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航空光電平臺(tái)兩軸快速反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作者：譚淞年王福超許永森王燁菲李全超來(lái)源：《光學(xué)精密工程》日期：2022-07-11人氣：2639

航空光電穩(wěn)定平臺(tái)在照相時(shí)刻曝光瞬間，由于載機(jī)前向飛行、飛行姿態(tài)調(diào)整等因素會(huì)產(chǎn)生像移，造成成像質(zhì)量下降。為保證成像質(zhì)量，需采取像移補(bǔ)償措施來(lái)消除或減少像移的影響。

快速反射鏡是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的用于高精度光束控制的光學(xué)裝置。在光路系統(tǒng)中，增加快速反射鏡裝置，通過(guò)控制平面反射鏡的位置，進(jìn)而精確控制光束傳播方向，可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償前向像移、光學(xué)穩(wěn)像等功能^［1］?？焖俜瓷溏R具有響應(yīng)速度快、指向精度和角度分辨力高等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空光電載荷、激光武器和光通信等技術(shù)領(lǐng)域^［2］。其設(shè)計(jì)首先要考慮動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定精度，而應(yīng)用在航空中其環(huán)境適應(yīng)性也是非常重要的因素。平面反射鏡是快速反射鏡光學(xué)系統(tǒng)的核心元件，為達(dá)到探測(cè)器的高分辨率要求，當(dāng)面對(duì)溫度沖擊等惡劣環(huán)境時(shí)，它必須具有高質(zhì)量的光學(xué)面形精度。

快速反射鏡系統(tǒng)通常采用柔性支撐結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦和快速響應(yīng)^［3］。隨著科技的進(jìn)步，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)向著靈巧型、輕質(zhì)和高分辨率的方向發(fā)展，因此，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)快速反射鏡裝置的體積和質(zhì)量等提出了更高的要求，并要求裝配的快速性與模塊化。

本文以航空光電載荷雙軸快速發(fā)射鏡為研究對(duì)象，對(duì)雙軸快速反射鏡的設(shè)計(jì)理論和方法展開(kāi)研究，明確了快速反射鏡的設(shè)計(jì)要素，并對(duì)反射鏡的裝配誤差開(kāi)展了分析。在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了模塊化和輕小型化設(shè)計(jì)，保證了反射鏡的面形精度和動(dòng)態(tài)性能，具備較高的定位精度。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1　快速反射鏡設(shè)計(jì)要素

快速反射鏡性能指標(biāo)與其各個(gè)部件之間的關(guān)系如圖1所示^［4］?？焖俜瓷溏R的工作方式?jīng)Q定了平面反射鏡的輕量化和小型化設(shè)計(jì)，一旦平面反射鏡設(shè)計(jì)完成，快速反射鏡的運(yùn)動(dòng)部分就大致確定了。面形精度決定了平面反射鏡的光學(xué)性能^［5］。

圖1 快速反射鏡性能指標(biāo)與其各個(gè)部件之間的關(guān)系

Fig.1 Relationship between performance indicators of fast steering mirror and its components

根據(jù)快速反射鏡的工作帶寬要求，可以得到對(duì)其各向機(jī)械諧振頻率的要求，結(jié)合平面反射鏡的設(shè)計(jì)結(jié)果（平面反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）可以大致得到柔性支撐各個(gè)方向上的剛度要求，根據(jù)柔性支撐各向剛度的要求，進(jìn)行柔性支撐結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計(jì)。柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵。電機(jī)的選型取決于工作帶寬、轉(zhuǎn)角范圍^［6］以及平面反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

傳感器的選型主要取決于快速反射鏡對(duì)角分辨率的要求，同時(shí)也要考慮快速反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)行程。

綜上，面形精度和動(dòng)態(tài)特性是兩軸快速反射鏡的核心指標(biāo)。

2.2　兩軸快速反射鏡設(shè)計(jì)關(guān)鍵

2.2.1　平面反射鏡的輕小型化

快速反射鏡中的平面反射鏡是光學(xué)系統(tǒng)的核心元件，為達(dá)到探測(cè)器的高分辨率要求，當(dāng)面對(duì)溫度沖擊等惡劣環(huán)境時(shí)，必須保證它具有高面形精度。而平面反射鏡的質(zhì)量影響了快速反射鏡的帶寬。因此，需要在滿足面形精度的情況下盡量減小平面反射鏡的質(zhì)量。

2.2.2　制動(dòng)器布局

用于精密光路調(diào)整和穩(wěn)定的微定位機(jī)構(gòu)以音圈電機(jī)為主。快速反射鏡選擇4個(gè)圓周分布的音圈電機(jī)采用一推一拉的方式進(jìn)行工作。驅(qū)動(dòng)方案采用4個(gè)圓周分布的音圈電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)是單輸入單輸出（Single Input Single Output， SISO），降低了兩軸之間的耦合，方便最終的控制。

快速反射鏡的音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，4個(gè)驅(qū)動(dòng)元件在XY平面以坐標(biāo)原點(diǎn)O為中心呈“十”字均勻分布，通過(guò)驅(qū)動(dòng)元件A，C一伸一縮，實(shí)現(xiàn)繞Y軸的偏轉(zhuǎn)，通過(guò)B，D一伸一縮，實(shí)現(xiàn)繞X軸的偏轉(zhuǎn)^［7］。此方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

圖2 四點(diǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Schematic diagram of four-point drive structure

（1）實(shí)現(xiàn)了平面內(nèi)繞任意軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可保持中心O不產(chǎn)生Z向移動(dòng)；

（2）差動(dòng)模式有效減小溫漂對(duì)偏轉(zhuǎn)的影響，同時(shí)可進(jìn)行Z向誤差補(bǔ)償；

（3）通過(guò)兩對(duì)音圈電機(jī)的推拉實(shí)現(xiàn)對(duì)α，β的直接控制，無(wú)需進(jìn)行控制量的轉(zhuǎn)換，且只需2個(gè)控制量，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

Δ P 1 = α r Δ P 2 = β r

（1）

其中：?P₁，?P₂為兩對(duì)電機(jī)的相對(duì)位移量，即兩個(gè)控制量。

2.2.3　快速反射鏡柔性支撐

柔性支撐是快速反射鏡的核心。與傳統(tǒng)的軸承支撐結(jié)構(gòu)等剛性機(jī)構(gòu)相比，柔性支撐可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)剛度大，裝配簡(jiǎn)單，及無(wú)間隙和摩擦等優(yōu)點(diǎn)。

快速反射鏡在工作方向的諧振頻率應(yīng)盡量小，而非工作方向的諧振頻率盡量大。由于快速反射鏡工作方向上的諧振可以通過(guò)控制器引入速度反饋來(lái)消除^［8］，系統(tǒng)的機(jī)械諧振頻率就主要取決于柔性結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上的剛度特性。充分利用空間排布完成柔性支撐的設(shè)計(jì)，并滿足剛度以及工作帶寬的要求是柔性支撐設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.2.4　安裝誤差分析

完成柔性支撐及其他部件的加工和選型后，更重要的就是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行正確的裝配。安裝誤差會(huì)引起兩軸之間耦合，影響反射鏡的定位精度?？焖俜瓷溏R裝配過(guò)程中，定位誤差來(lái)源主要有兩個(gè)：

（1）音圈電機(jī)裝配誤差

音圈電機(jī)的裝配位置誤差直接影響兩個(gè)軸的正交度以及系統(tǒng)的性能。因此，電機(jī)和傳感器安裝的相對(duì)位置應(yīng)該準(zhǔn)確。

（2）四個(gè)音圈電機(jī)的坐標(biāo)軸線與傳感器的坐標(biāo)軸線不重合。軸線不重合又有兩種情況，一種是軸心重合，但是軸線之間偏離一定角度；另一種是軸線之間保持平行，但軸心本身發(fā)生了偏移。這兩種情形最終都會(huì)增大快速反射鏡兩軸之間的耦合度。

當(dāng)電機(jī)與傳感器的軸線存在一定夾角 $Δ θ$ 時(shí)，其中一組電機(jī)工作，反射鏡在兩個(gè)軸上都會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角。根據(jù)運(yùn)動(dòng)分解原理，當(dāng)預(yù)期轉(zhuǎn)角為只繞x軸旋轉(zhuǎn) $θ_{x}$ 時(shí)，實(shí)際情況下，y軸也會(huì)旋轉(zhuǎn) $θ_{x} s i n (Δ θ)$ ，而x軸自身的轉(zhuǎn)角 $θ_{x} c o s (Δ θ)$ 則稍有減少，這會(huì)增大快速反射鏡兩軸之間的耦合度。在角度標(biāo)定過(guò)程中，通過(guò)對(duì)兩個(gè)軸分別標(biāo)定，可以對(duì)安裝造成的平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

當(dāng)電機(jī)的軸線與傳感器的軸線中心產(chǎn)生偏差 $Δ l$ 時(shí)，在一組音圈電機(jī)中兩個(gè)電機(jī)的出力特性理想的情況下，兩個(gè)電機(jī)以等值相反的力推拉工作。軸線中心偏差會(huì)導(dǎo)致快速反射鏡的工作轉(zhuǎn)角誤差。?Z表示音圈電機(jī)相對(duì)于初始位置的位移，當(dāng)平臺(tái)預(yù)定轉(zhuǎn)角為 $α$ 時(shí)，由于電機(jī)的軸線與柔性支撐的軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)中心有偏差 $Δ l$ ，平臺(tái)實(shí)際轉(zhuǎn)角為 $α'$ ，其關(guān)系如下：

t a n α = Δ Z l

（2）

t a n α' = Δ Z l + Δ l

（3）

在小角度時(shí)，平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度誤差為 $Δ α = α - α' = \frac{α l}{l (l + Δ l)}$ 。雖然可以通過(guò)角度標(biāo)定過(guò)程來(lái)確定輸出角度與電機(jī)輸出力矩的關(guān)系，但是在轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，電機(jī)處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，軸心偏移誤差造成的力矩差異減小了電機(jī)控制裕度。因此，安裝過(guò)程中的軸心偏移誤差對(duì)快速反射鏡的角度精度影響更大。

3 兩軸快速反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

快速反射鏡應(yīng)用于可見(jiàn)/紅外雙波段航空光電平臺(tái)，其設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 快速反射鏡的設(shè)計(jì)指標(biāo)

Tab.1 Design index of fast steering mirror

Index	Parameters
Effective clear aperture/mm	φ54
Incident light angle/（°）	45
Surface accuracy （RMS）/nm	≤15.82
Closed loop bandwidth/Hz	≥200
Position accuracy/μrad	≤5

根據(jù)輸入條件，快速反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括反射鏡組件、柔性支撐組件和反射鏡基座組件。反射鏡組件包括反射鏡和音圈電機(jī)線圈，小型化的柔性支撐模塊可以實(shí)現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)柔度的快速設(shè)計(jì)。

圖3 快速反射鏡的結(jié)構(gòu)組成

Fig.3 Structure component of fast steering mirror

3.1　平面反射鏡組件設(shè)計(jì)

由于航空光電穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)的總體尺寸有限，快速反射鏡系統(tǒng)必須具有輕巧的結(jié)構(gòu)，盡量減輕質(zhì)量。因此，平面反射鏡為八邊形結(jié)構(gòu)，尺寸為84 mm×66 mm。材料選擇SiC，采用背部輕量化結(jié)構(gòu)。

為了保持平面反射鏡的面形穩(wěn)定性，反射鏡背板選擇殷鋼材料，線膨脹系數(shù)與SiC相匹配，可有效減小溫度變化時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。平面反射鏡采用背部中心支撐方式^［9］，與反射鏡背板之間通過(guò)黏接固連。由于平面反射鏡尺寸較小，黏接的高度有限，因此采用傳統(tǒng)的錐面配研難度較高，且容易出現(xiàn)傾斜。為了保證反射鏡的黏接精度，選擇圓柱面黏接，嚴(yán)格控制平面反射鏡和反射鏡背板圓柱面的黏接間隙，單側(cè)間隙小于8 μm，同時(shí)保證兩者圓柱度皆優(yōu)于3 μm。反射鏡背板的背面有4處等高的感應(yīng)面，感應(yīng)面的面積至少為角度傳感器探測(cè)面面積的1.5倍。感應(yīng)面位置處的厚度需滿足角度傳感器的最小感應(yīng)厚度。

音圈電機(jī)的選擇是一個(gè)迭代的過(guò)程，優(yōu)先選擇電機(jī)線圈質(zhì)量輕，峰值力矩大的電機(jī)。初步選擇電機(jī)之后，根據(jù)電機(jī)峰值出力、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和柔節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的關(guān)系式（4），確定電機(jī)力是否滿足要求；若不滿足，則重新選擇大電機(jī)，直至滿足要求。

T m a x = 2 F s = k (J x θ ¨) m a x

（4）

通過(guò)模態(tài)仿真，固定反射鏡背板的安裝接口，平面反射鏡組件的一階模態(tài)為1 354 Hz，證明反射鏡組件有著良好的剛度。

根據(jù)裝配誤差分析，電機(jī)對(duì)軸心偏移誤差更敏感。因此，在反射鏡組件的裝配過(guò)程中，定位工裝和反射鏡組件通過(guò)中心定位銷和導(dǎo)向銷組合來(lái)保證相對(duì)位置，然后精密安裝電機(jī)線圈，避免出現(xiàn)軸心偏移誤差。電機(jī)線圈的安裝示意圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)裝配

Fig.4 Motor assembly

3.2　柔性組件設(shè)計(jì)

快速反射鏡的固有頻率主要由柔性支撐結(jié)構(gòu)決定。如圖5所示，柔性支撐由4個(gè)十字型柔性軸承構(gòu)成，4個(gè)十字型柔性軸承兩兩一組同軸布局，交于一虛擬旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O，實(shí)現(xiàn)了繞x軸和y軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。移動(dòng)框架與反射鏡背板連接，實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)角度預(yù)留出和固定框架的間隙，以實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。移動(dòng)框架的材料選擇與反射鏡背板相同的殷鋼材料，以滿足高低溫的適應(yīng)性需求。其余結(jié)構(gòu)件可以選擇不銹鋼材料。

圖5 柔性支撐組件結(jié)構(gòu)組成

Fig.5 Structure component of flexible support

裝配過(guò)程中同樣應(yīng)用中心定位銷實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位移動(dòng)框架和固定框架的相對(duì)位置。十字型柔性軸承的正交旋轉(zhuǎn)軸中心O應(yīng)與反射鏡組件的質(zhì)心近似重合，減少反射鏡組件因重力產(chǎn)生的彎矩對(duì)反射鏡面形精度的影響。

當(dāng)反射鏡組件和柔性組件裝配完成后，通過(guò)貫穿整個(gè)組件的中心定位銷使3個(gè)組件實(shí)現(xiàn)同心，避免出現(xiàn)軸心偏移誤差，然后安裝在反射鏡基座組件上。

3.3　反射鏡基座組件

反射鏡基座上安裝有角度傳感器、音圈電機(jī)磁座和機(jī)械限位。角度傳感器選用電渦流傳感器，如圖6所示，4個(gè)角度傳感器與4個(gè)音圈電機(jī)磁座交錯(cuò)分布安裝在反射鏡基座組件上，減小了X，Y軸方向的尺寸，保證了快速反射鏡的小型化。

圖6 反射鏡基座組件

Fig.6 Mirror pedestal assembly

每個(gè)角度傳感器的探測(cè)面與反射鏡背板的感應(yīng)面平面放置并預(yù)留一定的探測(cè)距離，能夠測(cè)試反射鏡全行程內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

3.4　仿真分析

對(duì)快速反射鏡系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，將構(gòu)建的三維模型導(dǎo)入hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，去除不必要的細(xì)節(jié)特征，合理設(shè)置網(wǎng)格尺寸，提高計(jì)算效率，對(duì)柔節(jié)等關(guān)鍵件進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，保證分析的準(zhǔn)確性。確定了8節(jié)點(diǎn)六面體單元的反射鏡有限元模型，網(wǎng)格劃分情況如圖7所示。

圖7 快速反射鏡的有限元模型

Fig.7 Finite element model of fast steering mirror

3.4.1　裝配誤差對(duì)面形精度的影響

平面反射鏡裝配過(guò)程中的安裝誤差會(huì)影響平面反射鏡的面形精度。根據(jù)安裝面的研磨精度，平面度優(yōu)于2 μm，因此，對(duì)反射鏡背板的一側(cè)安裝面設(shè)置4 μm的強(qiáng)制位移，分析反射鏡的面形變化。

平面反射鏡的表面節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 827，通過(guò)hypermesh提取變形前后的節(jié)點(diǎn)位移，對(duì)快速反射鏡進(jìn)行面形分析。如圖8所示，反射鏡面形RMS值變化為2.84 nm，PV值變化為14.22 nm，滿足光學(xué)指標(biāo)要求。

圖8 裝配誤差對(duì)面形精度的影響

Fig.8 Influence of assembly stress on mirror surface accuracy

3.4.2　工作環(huán)境對(duì)面形精度的影響

當(dāng)快速反射鏡布置在工作環(huán)境時(shí)，影響其面形精度的主要因素包括振動(dòng)環(huán)境的最大加速度和最大溫差，兩者可能同時(shí)對(duì)快速反射鏡作用。因此，為了保證最惡劣條件下快速反射鏡的面形精度能夠滿足要求。以最大加速度4g，最大溫差5 ℃（溫控作用下）為邊界條件，分析計(jì)算平面反射鏡的面形精度。

圖9為快速反射鏡面形分析結(jié)果，最大加速度分別設(shè)置X向和Z向，反射鏡面形RMS均小于λ/50（λ=632.8 nm），PV均小于λ/10（λ=632.8 nm），滿足光學(xué)指標(biāo)要求。由此表明，反射鏡組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖9 工作條件下面形精度的仿真

Fig.9 Mirror surface accuracy in simulation

3.4.3　模態(tài)分析

固有頻率和振型是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)剛度的重要指標(biāo)，且固有頻率是結(jié)構(gòu)固有頻率，與外界載荷無(wú)關(guān)。通過(guò)有限元分析，可初步確定快速反射鏡的柔性支撐結(jié)構(gòu)是否滿足剛度設(shè)計(jì)要求。

圖10是快速反射鏡的一階模態(tài)振型，表2為固有頻率和前六階振型。模態(tài)分析結(jié)果表明，快速反射鏡系統(tǒng)在兩個(gè)工作方向上的諧振頻率分別為16.2 Hz和19.62 Hz，而其他非工作方向上的諧振頻率均在292.2 Hz以上，證明了柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇合理^［10］。平面反射鏡組件的一階模態(tài)為1 354 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柔節(jié)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)諧振頻率，因此反射鏡組件相對(duì)于柔性結(jié)構(gòu)等效于剛體，電機(jī)輸出力對(duì)反射鏡面形的影響可以忽略不計(jì)。

圖10 一階模態(tài)振型

Fig.10 The 1st mode vibration

表2 快速反射鏡的固有頻率和前六階振型

Tab.2 Natural frequency and the first six-order mode of fast steering mirror

Order	Frequency/Hz	Vibration mode
1	19.38	Swing around the X axis
2	23.43	Swing around the Y axis
3	292.16	Swing around the Z axis
4	716.35	Translation in the XZ plane
5	893.97	Translation in the XY plane
6	1 054.04	Translation in the XZ plane

3.5　快速反射鏡裝配

平面反射鏡表面鍍金膜，鍍膜后在可見(jiàn)波段（650~850 nm）的反射率優(yōu)于95%，在紅外波段（3.7~4.8 μm）的反射率優(yōu)于98%。平面反射鏡采用無(wú)應(yīng)力黏接方法，實(shí)現(xiàn)了反射鏡的快速黏接和裝配^［11］。

反射鏡背板安裝面和柔性組件中移動(dòng)框架安裝面的平面度會(huì)對(duì)平面反射鏡的面形精度造成影響，因此需要進(jìn)行精密研磨，平面度優(yōu)于2 μm。裝配完成的快速反射鏡如圖11所示。

圖11 快速反射鏡

Fig.11 Fast steering mirror

對(duì)各個(gè)工序下平面反射鏡的面形精度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。反射鏡裝配完成后，存在裝配應(yīng)力。經(jīng)過(guò)高低溫循環(huán)（-55~70 ℃）和振動(dòng)試驗(yàn)后，快速反射鏡的裝配應(yīng)力充分釋放，平面反射鏡的面形精度（RMS）優(yōu)于0.017λ（λ=632.8 nm）?？焖俜瓷溏R通電狀態(tài)下，平面反射鏡的面形精度測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

表3 平面反射鏡各階段的面形精度

Tab.3 Surface accuracy of mirror at different stages

Procedure	PV	RMS	Power
After coating	0.123λ	0.018λ	0.018λ
After bonding	0.110λ	0.019λ	0.005λ
After assembling	0.282λ	0.018λ	-0.010λ
After thermal and vibration test	0.165λ	0.017λ	0.014λ

圖12 快速反射鏡的面形精度

Fig.12 Surface shape accuracy of fast steering mirror

3.6　實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

光電載荷成像穩(wěn)定精度主要由快速反射鏡來(lái)保證，跟蹤性能和定位精度是快速反射鏡的重要指標(biāo)，因此對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

采用完全跟蹤控制方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行正弦信號(hào)跟蹤性能測(cè)試^［12］。輸入指令為幅值為0.5 V，電壓頻率分別為50，100和200 Hz的正弦信號(hào)，檢測(cè)輸出信號(hào)的變化，以輸出信號(hào)大于0.707倍的幅值信號(hào)作為閉環(huán)帶寬標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)對(duì)50，100和200 Hz的正弦信號(hào)控制信號(hào)波形幅值都能滿足指標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制帶寬為200 Hz時(shí)，閉環(huán)控制信號(hào)波形曲線如圖13所示。輸出信號(hào)的幅值大于0.707×0.5 V，因此控制帶寬優(yōu)于200 Hz（-3 dB），能夠滿足指標(biāo)要求。

圖13 閉環(huán)控制信號(hào)波形

Fig.13 Closed loop control signal waveform

在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺(tái)上，通過(guò)自準(zhǔn)直儀測(cè)試快速反射鏡的定位精度，自準(zhǔn)直儀設(shè)備為T(mén)rioptics?？焖俜瓷溏R鏡面垂直放置于自準(zhǔn)直儀光束出射端，控制快速反射鏡處于零位狀態(tài)，分別讀取自準(zhǔn)直儀X向和Y向的角度偏轉(zhuǎn)，繪制曲線如圖14所示?？焖俜瓷溏R的X向定位誤差峰峰值低于1.20 μrad，Y向定位誤差峰峰值低于1.18 μrad，滿足指標(biāo)要求。

圖14 定位誤差曲線

Fig.14 Positioning error curves

4 結(jié)　論

本文根據(jù)航空光電載荷對(duì)快速反射鏡的高指標(biāo)要求，研究了快速反射鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，確定了反射鏡組件、柔性結(jié)構(gòu)以及傳感器裝配，然后對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，最后通過(guò)檢測(cè)跟蹤性能和定位誤差，驗(yàn)證了高面形精度和高跟蹤精度的快速反射鏡的設(shè)計(jì)和制備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：平面反射鏡的面形精度為0.017λ（λ=632.8 nm），系統(tǒng)閉環(huán)帶寬優(yōu)于200 Hz，X向和Y向的定位誤差皆低于1.2 μrad，能夠滿足光電載荷系統(tǒng)的要求。

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航空光電平臺(tái)兩軸快速反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 快速反射鏡設(shè)計(jì)要素

2.2 兩軸快速反射鏡設(shè)計(jì)關(guān)鍵

3 兩軸快速反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 平面反射鏡組件設(shè)計(jì)

3.2 柔性組件設(shè)計(jì)

3.3 反射鏡基座組件

3.4 仿真分析

3.5 快速反射鏡裝配

3.6 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

4 結(jié) 論

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