基于車載平臺的快反鏡光軸穩定技術

李國會，歐　龍，謝川林，徐宏來，周志強，向汝建

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

引　言

在車載光學系統中，一般會采取鋼絲彈簧或氣浮平臺等措施對光學平臺進行主動或被動減震，以減小振動或沖擊對系統設備及光束傳輸的影響[1-2]。由于平臺內部光學元件熱效應、光束傳輸中大氣湍流、環境噪聲以及行車中路面不平和發動機的抖動等條件的影響[3-8]，在接收系統中會造成光斑抖動、成像模糊、光束質量變差[9]，在發射系統中，會造成目標上光斑漂移、瞄準精度差，因此需要在光路中設置抑制光軸抖動的器件，提高光軸穩定性[4,6]。電調鏡具有光軸調節的功能，但精度不高，調節速度或帶寬較低，難以對光軸進行實時穩定，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、響應速度和閉環帶寬高，同時可以對光軸進行實時閉環穩定，在激光傳輸、天文觀測以及跟瞄等光學系統中，得到了廣泛的應用[4,6,10]。

在國外，德國PI公司是微位移和微驅動領域的先驅，該公司采用自產的壓電陶瓷結合線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer,LVDT)或應變片作為反饋元件，研制了大量應用于不同環境的快反鏡；美國NewPort公司采用音圈電機作為驅動器，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用。在國內，中國科學院光電技術研究所率先從事快反鏡研究工作，從20世紀八、九十年代至今，已生產出大量應用于激光通信、天文觀測以及跟瞄系統中的快反鏡，取得了較好的科研成果[4]；另外，在科研院所和高校中，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、中國科學院安徽光學精密機械所、中國科學院西安光學精密機械機所以及哈爾濱工業大學、北京航空航天大學、重慶大學等單位，對快反鏡的研究與應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用電子學研究所開展了近15年的快反鏡技術研究與應用，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定應用需求的特點，作者針對性地開展適用于車載環境的快反鏡光軸穩定技術研究，包括驅動器的選型、布局方式，在結構設計中，重點考慮車載環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)閉環控制算法，研制出適用于車載環境使用的快反鏡，對行駛中車載平臺的光軸抖動進行閉環控制，達到了光軸穩定的目的。

1　光軸穩定系統的工作原理

光軸穩定控制系統由快反鏡、驅動控制系統和反饋系統三部分組成。快反鏡是執行機構，反饋系統為控制系統提供位置反饋信息，控制系統將解算的脫靶量經PID控制傳輸到驅動系統上進行相應的放大，最

Fig.1　Working principle of FSM

終加載到快反鏡驅動器上，驅動器的伸縮帶動鏡面發生偏轉，從而對光軸指向進行調節[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是現場可編程門陣列(field-programmable gate array)。

2　驅動器的選擇

車載條件下，由于汽車行駛過程中，發動機的抖動以及路面不平等原因產生的振動與沖擊，對快反鏡自身的結構強度、閉環零點的穩定性以及閉環后光軸的指向精度都提出了較高的要求，而快反鏡驅動器的選擇與這些指標直接相關。當前，快反鏡的驅動器主要有音圈電機和壓電陶瓷兩種類型，音圈電機的定子和線圈是分離體，相互之間無摩擦直線運動，在快反鏡結構設計中，安裝反射鏡的鏡框與安裝電機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帶寬的提升，同時，采用音圈電機分離體結構進行驅動的快反鏡，汽車行駛中對快反鏡造成的振動和沖擊影響較大；而壓電陶瓷驅動器，加載預緊力之后，將安裝反射鏡的鏡框與快反鏡的基座進行剛性連接，其固有頻率很容易做到很高，在滿足動態范圍條件下，這種結構對于車載環境應用需求具有較大的技術優勢。為此，作者采用壓電陶瓷作為驅動器對快反鏡進行驅動。

壓電陶瓷自身具有較高的諧振頻率，同時分辨率可以達到納米量級，但遲滯現象比較明顯，通過加載預緊力，既可以提高壓電陶瓷的抗拉能力，也可以實現驅動器的剛性連接，滿足車載環境使用要求。圖2是壓電陶瓷預緊力加載前/后的位移-電壓曲線。裸陶瓷遲滯18.6%，加載預緊力后遲滯為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　結構設計及仿真分析

結構設計中，采用四驅動器“十”字正交模式進行結構布局。壓電陶瓷加載預緊力后通過柔性鉸鏈將安裝反射鏡的鏡框與基座進行固連，結構件中心處設置柔性限位裝置，既確保反射鏡繞中心軸轉動，又限制反射鏡轉動過程中發生鏡面平移，鏡框外圍增加彈性結構對反射鏡進行輔助支撐。該快反鏡結構整體上屬于剛性連接，有利于車載環境的應用。圖3是快反鏡結構示意圖和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構的優化設計提供幫助。仿真內容包括驅動器驅動能力的仿真，即在驅動器作用下產生的應變是否滿足動態范圍需求，而產生的內部應力是否小于材料的許用應力，同時仿真還包括模態分析，通過優化設計，提高1階模態頻率。圖4是快反鏡應力和應變仿真結果。通過換算，鏡面偏轉角度為0.347mrad，滿足設計指標，最大應力為14.52MPa，集中在驅動器預緊裝置的根部，但遠小于材料的許用應力，結構強度滿足要求。圖5是快反鏡1階～4階模態振型。1階模態振型頻率為665Hz，是由支架形成的，而2階模態振型頻率為932Hz,是鏡框和反射鏡的組合體繞中心軸的轉動形成的，通過優化，可以提高其1階、2階模態頻率。

Fig.4　Stress/strain simulation results of a FSM

Fig.5　1st～4th order modes of a FSM

4　閉環控制的實現

快反鏡工作在閉環模式下，采用FPGA硬件對其進行閉環控制。高幀頻互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide semiconeluctor,CMOS)相機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板卡進行高速圖像處理，計算的質心位置用作閉環反饋信號來源，目標位置與質心位置的偏差形成的脫靶量經PID控制模塊進行處理，其控制量經LVDS傳輸協議送入到高壓放大器中進行相應的放大并加載到壓電陶瓷上，驅動反射鏡偏轉從而實現閉環控制。采用硬件閉環，從質心計算到高壓加載，耗時小于82μs，跟采用上位機進行閉環比較(約3ms)，流程時間大幅提高，有利于提高快反鏡的閉環帶寬。實際應用中，總控向快反鏡控制系統下發控制指令，快反鏡執行相應的開閉環動作，實現無人值守。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響應頻率、動態范圍、執行精度以及閉環帶寬等。圖7是快反鏡性能測試原理框圖和測試現場。平行光經反射鏡、快反鏡及縮束系統后入射到相機靶面，PC機通過網口與FPGA連接并發送相關的測試指令，高幀頻CMOS相機通過兩路Camera Link接口將圖像傳輸給FPGA進行高速圖像處理并經PID解算后通過LVDS傳輸協議傳輸到高壓放大器，放大后的控制電壓加載到快反鏡上，從而對其相關性能參量進行測試。

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

將快反鏡閉環以后，以目標像素指令的方式對快反鏡進行動態范圍和線性度測試。圖8是快反鏡動態范圍測試曲線。x軸和y軸動態范圍均大于0.6mrad，與設計指標相符，且線性度較好。

快反鏡閉環以后，光斑質心抖動量即為閉環殘差；閉環狀態下發送較小的目標像素指令讓快反鏡執行小角度偏轉，當無法明顯區分質心曲線的變化時，即達到了快反鏡的分辨率極限。圖9是快反鏡閉環殘差和分辨率測試曲線。從曲線上可以看出，快反鏡閉環后，質心抖動量小于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，快反鏡閉環帶寬在100Hz以上，其中32Hz處的“冒尖”現象是光源自身產生的。

開環響應頻率的測試，是通過高壓放大器給快反鏡加載開環正弦電壓，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換信號，即快反鏡的響應曲線。從圖上可以看出，光電二極管的回光信號良好，無失真現象，快反鏡的開環響應頻率達到了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　系統集成聯調

在車載平臺上，全系統進行了集成聯調。實驗中，汽車以40km/h在行駛于三級公路上，上位機發送控制指令，FPGA硬件及控制系統執行相應的命令，快反鏡實現相關開閉環任務。圖12是x軸開/閉環曲線，圖13是y軸開/閉環曲線。從圖12和圖13可以看出，快反鏡x軸質心抖動均方根從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

對汽車行進中快反鏡開閉環進行了頻譜分析。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　論

基于車載平臺光軸穩定的應用需求，開展了壓電陶瓷快反鏡光軸穩定技術研究，成功研制出剛性連接的快反鏡，其分辨率約0.4μrad，閉環帶寬大于100Hz。采用FPGA硬件模塊對快反鏡進行閉環控制，在三級公路上汽車以40km/h行駛時，由總控對快反鏡進行控制，快反鏡閉環后，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20Hz以內的頻率進行了有效抑制，取得了較好的實驗效果，為車載平臺的光軸穩定起到了重要作用。