李國會，歐　龍，謝川林，徐宏來，周志強(qiáng)，向汝建

(1.中國工程物理研究院 高能激光科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，綿陽 621900；2.中國工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，綿陽 621900)

引　言

在車載光學(xué)系統(tǒng)中，一般會采取鋼絲彈簧或氣浮平臺等措施對光學(xué)平臺進(jìn)行主動或被動減震，以減小振動或沖擊對系統(tǒng)設(shè)備及光束傳輸?shù)挠绊慬1-2]。由于平臺內(nèi)部光學(xué)元件熱效應(yīng)、光束傳輸中大氣湍流、環(huán)境噪聲以及行車中路面不平和發(fā)動機(jī)的抖動等條件的影響[3-8]，在接收系統(tǒng)中會造成光斑抖動、成像模糊、光束質(zhì)量變差[9]，在發(fā)射系統(tǒng)中，會造成目標(biāo)上光斑漂移、瞄準(zhǔn)精度差，因此需要在光路中設(shè)置抑制光軸抖動的器件，提高光軸穩(wěn)定性[4,6]。電調(diào)鏡具有光軸調(diào)節(jié)的功能，但精度不高，調(diào)節(jié)速度或帶寬較低，難以對光軸進(jìn)行實時穩(wěn)定，而快反鏡無疑是抑制光軸抖動的最佳選擇[10-14]，它體積小、諧振頻率高、響應(yīng)速度和閉環(huán)帶寬高，同時可以對光軸進(jìn)行實時閉環(huán)穩(wěn)定，在激光傳輸、天文觀測以及跟瞄等光學(xué)系統(tǒng)中，得到了廣泛的應(yīng)用[4,6,10]。

在國外，德國PI公司是微位移和微驅(qū)動領(lǐng)域的先驅(qū)，該公司采用自產(chǎn)的壓電陶瓷結(jié)合線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer,LVDT)或應(yīng)變片作為反饋元件，研制了大量應(yīng)用于不同環(huán)境的快反鏡；美國NewPort公司采用音圈電機(jī)作為驅(qū)動器，光電二極管作為反饋元件，研制出不同型號的快反鏡；英國Queensgate公司采用壓電陶瓷研制的快反鏡在精密定位方面有較好的應(yīng)用。在國內(nèi)，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所率先從事快反鏡研究工作，從20世紀(jì)八、九十年代至今，已生產(chǎn)出大量應(yīng)用于激光通信、天文觀測以及跟瞄系統(tǒng)中的快反鏡，取得了較好的科研成果[4]；另外，在科研院所和高校中，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械所、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械機(jī)所以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、重慶大學(xué)等單位，對快反鏡的研究與應(yīng)用都取得了不錯的成績[4,6,10,14-16]。中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所開展了近15年的快反鏡技術(shù)研究與應(yīng)用，目前已具備大口徑、高帶寬、高精度等不同等級快反鏡的研制能力[17]。

鑒于車載平臺光軸穩(wěn)定應(yīng)用需求的特點，作者針對性地開展適用于車載環(huán)境的快反鏡光軸穩(wěn)定技術(shù)研究，包括驅(qū)動器的選型、布局方式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，重點考慮車載環(huán)境條件下快反鏡抗震動沖擊的能力，通過仿真分析，提高快反鏡的固有頻率，同時，采用高速圖像處理和比例-積分-微分(proportion,integral,derivative,PID)閉環(huán)控制算法，研制出適用于車載環(huán)境使用的快反鏡，對行駛中車載平臺的光軸抖動進(jìn)行閉環(huán)控制，達(dá)到了光軸穩(wěn)定的目的。

1　光軸穩(wěn)定系統(tǒng)的工作原理

光軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)由快反鏡、驅(qū)動控制系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)三部分組成。快反鏡是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，反饋系統(tǒng)為控制系統(tǒng)提供位置反饋信息，控制系統(tǒng)將解算的脫靶量經(jīng)PID控制傳輸?shù)津?qū)動系統(tǒng)上進(jìn)行相應(yīng)的放大，最

Fig.1　Working principle of FSM

終加載到快反鏡驅(qū)動器上，驅(qū)動器的伸縮帶動鏡面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而對光軸指向進(jìn)行調(diào)節(jié)[16]。圖1是快反鏡工作原理圖。圖中,PC是個人電腦(personal computer),FSM是快速控制反射鏡(fast steering mirror),FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array)。

2　驅(qū)動器的選擇

車載條件下，由于汽車行駛過程中，發(fā)動機(jī)的抖動以及路面不平等原因產(chǎn)生的振動與沖擊，對快反鏡自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、閉環(huán)零點的穩(wěn)定性以及閉環(huán)后光軸的指向精度都提出了較高的要求，而快反鏡驅(qū)動器的選擇與這些指標(biāo)直接相關(guān)。當(dāng)前，快反鏡的驅(qū)動器主要有音圈電機(jī)和壓電陶瓷兩種類型，音圈電機(jī)的定子和線圈是分離體，相互之間無摩擦直線運(yùn)動，在快反鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計中，安裝反射鏡的鏡框與安裝電機(jī)的基座之間始終做不到絕對的剛性連接，這就制約了快反鏡閉環(huán)帶寬的提升，同時，采用音圈電機(jī)分離體結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動的快反鏡，汽車行駛中對快反鏡造成的振動和沖擊影響較大；而壓電陶瓷驅(qū)動器，加載預(yù)緊力之后，將安裝反射鏡的鏡框與快反鏡的基座進(jìn)行剛性連接，其固有頻率很容易做到很高，在滿足動態(tài)范圍條件下，這種結(jié)構(gòu)對于車載環(huán)境應(yīng)用需求具有較大的技術(shù)優(yōu)勢。為此，作者采用壓電陶瓷作為驅(qū)動器對快反鏡進(jìn)行驅(qū)動。

壓電陶瓷自身具有較高的諧振頻率，同時分辨率可以達(dá)到納米量級，但遲滯現(xiàn)象比較明顯，通過加載預(yù)緊力，既可以提高壓電陶瓷的抗拉能力，也可以實現(xiàn)驅(qū)動器的剛性連接，滿足車載環(huán)境使用要求。圖2是壓電陶瓷預(yù)緊力加載前/后的位移-電壓曲線。裸陶瓷遲滯18.6%，加載預(yù)緊力后遲滯為17.8%，其遲滯百分比變化不大。

Fig.2Hysteresis loop of piezoelectric ceramic with and without loading pretightening force

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用四驅(qū)動器“十”字正交模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局。壓電陶瓷加載預(yù)緊力后通過柔性鉸鏈將安裝反射鏡的鏡框與基座進(jìn)行固連，結(jié)構(gòu)件中心處設(shè)置柔性限位裝置，既確保反射鏡繞中心軸轉(zhuǎn)動，又限制反射鏡轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生鏡面平移，鏡框外圍增加彈性結(jié)構(gòu)對反射鏡進(jìn)行輔助支撐。該快反鏡結(jié)構(gòu)整體上屬于剛性連接，有利于車載環(huán)境的應(yīng)用。圖3是快反鏡結(jié)構(gòu)示意圖和3維模型。

Fig.3　a—structure diagram of a FSM　b—3-D model of a FSM

仿真分析為快反鏡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供幫助。仿真內(nèi)容包括驅(qū)動器驅(qū)動能力的仿真，即在驅(qū)動器作用下產(chǎn)生的應(yīng)變是否滿足動態(tài)范圍需求，而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力是否小于材料的許用應(yīng)力，同時仿真還包括模態(tài)分析，通過優(yōu)化設(shè)計，提高1階模態(tài)頻率。圖4是快反鏡應(yīng)力和應(yīng)變仿真結(jié)果。通過換算，鏡面偏轉(zhuǎn)角度為0.347mrad，滿足設(shè)計指標(biāo)，最大應(yīng)力為14.52MPa，集中在驅(qū)動器預(yù)緊裝置的根部，但遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。圖5是快反鏡1階～4階模態(tài)振型。1階模態(tài)振型頻率為665Hz，是由支架形成的，而2階模態(tài)振型頻率為932Hz,是鏡框和反射鏡的組合體繞中心軸的轉(zhuǎn)動形成的，通過優(yōu)化，可以提高其1階、2階模態(tài)頻率。

Fig.4　Stress/strain simulation results of a FSM

Fig.5　1st～4th order modes of a FSM

4　閉環(huán)控制的實現(xiàn)

快反鏡工作在閉環(huán)模式下，采用FPGA硬件對其進(jìn)行閉環(huán)控制。高幀頻互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semiconeluctor,CMOS)相機(jī)320×510靶面幀頻為2033frame/s，光斑圖像通過兩路Camera Link接口傳輸至FPGA板卡進(jìn)行高速圖像處理，計算的質(zhì)心位置用作閉環(huán)反饋信號來源，目標(biāo)位置與質(zhì)心位置的偏差形成的脫靶量經(jīng)PID控制模塊進(jìn)行處理，其控制量經(jīng)LVDS傳輸協(xié)議送入到高壓放大器中進(jìn)行相應(yīng)的放大并加載到壓電陶瓷上，驅(qū)動反射鏡偏轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。采用硬件閉環(huán)，從質(zhì)心計算到高壓加載，耗時小于82μs，跟采用上位機(jī)進(jìn)行閉環(huán)比較(約3ms)，流程時間大幅提高，有利于提高快反鏡的閉環(huán)帶寬。實際應(yīng)用中，總控向快反鏡控制系統(tǒng)下發(fā)控制指令，快反鏡執(zhí)行相應(yīng)的開閉環(huán)動作，實現(xiàn)無人值守。圖6是FPGA高速圖像處理卡和高壓放大器實物。

Fig.6a—FPGA high speed image processorb—high-voltage amplifier

5　性能測試

快反鏡的性能參量包括開環(huán)響應(yīng)頻率、動態(tài)范圍、執(zhí)行精度以及閉環(huán)帶寬等。圖7是快反鏡性能測試原理框圖和測試現(xiàn)場。平行光經(jīng)反射鏡、快反鏡及縮束系統(tǒng)后入射到相機(jī)靶面，PC機(jī)通過網(wǎng)口與FPGA連接并發(fā)送相關(guān)的測試指令，高幀頻CMOS相機(jī)通過兩路Camera Link接口將圖像傳輸給FPGA進(jìn)行高速圖像處理并經(jīng)PID解算后通過LVDS傳輸協(xié)議傳輸?shù)礁邏悍糯笃?，放大后的控制電壓加載到快反鏡上，從而對其相關(guān)性能參量進(jìn)行測試。

Fig.7　a—test diagram for a FSM　b—picture of performance testing

將快反鏡閉環(huán)以后，以目標(biāo)像素指令的方式對快反鏡進(jìn)行動態(tài)范圍和線性度測試。圖8是快反鏡動態(tài)范圍測試曲線。x軸和y軸動態(tài)范圍均大于0.6mrad，與設(shè)計指標(biāo)相符，且線性度較好。

快反鏡閉環(huán)以后，光斑質(zhì)心抖動量即為閉環(huán)殘差；閉環(huán)狀態(tài)下發(fā)送較小的目標(biāo)像素指令讓快反鏡執(zhí)行小角度偏轉(zhuǎn)，當(dāng)無法明顯區(qū)分質(zhì)心曲線的變化時，即達(dá)到了快反鏡的分辨率極限。圖9是快反鏡閉環(huán)殘差和分辨率測試曲線。從曲線上可以看出，快反鏡閉環(huán)后，質(zhì)心抖動量小于0.95μrad/峰谷值，均方根在0.1μrad左右，而快反鏡分辨率約0.4μrad。

Fig.8　x/y axis dynamic range curve of FSM

Fig.9　a—residual curve of closed loop of a FSM　b—resolution curve

圖10是快反鏡x和y軸頻譜分析曲線。從圖上可以看出，快反鏡閉環(huán)帶寬在100Hz以上，其中32Hz處的“冒尖”現(xiàn)象是光源自身產(chǎn)生的。

開環(huán)響應(yīng)頻率的測試，是通過高壓放大器給快反鏡加載開環(huán)正弦電壓，用光電二極管接收快反鏡反射的回光，用示波器同時采集了兩路信號來實現(xiàn)的。圖11是示波器采集到的兩路信號。其中下面的曲線是控制系統(tǒng)的指令曲線，指令頻率為3.145kHz，上面的曲線是光電二極管的探測到的光電轉(zhuǎn)換信號，即快反鏡的響應(yīng)曲線。從圖上可以看出，光電二極管的回光信號良好，無失真現(xiàn)象，快反鏡的開環(huán)響應(yīng)頻率達(dá)到了3kHz以上。

Fig.10　Spectrum analysis curve on x/y axis of a FSM

Fig.11　Open loop response frequency test of a FSM

6　系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)

在車載平臺上，全系統(tǒng)進(jìn)行了集成聯(lián)調(diào)。實驗中，汽車以40km/h在行駛于三級公路上，上位機(jī)發(fā)送控制指令，F(xiàn)PGA硬件及控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的命令，快反鏡實現(xiàn)相關(guān)開閉環(huán)任務(wù)。圖12是x軸開/閉環(huán)曲線，圖13是y軸開/閉環(huán)曲線。從圖12和圖13可以看出，快反鏡x軸質(zhì)心抖動均方根從8.33μrad減小到2.26μrad，y軸從18.67μrad減小到8.89μrad，從抖動幅值來看，x軸減小3.6倍，y軸減小2.1倍。

Fig.12　Open/closed loop curve on x axis of a FSM

Fig.13　Open/closed loop curve on y axis of a FSM

對汽車行進(jìn)中快反鏡開閉環(huán)進(jìn)行了頻譜分析。圖14是快反鏡x軸和y軸頻譜曲線，從曲線可以看出，快反鏡對20Hz以內(nèi)的光軸抖動抑制效果明顯。

Fig.14　Spectrum curve on x axis and y axis of a FSM

7　結(jié)　論

基于車載平臺光軸穩(wěn)定的應(yīng)用需求，開展了壓電陶瓷快反鏡光軸穩(wěn)定技術(shù)研究，成功研制出剛性連接的快反鏡，其分辨率約0.4μrad，閉環(huán)帶寬大于100Hz。采用FPGA硬件模塊對快反鏡進(jìn)行閉環(huán)控制，在三級公路上汽車以40km/h行駛時，由總控對快反鏡進(jìn)行控制，快反鏡閉環(huán)后，x軸光軸抖動均方根值減小3.6倍，y軸減小2.1倍，同時，對系統(tǒng)20Hz以內(nèi)的頻率進(jìn)行了有效抑制，取得了較好的實驗效果，為車載平臺的光軸穩(wěn)定起到了重要作用。