高精度激光測量和激光通訊的指向調整機構研究與設計

河南省電子信息產品質量監(jiān)督檢驗院　韓宇星

1.引言

激光測量和通訊是一個新領域。我國在此方面的應用，包括激光雷達和激光通訊等。激光的使用，非常重要的一個環(huán)節(jié)是光線或反射鏡的的方向調整。由于激光的特性，對激光指向調整機構的要求往往很高，分辨率常常在5微弧度左右。另外，由于空間限制，要求的機構體積越小越好。星載的系統(tǒng)要求更嚴格。傳統(tǒng)的調整機構，很難滿足這些要求。本文介紹一些這方面的設計和應用，著重介紹一種高精度的指向調整機構。

2.激光的指向調整機構的設計分類及要求

激光的指向調整機構的設計要求，一般將這種調整稱作“自準直”，在作為激光指向，搜索的功能來看，似乎太局限。近幾年，由于激光技術的發(fā)展，激光測量，如大氣測量、植被測量、云雨測量等，逐漸開始研制使用。激光雷達的研制應用也日漸發(fā)展。激光通訊也從地面，到空中，并向太空延伸。

激光的指向調整機構的設計要求，分為調整的角度范圍和調整度精度兩個方面。調整范圍根據具體的使用環(huán)境，有360°連續(xù)調整；局調整如0-90°調整；和小角度調整，如±1°等。調整精度包括定位精度，分辨率，重復性等。激光作為高精度的測量或通訊設備，對光線的調整要求也是很嚴格的，要求光線調整角度的分辯率5微弧度以內，如果是反射型的反射鏡，折合到鏡的旋轉角度為2.5微弧度（約0.5角秒），這是一個相當高的數(shù)值。

為了達到激光光線的調整要求，現(xiàn)在的設計采用的方法，大致有三種。第一種是采用高

分辨率電機。第二種是采用光學折射鏡的方法。第三種是采用杠桿臂的機械結構形式。前兩種方式的應用都有一些局限，高分辯率的電機可能使用壓電陶瓷旋轉電機，要專門定制，精度、力矩尚存一些技術問題，光學折射使用的楔形鏡結構，同樣有設計復雜等一系列光學問題要解決。下面著重介紹第三種即采用杠桿臂式的機械結構形式。

這種設計是利用杠桿的放大原理，實現(xiàn)位移到角度轉化來實現(xiàn)調整。這種方案是常規(guī)的結構設計方案，容易實現(xiàn)高精度。這種方案一般是有一個旋轉中心，然后使用絲桿，楔形面，凸輪，偏心輪等結構來實現(xiàn)兩個方向的調整。旋轉中心可以由球支撐，柔性支撐等來實現(xiàn)，還可以用十字軸的形式實現(xiàn)。下面介紹一個已經可以實現(xiàn)高分辯率調整的方案，如圖1所示。

圖1　杠桿臂式機械結構示意

3.旋轉中心的設計和調整

在激光指向調整機構設計中，旋轉中心的設計是一個難點，理論上要求在調整的時候旋轉支撐中心需要保證：

(1)旋轉中心盡量不發(fā)生變化，否則影響調整精度（變化范圍在0.5μm內）；

(2)高度靈敏，不能有變形吃掉調整量。

(3)兩個調整軸線相交，這樣才能消除由此引起的阿貝誤差。

(4)兩個方向調整的時候盡量減少相互干擾。

要達到上述幾個要求，需要認真考慮。在方案設計的初期曾采用彈性環(huán)節(jié)作為旋轉中心。如圖2所示的彈性結構，優(yōu)點是結構簡單，工藝處理簡單，靈敏度高，可以達到微小位移，但據點是旋轉中心是變化的，另外調整范圍±1°，也非常困難，要達到就必須增加高度，而高度增加又導致旋轉中心的更不穩(wěn)定。彈性結構變形后軸線的回復，是無法和滾動軸承類的軸系相比的。采用如圖3所示的球較支撐結構，優(yōu)點是中心保證好，加工精度高，容易達到高精度，但缺點是球面面積大，摩擦力偏大，并且需要添加彈性封閉機構，星載使用容易產生真空冷焊。

圖2　彈性支承示意圖

圖3　球鉸支承示意圖

圖4　十字軸結構示意圖

調整旋轉中心最終決定采用十字軸形式的旋轉軸布局，調整和安裝底座分別交叉固定的方式（圖4）。反射鏡結構固定在上端的軸承座上，底座固定在下端的軸承座上，這種結構方位和俯仰存在耦合，但耦合度很小，不影響使用。

4.旋轉中心的驅動原理

旋轉中心的驅動原理是：步進電機經過電氣細分，輸出到諧波減速器，諧波減速器直接驅動凸輪轉動，凸輪和反射鏡架上的球頭接觸，由彈簧將反射鏡架通過球頭壓緊在凸輪上，方位和俯仰部分相同，十字軸兩個軸分別是方位和俯仰的旋轉中心，軸線到球頭的距離就是杠桿臂。杠桿長度不能太大，否則尺寸度太大；也不能太小，會導致放大倍數(shù)不夠。根據電機，軸承尺度綜合考慮，杠桿臂取100mm較合適。此種方式幾乎能夠同時滿足對旋轉中心的要求，是比較理想的結構，旋轉結構最終的精度嚴重依賴于各軸上的軸承，所以采用高精度的軸承，同時采用開槽形彈簧施加預壓力，一方面提供預應力保證旋轉精度，另一方面消除溫度交變產生的伸長收縮對支座產生的反力。目前，采用71900系列輕載角接觸的軸承。P2級回轉精度。此機構旋轉范圍在±1°區(qū)間。軸承回轉精度比整圈回轉要小得多，在1um以下。軸承星載環(huán)境還要求作噴濺MOS2處理，以增加摩擦特性，并防止真空冷焊。

圖5　杠桿式調整機構測試圖

表1　重復性測試數(shù)據Table 1. The repeatability test data (part)

5.旋轉中心調整機構的測試

圖5是這種機構的測試圖。表1是測試的部分結果，需要說明的是測試采用的是偏心輪方式，對應鏡面角度接近1°的時候，偏心輪接近旋轉70°，線性變差。表中的5組數(shù)據是偏心軸旋轉固定角度所得數(shù)據。由表1看出，正反轉的時候，光線指向重復性基本在`1urad 范圍，可靠的達到設計要求，經過最終測試，光線指向調整全程重復性優(yōu)于2.5微弧度，折算到球頭處的垂直位移，達到0.13um以下，也是比較高的。重復性在5urad充分說明該機構運動的穩(wěn)定可靠，精度可以保證。完全可以滿足激光指向的高精度調整要求。

6.結語

綜合來看，杠桿臂式機構結構形式的指向調整精度相對較高?？蛇_到國外資料中的同種應用。隨著激光技術的進一步應用，更高精度的指向調整機構會逐漸出現(xiàn)。隨著技術的發(fā)展，更好，更能適應使用環(huán)境的高精度指向調整機構的出現(xiàn)值得期待。

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