激光对准快速反射镜控制系统的设计

彭树萍，王伟国，于洪君

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033）

激光对准快速反射镜控制系统的设计

彭树萍，王伟国，于洪君

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春130033）

为了校正激光发射设备中激光对准光路的偏差，设计了一种激光对准快速反射镜控制系统。采用步进电机作为驱动，控制快速反射镜在互相垂直的两个方向进行运动，校正激光光路的偏差，达到了精确控制激光光路的目的。对激光对准快速反射镜的工作原理和设计过程进行了详细阐述，并利用对准控制机箱等硬件设备对软硬件设计进行了实验验证，取得了较好的实验数据。结果表明，快速反射镜控制系统在小角度工作范围内方位误差和俯仰误差均方根都小于1″，即控制精度小于1″。该系统能够很好地控制快速反射镜进行2维运动，软件设计和硬件设计都是正确可靠的，能够满足激光对准控制系统精确控制激光光路的要求。

激光技术；快速反射镜；对准控制；步进电机

引 言

随着激光武器的发展，人们对激光器发射精度的要求越来越高。在激光发射设备中，包含了大量的激光器件、光学元件和组件。在复杂光学系统中，需要将光学元件放置在几个平台上，各平台之间允许有一定的相对运动，但要求全系统共轴［1］。如在高能激光技术中，激光器和光束发射系统分别位于两个平台上，当两个平台相对运动时，要求两个平台上的光学元件实时共轴。目前，国内外都有激光自动对准方面的研究，很多采用压电陶瓷驱动式快速反射镜精确控制光束实现激光的自动对准［2-4］。而压电陶瓷驱动式快速反射镜成本较高且驱动电压大，因此作者所在单位采用自行研制开发的快速反射镜，用步进电机作为驱动。为此，本文中研究了一种激光对准快速反射镜控制系统来控制该快速反射镜调节激光发射系统的光路，实现自动对准。激光对准快速反射镜控制系统的主要作用是控制快速反射镜绕两个互相垂直并相交的轴旋转，可以对光束方向进行实时、动态的修正，实现由静态对准到动态监测和校正的转变［5-7］，精确控制激光发射方向。

1 设计原理

1.1 工作原理

激光对准控制系统由光束监测系统、CCD、合束镜、激光器、快速反射镜控制系统等组成。激光对准控制系统原理如图1所示。激光器发出的激光经快速反射镜反射后到达合束镜，通过镀膜实现将入射激光的99.5％反射，将入射激光的0.3％透射［8-9］。透射光经衰减片后到达CCD成像镜头，并在其上成像。光束监测系统通过监测CCD像点的位置，可实现对激光器发出的光束方向的高精度监测。快速反射镜控制系统根据光束监测系统给出的光束偏差量控制快速反射镜运转，从而达到校正激光光路的目的。为了防止激光光斑在CCD相面上饱和，可以根据需要选择合适的衰减片［10-12］。

Fig.1 Principle of laser autocollimator control system

激光对准快速反射镜控制系统的原理如图2所示。激光器发射激光后，激光进入光路监测系统中，根据光路监测系统给出的光路偏差量控制快速反射镜在两个互相垂直的方向上运动，然后判断光路偏差量是否为0，即光路是否已经对准，如果没有对准，则继续进行控制快速反射镜运动，否则结束控制。

Fig.2 Principle of control system of fast reflector

Fig.3 Mechanical structure of fast reflector

激光对准控制系统中的快速反射镜采用作者所在单位自行研发设计的铝质镀膜两维反射镜，其机械结构如图3所示。快速反射镜机构通过方位、俯仰两个直线步进电机分别带动方位和俯仰楔块移动，经过楔形摩擦副使快速反射镜分别绕方位、俯仰两个旋转轴转动。

根据快速反射镜机构原理，楔块在垂直方向的移动量和步进电机步长之间的数学关系可由下式表示：

式中，β为楔块的楔角，β=4°；H为楔块在垂直方向的移动量；t为步进电机步长，t=0.003048mm。计算得到H=2.13×10-4mm。

因此，根据快速反射镜回转半径R和楔块在垂直方向的移动量H，就可以算出快速反射镜控制系统的分辨率V，见下式：

本设计中采用的快速反射镜回转半径R= 5mm，可以计算出V=0.58″，即快速反射镜控制系统的分辨率为0.58″，满足对准控制系统分辨率的要求。

1.2 工作范围

激光对准控制系统中选定的CCD摄像机型号为Basler公司的PIA24000摄像机，它的主要参量如表1所示。

Table 1 Main parameters of CCD

由表1可知，PIA24000型CCD摄像机像元尺寸为3.45μm×3.45μm，像素为2448（水平）×2050（垂直）。

激光对准控制系统中CCD前端的光学系统焦距f=250mm；经过计算可知，CCD相机方位视场角为1.94°，俯仰视场角为1.62°。

根据快速反射镜在激光对准控制系统中的位置，快速反射镜转动γ角度，则对应返回CCD的光线转动4γ角度。

因此，若要保证返回CCD的光线不超出CCD视场，则计算得出反射镜的方位转角范围为±14.6′，俯仰转角范围为±12.1′。

2 设计过程

2.1 硬件设计

激光对准快速反射镜控制板的主要性能参量如表2所示。

Table 2 Main capability parameters of the circuit board of fast reflector control system

激光对准快速反射镜控制系统的硬件组成原理如图4所示。

Fig.4 Principle of the hardware of fast reflector of control system

对准控制硬件系统采用dsPIC30F4011作为控制芯片，对其进行外围电路的扩展。由于快速反射镜需要在方位和俯仰两个方向上运动，因此采用两个步进电机进行控制。对准控制板上扩展了两路步进电机驱动模块，分别驱动方位步进电机和俯仰电机。

步进电机驱动采用UP2HB01芯片，并采用光耦进行信号隔离，提高抗干扰性。采用SP489差分接收芯片和SP487差分发送芯片扩展422通讯接口，与主控计算机进行通信。外部接口包括方位步进电机接口、俯仰步进电机接口、方位限位开关接口、俯仰限位开关接口。对准控制系统采用的是两相直线式步进电机。

整个系统工作时，由dsPIC30F4011发送脉宽调制（pulse width modulation，PWM）信号、方向信号和使能信号给方位步进电机驱动模块和俯仰步进电机驱动模块。步进电机驱动模块的输出信号分别是A+，A-，B+，B-，它们分别控制步进电机的A相和B相绕组，进而控制步进电机转动。通过改变PWM输出频率来控制步进电机运行速度，通过改变方向信号来控制步进电机正向和反向运转，通过改变使能信号控制步进电机运动和停止。本设计中选用的步进电机是两相直线式步进电机，它的型号是35H4N-05-122，主要技术参量如表3所示。

Table 3 Technical parameters of step motor

2.2 软件设计

快速反射镜控制软件主程序流程如图5所示。主控计算机根据对准监测系统的测量值进行判断是否已经对准，将控制命令发送给快速反射镜控制系统。快速反射镜控制软件接收到主控计算机发送的控制命令后进行解包处理。然后进行判断，如果是电机正转命令，则输出PWM波控制电机正转，如果是电机反转命令，则输出PWM波控制电机反转，如果是电机停转命令，则停止输出PWM波，使电机停止。最后将对准控制信息包括限位开关状态信息、故障信息等发送给主控计算机。

3 实验验证

为了验证该激光对准快速反射镜控制系统的软件和硬件设计的正确性，设计开发了一个对准控制机箱，该机箱内部组成如图6所示。对准控制机箱内部包括：电路板电源、电机电源、通讯板、快速反射镜控制板及对外接口。

Fig.5 Flow chart of themain software procedure of fast reflector control system

对准控制机箱的前后面板如图7所示。对准控制机箱的前面板有3个开关和3个接口。3个开关分别是电源开关、方位开关和俯仰开关。方位开关和俯仰开关分别控制方位电机和俯仰电机的运动方向。3个接口分别是方位电机接口、俯仰电机接口和通信接口。机箱的后面板只有一个电源接口，该接口负责给整个机箱供电。

Fig.6 Insidesetupofautocollimatorcontrolbox

Fig.7 Frontandbehindimagesoftheautocollimatorcontrolboxa—thefrontimageofautocollimatorcontrolbox b—thebehindimageof autocollimatorcontrolbox

利用对准控制机箱对快速反射镜控制系统的硬件和软件进行实验验证。实验设备主要包括：快速反射镜、对准控制机箱、主控计算机、0.01″数显自准直平行光管等。快速反射镜控制系统实验的硬件连接示意图，如图8所示。

Fig.8 Trialhardwareconnectionofthetrialoffastreflectorcontrolsystem

将该机箱方位电机接口连接快速反射镜方位电机，俯仰电机接口连接俯仰电机，通信接口连接主控计算机。机箱通电后，打开电源开关，分别拨动方位开关和俯仰开关，可以看到方位电机和俯仰电机按照设定方向运动。将方位开关和电机开关拨到中间位置，两个电机都停止运动。然后通过主控计算机发送控制指令给对准控制机箱，对准控制机箱将根据控制指令内容对快速反射镜的方位和俯仰进行控制，并且能够判断是否到达限位位置，如果到达限位位置则使电机停转，同时将信息反馈给主控计算机，否则继续运动。快速反射镜的运动通过数显自准直平行光管观测。将主控计算机指定的值作为理论设定值，自准直平行光管观测数据作为实际值，得到的实验数据如表4所示。

Table 4 Trialdata

根据表4可知，方位轴系的误差均方根为0.73″，俯仰轴系的误差均方根为0.63″，控制精度均小于1″。从表中可以看出，快反镜在小角度转动范围内，控制精度基本不受转动范围大小的影响。由于在前面第1.1节中分辨率的计算公式中将快速反射镜转动所对应的小圆弧用直线近似等效，快反镜转动范围越大，这种近似所引起的误差就越大，导致控制精度随之降低。但是在激光对准控制系统中，所需的工作范围通常较小，因此转动范围对控制精度影响较小。控制系统误差主要来源于将步进电机的步数转换为角度的过程及机械结构上存在的误差，平行光管的测量误差也是误差来源之一。根据实验结果可以得出结论：快速反射镜在小角度范围内工作时，控制精度小于1″。实验证明，该快速反射镜控制系统的软件设计和硬件设计都是正确可靠的，且能够满足激光对准控制系统的要求。

4 结 论

设计了一种激光对准快速反射镜控制系统，并且详细阐述了该激光对准快速反射镜控制系统的硬件设计和软件设计。通过自行设计开发的对准控制机箱对该快速反射镜控制系统进行了实验验证。实验结果表明，快速反射镜控制系统的硬件和软件均符合设计要求，能够很好地控制快速反射镜在方位和俯仰两个方向上运动，在小角度工作范围内时方位轴系和俯仰轴系的误差均方根都小于1″，即控制精度小于1″。该系统能够很好地校正激光对准光路的偏差，有效提高了激光发射设备的激光发射精度，有着非常重要的研究意义和应用前景。

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Design of a control system of fast reflector in a laser autocollimator

PENG Shu-ping，WANGWei-guo，YU Hong-jun
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

In order to revise the light-route deviation of a laser autocollimator，a fast reflector control system of fast reflector in laser autocollimator control was designed.By adopting a step motor as power element，the movement of fast reflector in 2-D way was controlled，the light-route deviation of laser was eliminated and the light route of laser could be controlled accurately.The hardware and software of the fast reflector control system were expatiated exactly.Using hardware such as the laser autocollimator control box，the hardware and software design of laser autocollimator control system were validated.The experimental results show that root-mean-square of both azimuth errors and elevation direction errors are less than 1″when the working range of the fast reflector system is small，that is to say，the precision of fast reflector control system is less than 1″.Fast reflector control system can control the movement of fast reflector in 2-D way exactly.The hardware and software of the design is correct and reliable.The fast reflector control system can satisfy the demand of the laser autocollimator control system.

laser technique；fast reflector；autocollimator control；step motor

TP23

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.004

1001-3806（2013）04-0431-06

国家自然科学基金资助项目（61205143）

彭树萍（1984-），女，硕士，现主要从事光电对抗及伺服控制技术的研究。

E-mail：pengshuping666＠126.com

2012-12-17；

2012-12-31