华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
为了揭示反射式二维快速控制反射镜在光学系统中引起的图像旋转规律, 为光学消旋提供数学模型, 构建了反射式二维快速控制反射镜典型应用。利用空间矢量绕轴旋转的数学分析方法和平面镜反射成像规律, 建立了反射式快速控制反射镜典型应用场景的反射像矢量模型。根据反射像矢量模型给出了观察平面内的图像旋转数学模型, 分析了二维快速控制反射镜单轴、双轴扫描时图像旋转的数学模型及其物理成因, 并给出了像旋角仿真结果。为基于反射式二维快速控制反射镜光学系统的光学消旋奠定了理论基础, 并提供了精确的数学模型。
扫描 快速控制反射镜 反射 矢量旋转 像旋 scanning fast-steering mirror reflection vector rotation image rotation
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
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
在二自由度快速控制反射镜系统设计中，为提高系统的控制带宽，应尽量降低工作方向上的低阶固有频率，提高非工作方向上的高阶固有频率。该课题以某深切口柔性铰链快反镜系统作为研究对象，首先对系统前四阶固有频率的振型运动方向进行了分析，并针对传统刚度计算方法不适用于第三阶振型方向的问题，重新推导了第三阶振型方向上的刚度计算公式；其次，利用能量法和卡式第二定理对深切口柔性铰链上的工作刚度进行了推导，并进行了非线性拟合化简，得出的简化计算公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过8.9%，证明了推导的铰链工作刚度理论公式的准确性；然后，将第三阶振型方向刚度计算公式和柔性铰链刚度计算公式代入固有频率计算公式，并进行有限元验证，结果表明理论公式计算结果与有限元仿真结果误差不超过1.7%，证明了新的三阶振型方向上的刚度计算公式的准确性。最后利用遗传算法，对系统前四阶固有频率进行了多目标优化设计，到达设计要求，所求出的优化结构较初始结构有明显优化，工作方向刚度减小19.04%，非工作方向刚度提高297.83%和77.09%。此外还对其进行了有限元仿真验证，结果证明一、二阶固有频率减小8.08%、5.40%，三、四阶固有频率提高了112.59%、16.80%。证明优化结构较初始结构有较大提高，能有效提高系统控制带宽。
快速控制反射镜 控制带宽 优化设计 固有频率 柔性铰链刚度 fast steering mirror control bandwidth optimal design natural frequency the stiffness of flexure hinge 红外与激光工程
2021, 50(6): 20200450
1 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000
2 光电控制技术重点实验室，河南 洛阳 471000
3 中国人民解放军驻六一三所军事代表室,河南 洛阳 471000
快速控制反射镜是一种高精度、高带宽机电装置，用来提升光电成像和光束控制系统的性能，目前已广泛应用于天文学、激光通信、军用瞄准和监视系统等领域。概述了FSM的机电构造和性能，并对FSM总体特征进行了描述。针对与FSM相关的LOS运动学特性进行分析计算，绘制了几种具有代表性情况下的扫描偏差图形，得到的运动学特性可用来对FSM系统进行校准，从而提升瞄准性能。
快速控制反射镜 反射镜LOS运动学 光束控制 fast-steering-mirror line-of-sight LOS mirror LOS kinematics beam steering
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
设计了一款紧凑型刚性支撑式快速控制反射镜(FSM),以适应机载运动平台的高振动、大冲击和高低温等恶劣工作环境。考虑机载FSM的工作需求, 分别对FSM的支撑轴系、驱动元件和测角元件等进行设计与选择。针对刚性支撑轴系设计了轴系间隙调整机构, 提高了FSM系统的轴系精度, 进一步增大了FSM的承载能力; 针对机载FSM研制了专用小尺寸微位移测量传感器, 通过将4个传感器非轴线对称布置, 并利用二次差分的方式实现反射镜位置的实时监测, 进一步减小了FSM系统的体积, 提高了它的测量精度。最后, 对机载FSM的控制带宽和指向精度进行了实验检测。结果显示: 所设计的FSM系统控制带宽约为110 Hz, 方位指向误差不超过3.4″, 俯仰指向误差不超过3.8″, 表明所设计的FSM控制系统稳定、响应速度快、指向精度高, 满足机载运动平台的应用要求。
快速控制反射镜 刚性支撑 差分测量 控制带宽 指向精度 Fast Steering Mirror(FSM) rigid support difference measurement control bandwidth pointing precision
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
基于椭圆弧柔性铰链兼顾了直梁型柔性铰链运动范围大和圆弧型柔性铰链运动精度高的特点，设计了基于椭圆弧柔性铰链的二维快速控制反射镜系统两轴柔性支撑平台。为使柔性支撑平台快速响应性好，即使其低阶固有频率最大化，对该柔性支撑平台进行了结构优化设计。理论推导了单个柔性铰链最大刚度与许用应力、转角和铰链参数的理论计算公式。然后，采用集**数的分析方法，得出了两轴柔性支撑平台低阶最大固有频率的理论计算公式。由公式可知：在转动惯量一定的情况下，低阶固有频率最大化即为工作方向刚度最大化。最后，通过有限元仿真和实验检测验证了理论计算的准确性， 得到的结果显示：柔性支撑平台的最大固有频率和最大应力的理论值与仿真值的相对误差小于5%，平台工作刚度的理论值与仿真值、实测值的相对误差分别为3.86%和5.75%。仿真和实验结果表明：利用本文推导的理论公式进行柔性支撑平台刚度优化设计，既可以满足工程设计要求，又能省去繁杂的有限元计算。
快速控制反射镜 椭圆弧柔性铰链 柔性支撑平台 刚度优化 固有频率 fast steering mirror elliptic flexure hinge flexible supporting platform stiffness optimization natural frequency 光学 精密工程
2015, 23(12): 3378
1 重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2 重庆大学 光电工程学院, 精密与智能实验室, 重庆 400044
针对现有的基于压电陶瓷叠堆执行器的快速控制反射镜偏转角度较小的问题, 提出了一种大角度定轴偏转压电式快速控制反射镜。采用基于柔性铰链的桥式位移放大机构将压电陶瓷叠堆执行器的输出位移放大, 并将其作用到反射镜面上实现大角度定轴偏转。在此基础上, 建立了压电式快速控制反射镜的结构和偏转角度输出方程, 并通过理论推导和仿真对其工作时的最大偏转角度、最大应力和自然频率特性进行了分析。最后, 通过实验测试对建立的压电式快速控制反射镜的工作原理和特性分析结果进行了验证。结果表明, 建立的偏转角度输出方程能够根据压电陶瓷叠堆执行器的输出位移准确估计压电式快速控制反射镜的机械偏转角度, 从而大大提高设计的效率; 建立的压电式快速控制反射镜可以实现大于3°的镜面机械偏转, 其固有频率为180 Hz, 能够满足高速稳像系统的偏转角度大、响应速度快的要求。
快速控制反射镜 压电陶瓷叠堆执行器 倾斜镜 自适应光学 图像稳定 Fast Steering Mirror (FSM) Piezoelectric Ceramic Stack Actuator (PCSA) tilt mirror adaptive optics image stabilization
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
为了减小万向轴系式快速反射镜(FSM)的轴向间隙, 改善FSM系统的指向精度, 设计了一种轴系间隙消除装置。在明确万向轴系式FSM结构原理的基础上, 分析了FSM系统指向误差的来源。然后, 设计了轴系间隙消除装置, 计算了压缩弹簧预紧力并对它的结构参数进行了设定。最后, 针对是否装有轴系间隙消除装置的FSM系统的指向精度进行了对比测试。结果表明: 该轴系间隙消除装置能够有效改善FSM系统的指向精度, 使其在方位方向提高约4.4倍, 俯仰方向提高约3.3倍。此外, 在刚性支撑轴系基础上设计的弹性轴向间隙消除装置, 不仅改善了万向轴系式FSM的指向精度, 还为系统的运动部分提供了二次刚性支撑, 从而进一步提高了FSM的承载能力。
快速控制反射镜 万向轴系 轴向间隙 指向精度 fast steering mirror spherical gemel axial clearance pointing precision
1 重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2 重庆大学 光电工程学院 精密与智能实验室, 重庆 400044
针对压电式快速控制反射镜(Fast Steering Mirror, FSM)的迟滞问题, 分析了压电式FSM的工作原理和迟滞特性, 建立了基于Bouc-Wen算子的压电式FSM的数学模型及其参数辨识方法。通过Bouc-Wen算子模拟压电式FSM输出镜面偏转角度中的迟滞分量, 并根据在两个相位相同的输入驱动电压信号下压电式FSM的输出镜面偏转角度曲线辨识Bouc-Wen算子的全部参数。在此基础上, 提出了压电式FSM的前馈线性化方法。为了验证提出的数学模型和线性化方法的原理, 建立了压电式FSM及其线性化控制器的快速原型系统和Bouc-Wen算子参数辨识实验装置。实验结果表明: 本文提出的参数辨识方法能够准确辨识压电式FSM的Bouc-Wen算子参数, 提出的前馈线性化方法能够将压电式FSM的输出镜面偏转角度与输入控制电压的线性度提高到2.3%, 迟滞误差减小到±0.5%, 满足实际应用对精确控制压电式FSM的要求。
快速控制反射镜 压电陶瓷叠堆执行器 倾斜镜 迟滞 线性化 Fast Steering Mirror (FSM) Piezoelectric Ceramic Stack Actuator (PCSA) tilt mirror hysteresis linearization
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
设计了一种适于车载等运动环境下的快速控制反射镜, 用于在具有振动和冲击的工作环境下控制激光发射系统的激光光束稳定及其精确校准。根据某光学系统的性能指标要求, 阐述了用于高能激光的平面反射镜的物理性能以及控制反射镜负载应有的机械特性。采用大行程的音圈电机作为控制反射镜的驱动器, 并设计了精度高、抗干扰能力强的角位移测量装置作为控制反射镜的位置传感器。对所采用的4个音圈电机和4个角位移测量装置进行了合理布局, 既降低了系统的转动惯量又提高了系统的可靠性和环境适应性。实验结果表明: 该快速控制反射镜的定位精度优于1.4″, 满足高能激光发射系统对控制反射镜的精度要求。
光束控制 快速控制反射镜 激光发射系统 动载体 音圈电机 beam control Fast Steering Mirror (FSM) laser projecting system motion carrier voice coil actuator
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了使快速控制反射镜(FSM)能在车载、舰载等运动环境下稳定工作, 并具有很高的控制精度, 研制了一套高精度角位移测量装置, 该装置通过精确地提供反射镜摆角信息作为系统的反馈信号来实现伺服闭环控制。针对传统快速控制反射镜位置信息反馈传感器的精度低以及不适于动载环境等缺点, 采用田字裂相信号提取方法设计了基于莫尔条纹计数测量原理的精密光栅, 并通过计算机进行仿真分析设计了具有抗干扰能力和耐高低温变化的绝对零位信号, 其对比度达0.25。对信号处理电路进行高度集成, 实现了小型化。实验结果表明, 反射镜角位移测量装置测量的反射镜角分辨率为0.15″, 测角精度优于0.4″, 完全能满足机动式条件下, 高能激光发射系统对FSM控制精度的要求。
车载激光** 快速控制反射镜 光栅 光束控制 角位移测量 vehicle-borne laser weapon Fast Steering Mirror (FSM) grating beam control angle displacement measurement
