定位精度，分辨率，重复性等。激光作为高精度的测量或通讯设备，对光线的调整要求也是很严格的，要求光线调整角度的分辩率5微弧度以内，如果是反射型的反射镜，折合到镜的旋转角度为2.5微弧度（约0.5角秒），这是一个相当高的数值。

为了达到激光光线的调整要求，现在的设计采用的方法，大致有三种。第一种是采用高

分辨率电机。第二种是采用光学折射镜的方法。第三种是采用杠杆臂的机械结构形式。前两种方式的应用都有一些局限，高分辩率的电机可能使用压电陶瓷旋转电机，要专门定制，精度、力矩尚存一些技术问题，光学折射使用的楔形镜结构，同样有设计复杂等一系列光学问题要解决。下面着重介绍第三种即采用杠杆臂式的机械结构形式。

这种设计是利用杠杆的放大原理，实现位移到角度转化来实现调整。这种方案是常规的结构设计方案，容易实现高精度。这种方案一般是有一个旋转中心，然后使用丝杆，楔形面，凸轮，偏心轮等结构来实现两个方向的调整。旋转中心可以由球支撑，柔性支撑等来实现，还可以用十字轴的形式实现。下面介绍一个已经可以实现高分辩率调整的方案，如图1所示。

图1　杠杆臂式机械结构示意

3.旋转中心的设计和调整

在激光指向调整机构设计中，旋转中心的设计是一个难点，理论上要求在调整的时候旋转支撑中心需要保证：

(1)旋转中心尽量不发生变化，否则影响调整精度（变化范围在0.5μm内）；

(2)高度灵敏，不能有变形吃掉调整量。

(3)两个调整轴线相交，这样才能消除由此引起的阿贝误差。

(4)两个方向调整的时候尽量减少相互干扰。

要达到上述几个要求，需要认真考虑。在方案设计的初期曾采用弹性环节作为旋转中心。如图2所示的弹性结构，优点是结构简单，工艺处理简单，灵敏度高，可以达到微小位移，但据点是旋转中心是变化的，另外调整范围±1°，也非常困难，要达到就必须增加高度，而高度增加又导致旋转中心的更不稳定。弹性结构变形后轴线的回复，是无法和滚动轴承类的轴系相比的。采用如图3所示的球较支撑结构，优点是中心保证好，加工精度高，容易达到高精度，但缺点是球面面积大，摩擦力偏大，并且需要添加弹性封闭机构，星载使用容易产生真空冷焊。

图2　弹性支承示意图

图3　球铰支承示意图

图4　十字轴结构示意图

调整旋转中心最终决定采用十字轴形式的旋转轴布局，调整和安装底座分别交叉固定的方式（图4）。反射镜结构固定在上端的轴承座上，底座固定在下端的轴承座上，这种结构方位和俯仰存在耦合，但耦合度很小，不影响使用。

4.旋转中心的驱动原理

旋转中心的驱动原理是：步进电机经过电气细分，输出到谐波减速器，谐波减速器直接驱动凸轮转动，凸轮和反射镜架上的球头接触，由弹簧将反射镜架通过球头压紧在凸轮上，方位和俯仰部分相同，十字轴两个轴分别是方位和俯仰的旋转中心，轴线到球头的距离就是杠杆臂。杠杆长度不能太大，否则尺寸度太大；也不能太小，会导致放大倍数不够。根据电机，轴承尺度综合考虑，杠杆臂取100mm较合适。此种方式几乎能够同时满足对旋转中心的要求，是比较理想的结构，旋转结构最终的精度严重依赖于各轴上的轴承，所以采用高精度的轴承，同时采用开槽形弹簧施加预压力，一方面提供预应力保证旋转精度，另一方面消除温度交变产生的伸长收缩对支座产生的反力。目前，采用71900系列轻载角接触的轴承。P2级回转精度。此机构旋转范围在±1°区间。轴承回转精度比整圈回转要小得多，在1um以下。轴承星载环境还要求作喷溅MOS2处理，以增加摩擦特性，并防止真空冷焊。

图5　杠杆式调整机构测试图

表1　重复性测试数据Table 1. The repeatability test data (part)

5.旋转中心调整机构的测试

图5是这种机构的测试图。表1是测试的部分结果，需要说明的是测试采用的是偏心轮方式，对应镜面角度接近1°的时候，偏心轮接近旋转70°，线性变差。表中的5组数据是偏心轴旋转固定角度所得数据。由表1看出，正反转的时候，光线指向重复性基本在`1urad 范围，可靠的达到设计要求，经过最终测试，光线指向调整全程重复性优于2.5微弧度，折算到球头处的垂直位移，达到0.13um以下，也是比较高的。重复性在5urad充分说明该机构运动的稳定可靠，精度可以保证。完全可以满足激光指向的高精度调整要求。

6.结语

综合来看，杠杆臂式机构结构形式的指向调整精度相对较高。可达到国外资料中的同种应用。随着激光技术的进一步应用，更高精度的指向调整机构会逐渐出现。随着技术的发展，更好，更能适应使用环境的高精度指向调整机构的出现值得期待。

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