快速反射镜关键技术研究

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.     

快速控制反射镜

高空气球实验的光学仪器舱中有4块快速控制反射镜(FSM)。每一块反射镜将在捕获、跟踪和瞄准(ATP)实验任务中完成一种特定的功能。Pseudo IPSRU控制反射镜(PSM)用于稳定相对于惯性稳定参考单元的光学视线(LOS);准直控制反射镜(ASM)用于保持内     

快速反射镜椭圆弧柔性铰链多目标优化设计

在快速反射镜柔性铰链优化设计中,为保障反射镜精度和稳定性,应尽量提高柔性铰链工作轴转动柔度和非工作轴转动刚度。以某快速反射镜的椭圆弧柔性铰链为研究对象,首先利用最小二乘法和积分思想推导了三个转动轴的转动柔度公式,与有限元法对比,二者最大相对误差小于6.8%,解决了矩形截面扭转柔度积分过于复杂的问题;其次基于改进的非支配排序遗传算法（NSGA-II）对三个转动轴进行了多目标优化设计,达到设计指标,所得最优解和求解效率较传统算法有了明显提高,其中Pareto解求解效率较多岛遗传算法(MIGA)提高了14.3%,较粒子群算法(PSO)提高了25%;最后对NSGA-II算法所得最优解进行了有限元验证,结果表明二者最大相对误差小于6.5%,吻合较好。     

万向柔性铰链连接快速反射镜的设计与仿真

在高能激光武器系统中,快速反射镜作为光束指向控制的核心器件,对提高毁伤效能起到关键作用。针对扩展高能激光武器系统光束指向范围的战术需求,设计了一种万向柔性铰链连接快速反射镜系统。研究了各组成单元对快速反射镜系统性能的影响因素,分析了单自由度单音圈电机驱动反射镜设计方案的可行性。在此基础上给出了音圈电机和光栅测微仪的设计依据,进行参数设计,推导了万向柔性铰链的柔度表达方程,并验证了万向柔性铰链的弯曲强度。仿真结果表明,快速反射镜系统具有3.3的运动行程,一阶谐振频率达到了231.04 Hz,满足了大行程、高带宽的设计要求。     

激光通信APT系统中快速反射镜研究

快速反射镜(FSM) 凭借其高精度、高带宽、高分辨率等优点,已经成为激光通信中捕获、瞄准和跟踪(APT)系统的关键组成部分。本文介绍了国内外研究机构所研制多种类型FSM。首先介绍国内外FSM的发展历程和研究重点,然后,对FSM的支撑类型、驱动类型和各种位置检测元件的选择及设计进行了讨论,得到不同的支撑结构、驱动类型和位置检测元件对FSM各性能指标的影响趋势。最后,通过对各种类型FSM进行归纳总结,提出了激光通信APT系统中FSM向大行程、高精度和高带宽等方向的发展趋势。     

柔性轴承有轴系快速反射镜结构设计

快速反射镜是自适应光学中重要的光学元件,比较了有轴系和无轴系快速反射镜两种结构形式的性能,分析了不同的工作特点和应用特征,在此基础上设计了一种新的有轴系快速控制反射镜结构。轴系利用柔性轴承无摩擦、转角大的特点,通过分析计算提出了适用的参数,选择了相应的柔性轴承.该设计结合了有轴系和无轴系快速反射镜的优点,提出了一种具有发展前景的快速反射镜结构。     

两轴柔性支承快速反射镜结构控制一体化设计

为了预测并确认结构设计阶段快速反射镜系统的频率特性和时域性能,对一种两轴柔性支承快速反射镜进行了结构控制一体化研究和测试。提出了一种新型柔性支承结构,根据激光系统光束传输要求的快速反射镜指标,设计了快速反射镜系统的主要结构参数;研究了系统的动态数学模型,确定了闭环系统的控制方式和控制参数;建立了系统摆动部分的刚柔耦合模型,获得了结构非线性模型,基于非线性模型对控制系统和运动系统进行了联合仿真测试。联合仿真结果显示,系统在运动方向的谐振频率为54 Hz,与有限元和理论计算结果的误差均为3.8%,系统位置闭环带宽为203 Hz,符合设计要求。时域输出结果显示,系统的超调量为3.5%,调节时间为10 ms,与理论计算结果的偏差分别为3%和5 ms。     

空间相机快速反射镜的两轴柔性支撑结构设计

快速反射镜是空间相机中常用的像移补偿装置,而支撑结构的机械特性将直接影响快速反射镜系统的响应速度及闭环带宽。以某近地轨道空间相机中的音圈电机驱动型快速反射镜为研究对象,设计了基于十字型柔性铰链的两轴柔性支撑结构,该结构具有空间利用率高、中心漂移小等优点。根据悬臂梁的挠曲线近似微分方程,建立了柔性支撑结构两轴转动刚度的数学模型,针对快速反射镜机构的谐振频率要求,选择了柔性铰链的主要结构参数,并利用有限元软件MSC.Patran对机构进行了模态分析,分析结果表明,快速反射镜机构在两个工作方向上的谐振频率分别为18.6 Hz和18.7 Hz,而其他非工作方向上的谐振频率均在292.2 Hz以上,证明了柔性铰链结构参数的选择具有合理性。为了检验理论模型的准确性,加工了快速反射镜的样机并搭建实验平台,对机构的转动刚度和谐振频率进行了检测,检测结果与理论分析得到的结果在允许的误差范围内具有一致性。     

单轴半蝶形柔性铰链在快速反射镜中的设计与应用

针对提高激光武器系统光束指向控制稳定精度的战术需求,设计了一款适用于光束指向快速反射镜的单轴半蝶形柔性铰链。首先,根据快速反射镜系统运动形式及功能需求,推演单轴半蝶形柔性铰链的物理模型;然后,采用基于卡氏第二定理的卡氏法简化并求解数学模型,并优化模型参数;最后进行有限元仿真与实验测试,并对单轴半蝶形柔性铰链机械谐振频率的理论计算、仿真分析以及实验测试结果进行分析比较。实验结果表明:单轴半蝶形柔性铰链工作方向机械谐振频率为165.29 Hz,满足设计指标要求。理论计算与实验测试结果相差1.3%,有限元仿真与实验测试结果相差3.2%。从而证明了单轴半蝶形柔性铰链结构形式合理,数学建模准确,为提高激光武器系统光束指向控制稳定精度提供了有力的支撑。     

高能激光系统中的二维快速控制水冷反射镜的结构

在高能激光系统中,对发射的高能激光束的光束质量进行精确控制十分重要。本文介绍了一种应用于高能激光系统中的新型二维快速控制水冷反射镜,既可实现精确控制激光发射和接收光轴的方向,对光束整体倾斜方向进行校正,又可实现减小镜面热畸变提高光束质量的功能。该反射镜具有质量轻、转动惯量小、行程小、谐振频率高、响应速度快、动态滞后误差小等优点。试验测试结果表明,二维快速控制水冷反射镜的设计合理,具有应用推广价值。     

巨磁致伸缩快速转向反射镜及其谐振频率

快速转向反射镜(FSM)广泛应用于激光束稳定系统、空间光通信系统等领域。采用巨磁致伸缩驱动器(GMA)作为FSM的驱动元件,并对其预压和传动机构进行了一体化优化,设计了一种新型的膜片式柔性上端盖作为预压力施加装置,使其结构更加紧凑的同时增强了位移径向约束;FSM采用四驱动器双驱动轴结构,应用柔性轴方案,对其整体结构进行了优化设计以提高系统谐振频率。建立了FSM有限元模型,对其进行模态分析得到了系统一阶谐振频率及模态振型。对所研制的FSM进行了性能测试,结果表明:系统镜面转角达到±3′,一阶机械谐振频率达到450 Hz,模态分析数值与实验值的误差小于10%。     

空间相机快速反射镜的结构轻量化设计

针对空间相机快速反射镜的工作条件和工作要求,提出了快速反射镜的结构轻量化设计方案。以100 mm口径圆形反射镜为研究对象,设计了利用加强筋减重的反射镜轻量化结构,并提出了基于镜面抗弯刚度等效的等效标准圆镜厚度的计算方法;分别设计了基于镶嵌体结构的背部三点支撑方案和背部中心支撑方案,有限元对比分析的结果表明,采用背部中心支撑方案可以避免镜座与反射镜之间因温度变形不协调引起的多个支撑点相互干涉,镜面面形精度较高,并且由于结构简单,其摆动组件的总质量更轻;为了进一步提高快速反射镜结构的综合性能,同时以摆动组件的总质量及镜面面形的均方根值为优化目标,对背部中心支撑方案下快速反射镜的主要结构参数进行了多目标优化,优化结果显示,加强筋的高度和镶嵌体的壁厚对结构综合性能的贡献最大;最终优化方案下快速反射镜的摆动组件总质量仅为95.75 g,结构的一阶谐振频率为217 Hz,在-8℃温度载荷的作用下,镜面面形的RMS为7.26 nm,满足设计要求的同时,反射镜实现了40.4%的轻量化率。     

快速反射镜控制回路设计与仿真

简要介绍了快速反射镜的工作原理,针对存在的问题提出采用优化结构布局的解决方法,理论推导了优化布局后的伺服机构传递函数,并据此传递函数设计了控制回路,提出了宽带宽校正网络的设计原则,为抑制伺服机构的低频振荡模式在回路中串接陷波器加以抑制;通过在控制回路中串接解算网络的方法降低多输入多输出控制系统设计的难度。建立了快速反射镜的系统仿真模型,通过系统仿真验证上述方法的可行性;在理论分析的基础上搭建实验平台,通过对实验平台施加不同的激励信号,对快速反射镜的性能参数进行测试,验证了理论模型的准确性。     

Optimization design of the angle detecting system used in the fast steering mirror

In this paper, in order to design a fast steering mirror (FSM) with large deflection angle and high linearity, a deflection angle detecting system (DADS) using quadrant detector (QD) is developed. And the mathematical model describing DADS is established by analyzing the principle of position detecting and error characteristics of QD. Based on this mathematical model, the variation tendencies of deflection angle and linearity of FSM are simulated. Then, by changing the parameters of the DADS, the optimization of deflection angle and linearity of FSM is demonstrated. Finally, a QD-based FSM is designed based on this method, which achieves ±2° deflection angle and 0.72% and 0.68% linearity along x and y axis, respectively. Moreover, this method will be beneficial to the design of large deflection angle and high linearity FSM.     

大口径快反镜面形测试系统设计

大口径快速反射镜（快反镜）常被应用于空间光通信和激光武器等领域。为实现工作状态下大口径快反镜面形误差的实时检测,设计了大口径快反镜面形测试系统。该系统的口径参数为400 mm,工作波长为633 mm,由离轴式前置扩束系统和焦面附件系统组成。对测试系统的设计参数及元件参数选择进行了阐述,设计和仿真了光学系统结构,并基于光机热集成分析获得温度变化对光学系统的影响。测试大口径快反镜面形测试系统后结果表明该系统可实现实时记录和高精度测量,且在温度变化的工作环境下也可实现稳定测量,其测量稳定性为0.048λ（RMS,λ=633 nm）。     

应用于快速倾斜镜的压电陶瓷驱动电源

压电陶瓷致动器具有体积小、推力大、高频响和分辨率高等特点,广泛应用于精密制造、光学仪器、振动控制等领域。为提高压电陶瓷型快速倾斜镜的控制精度和稳定性,根据压电陶瓷致动器对其驱动电源的要求,设计了一种基于高压运算放大器PA96的驱动电源。介绍了该电源电路的基本原理,并对放大器的外围电路进行了稳定性设计。最后通过实验测试表明,该电源线性度大于99%、静态纹波小于10mV、动态性能稳定,能够达到自适应光学系统中快速倾斜镜的控制要求。     

基于模型预测控制的大口径快摆镜随动系统

为了满足地基大口径望远镜精密稳像系统的需求,对大口径快摆镜(FSM)的控制方法进行了研究。为了解决三促动器FSM的运动解耦为系统辨识带来的困难,通过解析法和系统辨识法相结合建立了FSM的传递函数模型。依据该模型,设计了PID控制器与模型预测控制器(MPC),采用仿真和实验两种方式比较了两种控制器的效果。仿真结果表明,在受到阶跃扰动后,MPC控制器的恢复速度是PID控制器的45倍。在50 Hz正弦信号下,由于FSM的大惯量特点,PID控制器有严重的时滞,而MPC控制器能以1.224×10^-6″的误差稳定跟随。在噪声抑制方面,对实时加入10%幅值噪声的随机信号,MPC控制器的噪声抑制效果是PID控制器的13.3倍。实验结果表明,MPC控制器能以0.430″的误差稳定跟随50 Hz正弦信号,其跟踪精度是PID控制器的3.212倍,采用MPC控制器的快摆镜能满足快摆镜高带宽和高精度的需求。