!振动环境下的快速反射镜精跟踪系统

激光与红外Ｎｏ．１ ２００８
邓耀初等振动环境下的快速反射镜精跟踪系统
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嘲４ Ｓ１８８０ ＰＳＤ Ｆｉｇ．４ ｔｈｅ Ｓ１８８０ １１ＳＤ
实验选用ＴＩ公司的高速定点运算ＤＳＰ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７作为系统的处理器，其运算速度为 ３０ＭＩＰＳ（Ｍｉｌｌｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ Ｐｅｒ Ｓｅｃｏｎｄ，每秒百万条 指令）。 ３．２实验结果
［２］ 岳冰，杨文淑，傅承毓．空间光通信中的快速反射镜精 跟踪实验系统［Ｊ］．光电工程，２００２，２９（２）：３５—３８．
振动环境下的快速反射镜精跟踪系统
作者：
作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
邓耀初， 贾建援， 陈贵敏， 刘亚琴， DENG Yao-chu， JIA Jian-yuan， CHEN Gui-min ， LIU Ya-qin 邓耀初,贾建援,陈贵敏,DENG Yao-chu,JIA Jian-yuan,CHEN Gui-min(西安电子科技大学机 电工程学院,陕西,西安,710071)， 刘亚琴,LIU Ya-qin(西安应用光学研究所,陕西,西安 ,710065)
￡，（Ｌ：＋‘：）一（Ｌ。＋，ｙ。）
…、Ｉ１ ７Ｊ
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２
Ｌ．＋，。＋，，．＋，。
Ｐ７
通过测量ＰＳＤ输出端电流，按照式（１）和式（２）
便可计算出入射光点的位置（戈，Ｙ）。
万方数据
２．３闭环控制器 系统要求具有极强的实时性，否则由于相位滞
后，控制效果将会受到严重影响。因此在快速反射 镜精跟踪系统中，单片机难以达到实时性要求，选用 高速ＤＳＰ作为系统的处理器。
图３ ＬｉＩ ｏ Ｆ…ｓ…Ｍ棚…２一－０．２型＝匕快ｖ速、反Ｊ‘射ｏ掊ｚ＾ｉ月，ｓＪＲ。
Ｆｉｇ．３ ｔｈｅ ＦＳＭ一００２—０２
位移检测是整个系统的关键，实验采用了一个 日本ＨＡＭＡＭＡＴＳＵ公司生产的Ｓ１８８０型ＰＳＤ，如图 ４所示。该型ＰＳＤ光谱响应范围３２０—１０６０ｒｉｍ，位 置分辨率１．５１ｘｍ，响应频率≥１ｋＨｚ。
２．Ｘｉ’ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｘｉ’ａｎ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｐｒｅｃｉｓｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａ ｆａｓｔ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｓ ｅｓｔａｂ· ｌｉｓｈｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ ｉｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｅｖｅｒａｌ ｉｍ— ｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆａｓｔ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ；ａｄｖｅｒｓｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ
该光束指向稳定控制系统包括一个激光光源， 一部二维快速反射镜（ＦＳＭ），一个位置敏感探测器 （ＰＳＤ），一台激振器，ＤＳＰ控制器以及相应的处理电 路，系统示意图如图１所示。
在光学平台上安装ＦＳＭ和激光光源，ＦＳＭ和激 光光源的相对位置固定。将ＰＳＤ固定在激振器上， 置于另一平台上，模拟振动干扰。激光束经ＦＳＭ反
１引 言 建立了一套在模拟振动扰动条件下，高精度高
带宽的二维快速反射镜（ＦＳＭ）精跟踪系统。该系统 采用位置敏感探测器（ＰＳＤ）作为精跟踪位置传感器 进行脱靶量探测，系统工作在闭环方式下，根据位置 敏感探测器检测到的位置信号控制快速反射镜，从 而构成精跟踪环，可在一定的视场内实现对目标快 速、精确地跟踪¨。。 ２快速反射镜精跟踪系统方案
收稿日期：２００７旬８＿０８
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激光与红外
第３８卷
测出的脱靶量经过ＰＩＤ控制算法和功率放大后控制 ＦＳＭ的转动，使光束经ＦＳＭ反射后照射在ＰＳＤ的中 心嵋ｏ，实现对跟踪误差的实时补偿。 ２．１ 快速反射镜（ＦＳＭ）
ＦＳＭ是自适应光学中重要的能动光学元件，它 既可以用来在自适应光学系统中校正光路中的倾斜 误差，也可以用来稳定光束线的指向，同时还可以用 来在光学精密仪器中作为快速跟踪的关键器件。 ＦＳＭ利用音圈电机或分辨率达到纳米量级的压电 驱动器驱动，其惯性比传统机架小很多，可大幅度提 高谐振频率，与高灵敏度、高响应速度的传感器相结 合，就可以构成高精度的光学跟踪系统，大大提高系 统的跟踪带宽和响应速度，同时又有极高的角度分 辨能力。因此，快速反射镜可应用于自适应光学系 统、目标指向、跟踪捕获、激光束稳定系统、稳定空间 或机载光学系统视线、激光雷达、激光束调整及光通 信等‘１｜。 ２．２位置敏感探测器（ＰＳＤ）
摘要：以快速反射镜和位置敏感探测器为主要功能模块设计了光束精跟踪系统，并在模拟振
动扰动的环境中对系统性能进行了测试。实验结果证明了该系统可有效补偿由机械振动等引
起的跟踪误差，验证了该方案的可行性。简要总结了该系统所需解决的主要问题，并提出了改
进方案。
关键词：快速反射镜；位置敏感探测器；精跟踪；恶劣环境
系统闭环控制器采集由ＰＳＤ输出的光电压信 号，该信号为照射在ＰＳＤ感光面上光斑重心位置坐 标（ＰＣ，Ｙ）的两路电压信号‘。此两路电压信号经Ａ／Ｄ 转换后即成为代表光斑重心位置坐标（ＰＣ，Ｙ）的数字 信号，此数字信号送给ＤＳＰ，ＤＳＰ按照ＰＩＤ控制算法 解算出对ＦＳＭ的两路控制信号并进行Ｄ／Ａ转换， 再将Ｄ／Ａ转换后的电压经运算放大输出给快速反 射镜驱动其绕戈和Ｙ两个轴旋转。系统实时性的好 坏主要取决于控制算法的精简程度。
中图分类号：ＴＪ７６８；Ｖ５５６．７
文献标识码：Ａ
Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａ Ｆａｓｔ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｍｉｒｒｏｒ ｉｎ
Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
ＤＥＮＧ Ｙａｏ—ｃｈｕｌ，Ｊ１Ａ Ｊｉａｎ．ｙｕａｎｌ，ＣＨＥＮ Ｇｕｉ—ｍｉｎｌ，ＬＩＵ Ｙａ—ｑｉｎ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｄｉａｎ Ｕｎｉｖ．，Ｘｉ’ａｎ ７１００７１，Ｃｈｉｎａ；
激光与红外 LASER & INFRARED 2008,38(1) 1次
参考文献(2条)
1.岳冰;杨文淑;傅承毓 空间光通信中的快速反射镜精跟踪实验系统[期刊论文]-光电工程 2002(02) 2.万敏;张家如;聂文杰 快速倾斜反射镜精跟踪系统[期刊论文]-激光与红外 1999(03)
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图６系统跟踪误差图
Ｆｉｇ．６ １ｒａｃｋｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ
３．３有待改进的地方
（１）二极管激光器输出的激光强度不稳定，这
对ＰＳＤ测量光斑的准确位置产生影响。使用聚束
性能和稳定性能好的激光器，使照射到ＰＳＤ上的光
结束后系统即进入稳定的运行状态，且稳态误差
极小。
为了验证实验系统在振动环境下的有效性，使
激振器输出频率为１０Ｈｚ、振幅为５ｒａｍ的正弦激励，
系统采样频率为２００Ｈｚ。根据采集的ＰＳＤ检测到的
光斑脱靶量绘制跟踪误差图，该图可直观地反映出 万方数据
跟踪误差的变化，如图６所示。图６中ＡＥ为ＰＳＤ 上光斑的脱靶量，开启激振器加载振动，此时△Ｅ随 着激振器的振动在大约±５ｍｍ范围内变化。打开 控制系统后，△Ｅ很快回到零值附近，并稳定在很小 的范围内。实验装置中ＦＳＭ到ＰＳＤ的距离为５ｍ， 图６中显示该精跟踪系统最大脱靶量为０．０３ｒａｍ， 可推知此时系统精跟踪精度可达到６ｔｘｒａｄ。由此可 见，实验系统具有良好的效果。
的可行性。但系统仍存在一些问题，如控制精度还
不太高，稳定性也不够。进一步的工作将进行系统
辨识和建模，得到精确的系统模型，使用压电陶瓷驱
动的快速反射镜，以及改善实验条件等，以上问题均
可得到改善和解决。
参考文献：
［１］ 万敏，张家如，聂文杰，等．快速倾斜反射镜精跟踪系 统［Ｊ］．激光与红外，１９９９，２９（３）：１４５—１４７．
万方数据
Ｆｉｇ．１ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ
射后照射在ＰＳＤ上，ＰＳＤ能够检测出光斑相对于 ＰＳＤ中心的脱靶量，如果检测出的脱靶量为零，说明 无跟踪误差，不需要校正；如果检测到的脱靶量不为 零，说明存在跟踪误差，需要校正。因此，将ＰＳＤ检
作者简介：刘耀初（１９８１一），男，硕士研究生，主要从事光机电 一体化研究工作。Ｅ．ｍａｉｌ：ｈｅａｌｔｈｙ—ｈａｐｐｙｌｌ２７＠１２６．ｃｏｎ
二维ＰＳＤ的四个输出极ＰＣ，，戈：，Ｙ。，Ｙ：位于同一 表面，可以看到其感光面积的边缘做成圆弧型，输出
极从对角线处引出，这样使得ＰＳＤ有效面积（阴影
部分）有所减少，但是大大降低了戈，Ｙ两个方向上输
出极之间相互干扰，使得输出线性度大为改善。其
Ｚ＝一一 输出特性如式（１）和式（２）： ∞：生生±生！！二！墨！堡！ “ ２ Ｌｌ＋Ｌ２＋‘１＋，，，
一般认为，阶跃输入对系统来说是最严峻的工 作状态。如果系统在阶跃函数作用下的动态性能满 足要求，那么系统在其他形式的函数作用下，其动态 性能也是令人满意的。图５是系统在阶跃输入下的 响应曲线。
图５系统阶跃响应曲线
Ｆｉｇ．５
ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｓｔｅｐ ｓｉｇｎａｌ
实验装置中ＦＳＭ到ＰＳＤ的距离为５ｍ。图５中
斑面积尽可能小且形状均匀，可提高位置检测精度。
（２）受室内光的红光成分干扰，尽管为ＰＳＤ加
装了滤波片，但ＰＳＤ感应出的光斑位置仍然存在误
差。使用带宽范围更窄的滤波片可减少室内可见光
的影响。
４结束语
本文对使用快速反射镜和位置敏感探测器为主
要模块的精跟踪系统进行了研究，并通过实验验证
了其具有良好的跟踪能力，从而证明了该系统方案
△Ｅ为ＰＳＤ上光斑的脱靶量。由系统原理可知，如
果在ｚ和Ｙ两个方向上脱靶量都为零，则表明光束

照射在ＰＳＤ的中心位置，也就是说无跟踪误差，此
时光束指向不需要校正。反之，说明存在跟踪误差，
需要校正。实验结果可知系统调节时问为８０ｍｓ左
右，稳态误差７Ｉｘｍ，延迟时间为８ｍｓ，系统过渡时间 很短，而且整个过程中未出现超调现象，在过渡过程
ＰＳＤ是连续型位置传感器，具有较高的响应速 度（微秒级）、较高的精度（微米级），尤其是较高的 低频测试精度，并且可以直接检测输出振动对象的 位移和速度，克服了加速度传感器的不足，提高了控 制器的实时性，其结构如图２所示。
效面积
感光向积
图２二维ＰＳＤ结构示意图
Ｆｉｇ．２ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ２Ｄ ＰＳＤ
实验采用一台美国Ｎｅｗｐｏｒｔ公司生产的ＦＳＭ一 ００２—０２型快速反射镜，如图３所示。该ＦＳＭ采用 推拉式结构，由四个音圈电机驱动，可以提供高速、 稳定的石，Ｙ双轴向旋转。驱动电压±１０Ｖ，机械转 角范围±１．５。，解析度≤１ ｐ。ｒａｄ（均方根值），最大角 速度２．５ｒａｄ／ｓ，最大角加速度９００ｒａｄ／ｓ２，通光口径 ４５．７ｍｍ，闭环幅值带宽（一３ｄＢ）为８００Ｈｚ，闭环相位 带宽（６００滞后）为４００Ｈｚ。
第３８卷 第１期 ２００８年１月
激光与红外
ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖ０１．３８．Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ，，２００８
文章编号：１００１—５０７８（２００８）０ｌ－００１１－０３
·激光技术与应用·
振动环境下的快速反射镜精跟踪系统
邓耀初１，贾建援１，陈贵敏１，刘亚琴２
（１．西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安７１００７１；２．西安应用光学研究所，陕西西安７１００６５）
另外，为了减少室内环境光对ＰＳＤ的照射作用 影响，为ＰＳＤ加装一个与入射波长相匹配的窄带滤 波片。 ３实验与结果 ３．１ 实验系统组成
实验中光源为一个二极管激光器，其输出波长 为６５０ｎｍ（红光）；为ＰＳＤ加装北京卓立汉光生产的 ＪＳＬ６４０—２５红色滤波片，带宽范围为（６４０±１５）ｎｍ， 正好与激光波长相匹配。