快速響應反射鏡主動減振技術
發布時間：2017-09-01
引言
光學系統是一種較為精密、復雜的系統，通常工作在相對穩定的實驗室環境中。隨著光學系統應用領域的不斷擴展， 一些復雜的光學系統逐漸從實驗室走向實際應用現場， 而大部分應用現場的環境相對于實驗室要惡劣得多， 在應用現場進行的光束傳輸實驗， 不可避免地存在著附屬設備的隨機振動和地面的抖動， 嚴重影響光束的質量及光束指向的穩定性。因此，研究光學系統的減振技術，對提高光學系統的工作穩定性具有重要的意義[1]。
由于振動干擾的復雜性， 傳統的無源隔振技術很難有效地隔離精密設備工作平臺的超低頻振動信號，因為無源隔振元件( 如隔振器等) 的剛度不可能無限降低，隔振器參數也不能實時調節。與此同時，有源隔振系統在隔離超低頻振動方面相比無源要成效顯著些。但是工程實用化都還有一定的距離。為了達到理想的減振效果， 文中將有源控制和光路計算相結合，基于幾何光學、機械控制和減振隔振理論[2-7]，研究提出了一種基于快速響應反射鏡的主動減振技術，有望應用到實際的減振控制中。
1 基于快速響應反射鏡的主動減振技術
1.1 技術原理
文中提出的基于快速響應反射鏡的主動減振技術原理是依據傳輸光線失調方程， 得出光路失調量與光路中快速響應反射鏡位姿之間的計算關系[8-11]，從而獲取反射鏡所需作動的角度值， 利用步進電機調節反射鏡，補償振動引起的光路失調，達到光路穩定的目的，原理如圖1 所示。入射光路經快速響應反射鏡反射后，經分束鏡一路出射，一路作為探測光路進入接收屏，同時采用CCD 及其數據采集系統對探測光路進行檢測。
所謂的快速響應反射鏡就是裝有作動器的反射鏡， 可以根據振動引起的光路失調量計算其作動響應值，通過步進電機控制其位姿。其中，快速響應反射鏡工作邏輯如圖2 所示。首先由光斑失調檢測模塊對探測器獲取的光斑進行實時檢測， 從而得到光斑失調量[12];考慮實驗搭建的光路，具有圖象背景灰度值較小、目標灰度值較高、且目標的灰度分布為拋物面或高斯曲面等特性， 因此采用灰度重心法來定位光斑[13-18];然后通過光路失調計算模塊對光斑失調量進行計算，并得出快速響應反射鏡補償量;最后由快速調節反射鏡電機控制模塊對反射鏡進行調節， 通過反射鏡的快速調整來補償由于振動引起的光路失調，最終使光路達到穩定[19-20]。
1.2 數值計算
基于幾何光學及矩陣光學理論[21]， 分析光學系統的振動失調光束傳輸變換矩陣， 根據機械振動引起的近軸光學系統的光束指向在三維位移失調下的傳輸方程， 找出光路失調量與光路中快速響應反射鏡位姿之間的計算關系。
文中以反射鏡面法線方向為z 軸方向， 鏡面為xoy 面，反射鏡的6 個自由度沿著x、y 軸方向的移動和繞著z 軸方向的轉動對反射鏡出射光線方向并無影響。
下面進一步研究沿z 軸方向的移動和繞x、y 軸方向的轉動量對接收屏上光斑位置的影響。其中反射鏡入射角為α ，δi為線位移，εi為角位移，p 表示入射光線，q 表示擾動光線，擾動光線在反射鏡面的法向線位移為δnq， 入射光線初始狀態下在x、y 軸線位移的分量δxp、δyp， 轉動的角位移在鏡片平面內的分量為εy，反射面內的切內角位移分量為εx。計算反射鏡沿z 軸移動后的光線傳輸失調量。如圖3 所示， 可得反射鏡沿z 軸擾動δn引起的接收屏上光斑位置的失調量為：
kzn=(δnq/cosα)cos(π/2-2α)=2δnqsinα (1)
計算反射鏡繞z 軸左右、上下轉動后的光線傳輸失調量， 即繞x、y 軸方向的轉動引起光線傳輸失調量。如圖4 所示，反射鏡分別繞x、y 軸方向轉動ε 后傳輸(l1+l2)距離，εxq表示擾動光線在反射鏡面內的切內角位移分量，εyq表示擾動光線在鏡片平面內的位移分量，光斑位置在接收屏水平x、垂直y 方向上的失調量分別為klx、kly，可以表示為：
klx=δxp-(l1+l2)?tan2εxq (2)
kly=δyp-(l1+l2)?tan2εyq (3)
由此可見：當傳輸距離(l1+l2)遠遠大于反射鏡沿z 軸的擾動δn時，kl垌kzn， 沿z 的擾動相比旋轉擾動可以忽略不計。至此，在忽略了反射鏡繞z 軸擾動的基礎上， 得到了光束失調量與反射鏡位姿之間的計算關系如公式(4)、(5)所示：
εxq= 12 arctan((δxp-klx)/(l1+l2)) (4)
εyq= 12 arctan((δyp-kly)/(l1+l2)) (5)
當失調角度足夠小時：
ε=12((δ-k)/l) (6)
2 減振技術原理性實驗驗證
通過減振技術原理性實驗驗證光路失調量與光路中快速響應反射鏡位姿之間的計算模型。實驗采用He-Ne 激光管作為光源， 分別經過裝有作動器的反射鏡和分光鏡反射的光束傳輸至CCD，通過數據采集系統對失調光路進行實時檢測， 實驗裝置如圖5 所示。
反射鏡上裝有兩個new focus 8807 步進電機，電機1 控制俯仰， 電機2 控制扭轉， 采用CCD(MINTRON)采集出射光斑。在振動干擾下，CCD 檢測系統記錄下光束在水平和垂直方向上的失調量;由光路失調計算模塊對光斑失調量進行計算， 得到反射鏡補償量， 即電機1 作動反射鏡的俯仰量及電機2 作動反射鏡的扭轉量; 通過電機完成對快速響應反射鏡的控制， 同時，CCD 實時顯示光斑的失調情況。CCD 檢測振動失調光路調節過程如圖6 所示。其中，圖6(a)為經過圖像處理定位后的光斑;圖6 (b)為振動失調下的光斑位置;圖6(c)為光路調節系統修正后的光斑位置。
依據CCD 檢測到的光斑中心在x、y 方向上的失調量(總的傳輸距離50 cm)，作動器作動反射鏡補償失調量的理論值和實際操作值對比如表1 所示。CCD、步進電機自身噪聲和熱噪聲等都是造成誤差的因素， 因此從表1 可以看出，由于步進電機是利用電磁鐵原理，將脈沖信號轉換成線位移或角位移的電機，每來一個電脈沖，電機轉動一個角度，帶動機械移動一小段距離。此實驗通過計算所得到的反射鏡位姿獲取步進電機脈沖數，由于脈沖數為一整數，無論反射鏡位姿如何變化， 所設計的步進電機作動量都是整數倍單位位移， 且大于或等于實際位移量。如公式(7)所示，N 表示步進電機脈沖數，X 表示反射鏡位姿變化量，Y 表示步進電機單位位移量。
因此， 實驗與和仿真結果的偏差均為正值且在系統允許范圍內，實驗驗證了該減振技術的可行性。所采用的步進電機反應時間在百毫秒量級， 相比振動引起的光路失調時間要長得多， 通過步進電機對振動的實時控制還存在問題。相對而言，伺服電機的響應時間可達到毫秒量級，對于振動信號頻率不高，在千赫茲以內的就可以采用文中的減振技術方案完成實時減振控制。鑒于所研究對象的主要干擾來自于低頻信號( 百赫茲以內)，減振調節時間比振動干擾周期快一個數量級，因此，該快速響應反射鏡的主動減振技術可行，且計算方便，程序簡單，電機控制可避免反復調節，提高時效。
3 結論
文中結合工程應用，提出了一種基于快速響應反射鏡的主動減振技術。在對振動干擾下失調量分析計算的基礎上， 推導出快速響應反射鏡的系統作動量，控制并補償其在振動干擾下的失調量，從而對振動失調光學系統實施減振。通過實驗驗證了減振方法的可行性，但要在實際應用中充分發揮作用，還需要高精度、高靈敏度、易集成的伺服電機及控制器和低噪聲和高靈敏度的CCD 圖像采集系統來提高主動減振系統的工作效率，達到實時反饋、實時減振的目的。
摘自：中國計量測控網
