CN105403999A - 基于psd反馈的二维快速控制反射镜及其控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PSD反馈的二维快速控制反射镜及其控制***，所述二维快速控制反射镜包括：底座，固定于所述底座上的PSD反馈光路结构、带压电陶瓷的活动支撑结构、及不带压电陶瓷的固定支撑结构，与活动支撑结构和固定支撑结构相连的支架，以及固定于支架上的反射镜。本发明集成了基于位置敏感探测器PSD的反馈光路结构，提高了反射镜角度偏转精度；三角形支撑结构既保证了二个维度上均可偏转的同时大幅提高了结构空间利用率，使整个反射镜的结构更紧凑合理。

Description

基于PSD反馈的二维快速控制反射镜及其控制***

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种基于PSD反馈的二维快速控制反射镜及其控制***。

背景技术

自由空间光通信作为一种无线的光通信，采用激光通讯，具有通信保密性好，密度高，信号方向性强，没有同频干扰等优势。激光扫描器作为自由空间光通信的一个关键器件，其性能直接影响着其通信质量。扫描器的角度控制精度直接影响着自由空间光通信的信道稳定性，传统的转台式反射镜扫描器、多面转镜式扫描器机械结构的谐振频率低，容易引起谐振，且角度控制精度低。

传统的扫描器有转台式反射镜扫描器、多面转镜扫描器、检流计式振镜扫描器等，大多扫描频率低或者扫描线性度不高。快速控制反射镜是一种新型的激光扫描器，其根据驱动元件的不同可以分为压电陶瓷式激光扫描器和音圈电机式激光扫描器。音圈电机式激光扫描器扫描角度大，但是扫描频率较小，角度偏转精度较差，压电陶瓷式激光扫描器与之相比扫描频率高，且角度偏转精度高，适合用于自由空间光通信中。

中国专利CN201569787U公开了一种高速控制压电扫描装置，该装置结构示意图如图1a所示，其中，3为激光器，4a为椭圆形位移放大结构，7a为压电陶瓷，5为反射镜，15为位置敏感探测器。给两个压电陶瓷施加互为相反的驱动电压，椭圆形弹性外框将压电陶瓷伸缩方向位移放大使弹性铰链支架转动，驱动电压大小决定了反射镜偏转角度。此外扫描器上集成了一维位置敏感探测器，可以实时探测反射镜偏转角度，实现反射镜偏转角度的闭环反馈控制，进一步提高扫描线性度以及定位精度。然而该发明是一维压电激光扫描器，只能实现激光一个维度的偏转，此外其反射镜面小，反馈通道占据了很大的空间，在结构上不紧凑。

中国专利CN103913838A公开了一种二维快速偏转反射镜的作动机构，该装置结构示意图如图1b所示，其包括4个对称式驱动器组件，单个驱动器组件采用了杠杆式位移放大结构。通过对称两端的驱动器机械结构拉伸形变来使反射镜产生相应角度偏转。该发明中的二维快速偏转反射镜作动机构采用了杠杆式位移放大结构，具有响应速度快，角度分辨率高的特点，但是其没有集成反馈光路，即实时的反射镜偏转角度没有测量，因此不能进行闭环控制，实际工作中易受外界环境干扰，无法保证实时的反射镜偏转角度精度。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于PSD反馈的二维快速控制反射镜及其控制***。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于PSD反馈的二维快速控制反射镜，其特征在于，所述二维快速控制反射镜包括：底座，固定于所述底座上的PSD反馈光路结构、带压电陶瓷的活动支撑结构、及不带压电陶瓷的固定支撑结构，与活动支撑结构和固定支撑结构相连的支架，以及固定于支架上的反射镜。

作为本发明的进一步改进，所述反馈光路结构包括沿光路依次设置的氦氖激光器、半透半反镜以及检测光斑位置的PSD。

作为本发明的进一步改进，所述底座上设有第一支撑架和第二支撑架，氦氖激光器固定安装于第一支撑架上，半透半反镜固定安装于第二支撑架上，PSD固定安装于第二支撑架内部。

作为本发明的进一步改进，所述第二支撑架的顶部朝向第一支撑架倾斜设置，所述半透半反镜倾斜安装于所述第二支撑架的顶部。

作为本发明的进一步改进，所述活动支撑结构为两个，分别包括二维柔性铰链、椭圆形位移放大结构、以及位于嵌入在椭圆形位移放大机构内的压电陶瓷。

作为本发明的进一步改进，所述固定支撑结构包括二维柔性铰链和支撑柱。

作为本发明的进一步改进，所述活动支撑结构和固定支撑机构呈“品”字形固定在底座上的三个凹槽内，并分别与支架固定连接。

作为本发明的进一步改进，所述支架包括支架主体及固定于支架主体上的凸台，所述反射镜与支架主体通过凸台固定安装。

相应地，一种基于PSD反馈的二维快速控制反射镜的控制***，所述控制***包括：

二维快速控制反射镜；

PSD信号处理电路，包括用于对二维快速控制反射镜中的PSD信号进行滤波的滤波电路；

FPGA控制电路，与所述PSD信号处理电路相连，包括采集经过PSD信号处理电路后PSD信号的DA模块、用于计算实时控制信号u(t)的滑模控制器、以及用于转化实时控制信号u(t)的AD模块；

功率放大电路，用于对AD模块输出的电压信号进行功率放大，并驱动二维快速控制反射镜中的压电陶瓷。

作为本发明的进一步改进，所述滑模控制器还用于根据实时的二维快速控制反射镜的角度偏转量y(t)、输入角度理想值r(t)与实际的角度偏转量y(t)的偏差值计算实时控制信号u(t)。

本发明具有以下有益效果：

集成了基于位置敏感探测器PSD的反馈光路结构，提高了反射镜角度偏转精度；

两个带压电陶瓷的活动支撑结构以及一个不带压电陶瓷的固定支撑结构所形成的三角形支撑方式既保证了二个维度上均可偏转的同时大幅提高了结构空间利用率，使整个反射镜的结构更紧凑合理；

滑模控制器采用二阶滑模控制可以消除一阶滑膜控制时产生的输入驱动电压震颤现象，可以方便的实现二维反射镜高精度偏转。

附图说明

图1a为现有技术中高速压电控制扫描装置的结构示意图，图1b为另一现有技术中二维快速偏转反射镜作动机构的结构示意图。

图2为本发明一具体实施方式中基于PSD反馈的二维快速控制反射镜的结构示意图。

图3为本发明一具体实施方式中基于PSD反馈的二维快速控制反射镜的***结构示意图。

图4a、4b分别为本发明一具体实施方式中带压电陶瓷的活动支撑结构和不带压电陶瓷的固定支撑结构的结构示意图。

图5a、5b分别为本发明一具体实施方式中支架的整体结构示意图及支撑点结构示意图。

图6为本发明一具体实施方式中基于PSD反馈的二维快速控制反射镜的剖面结构示意图。

图7为本发明一具体实施方式中基于PSD反馈的二维快速控制反射镜的反馈光路示意图。

图8为本发明一具体实施方式中基于PSD反馈的二维快速控制反射镜控制***的模块示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图2、图3所示，本发明一具体实施方式中公开了一种基于PSD反馈的二维快速控制反射镜，包括：底座7，固定于所述底座上的PSD反馈光路结构、带压电陶瓷的活动支撑结构3、及不带压电陶瓷的固定支撑结构4，与活动支撑结构和固定支撑结构相连的支架2，以及固定于支架上的反射镜1。其中，PSD反馈光路结构包括带有氦氖激光器的第一支撑架5和带有半透半反镜与PSD(PositionSensitiveDetector，位置敏感探测器)的第二支撑架6。

本发明中反射镜1下面有三个支撑端，其中两个是带压电陶瓷的活动支撑结构，一个是不带压电陶瓷的固定支撑结构。带压电陶瓷的活动支撑结构在压电陶瓷上电后，压电陶瓷产生轴向的伸缩位移，然后装载压电陶瓷的位移放大结构因此会受到压电陶瓷的横向作用力而产生纵向的伸缩位移，两者之间是线性关系。然后反射镜会因为位移放大结构支撑点产生的纵向位移而发生二维偏转。与此同时，氦氖激光器发出的激光光束经半透半反镜反射后的光束会因为反射镜的二维偏转而产生相应的偏转，其再次经过半透半反镜后的透射光束照射在PSD上的位置会发生相应的变化。

本发明还公开了一种基于PSD反馈的二维快速控制反射镜的控制***，PSD产生的四路电流信号经过对应电路滤波及相应处理后，被FPGA控制电路中的DA模块采集，经过计算可以得到实时的二维快速控制反射镜的角度偏转量。FPGA内部的滑模控制器对角度偏转目标值和实际值的偏差进行处理，最后得到实时的控制输出电压来形成反馈回路，消除角度偏转目标值和实际值的偏差，最终使二维快速控制反射镜快速精确的偏转至理想角度值。

以下对本发明中基于PSD反馈的二维快速控制反射镜及其控制***作详细说明。

参图3所示，反射镜1通过强力胶与支架2中间的凸台粘合在一起，支架2下面有两个带压电陶瓷的活动支撑结构3和一个不带压电陶瓷的固定支撑结构4，活动支撑结构3和固定支撑结构4之间各通过四个型号为M1.6的螺丝进行固定。三个支撑结构与底座7之间各通过一个型号为M3的螺丝进行固定。

带有氦氖激光器的第一支撑架5与带有半透半反镜与PSD的第二支撑架6之间构成了反馈光路。带有氦氖激光器的第一支撑架5与底座7之间通过一个型号为M3的螺丝固定，带有半透半反镜与PSD的第二支撑架6与底座7之间通过四个型号为M1.6的螺丝固定。

此二维快速控制反射镜支撑结构如图4所示，其有两种，一种是带压电陶瓷的活动支撑结构3，第二种是不带压电陶瓷的固定支撑结构4。带压电陶瓷的活动支撑结构3如图4a所示，其由二维柔性铰链31、压电陶瓷32以及椭圆形位移放大结构33所组成。如图4b所示，不带压电陶瓷的固定支撑结构4由二维柔性铰链41和支撑柱42所组成。

本实施方式中二维柔性铰链31和椭圆形位移放大结构33两者是一体相连的，压电陶瓷32嵌入在椭圆形位移放大结构33中。当给压电陶瓷32输入驱动电压时，压电陶瓷32会产生轴向的伸缩位移，然后对椭圆形位移放大结构33的长轴两端产生作用力。椭圆形位移放大结构33是采用弹性很好的弹簧钢制作得到的，因此其会产生形变，纵向上也会产生伸缩位移，而且是压电陶瓷32横向伸缩位移的约2～3倍。二位柔性铰链31很容易在纵向压力下产生形变，其作为椭圆形位移放大结构33和粘有反射镜片的支架2的连接端，通过形变来达到使反射镜进行偏转，不会产生摩擦故无需润滑，比传统的轴承结构性能更好。

此二维快速控制反射镜支架如图5a、5b所示，支架2包括支架主体21及固定于支架主体上的凸台22，凸台22用来粘合反射镜面，凸台22周围的12个孔是为了使用M1.6的螺丝将其与下端的三个支撑结构连接在一起。三个支撑结构中心分别位于点A，B和C，因为机械结构设计上OA＝OB＝OC，因此ABC构成等腰直角三角形。对应地，活动支撑结构和固定支撑机构呈“品”字形固定在底座上的三个凹槽内。

三个支撑结构中，位于点A和点C的是带压电陶瓷的活动支撑结构3，位于点B的是不带压电陶瓷的固定支撑结构4。位于点A处的带压电陶瓷的活动支撑结构在驱动压电陶瓷后会产生纵向的伸缩位移，由于点B处的支撑结构为固定端，因此整个反射镜会绕Y轴产生偏转角度；同理位于点C处的带压电陶瓷的活动支撑结构在驱动压电陶瓷后会产生纵向的伸缩位移，由于点B处的支撑结构为固定端，因此整个反射镜会绕X轴产生偏转角度，从而实现该快速控制反射镜的二维角度偏转。

此二维快速控制反射镜反馈结构剖面示意图如图6所示，整个反馈结构包括氦氖激光器51，第一支撑架52，半透半反镜61，第二支撑架62以及位置敏感探测器63组成。氦氖激光器51固定在第一支撑架52上，半透半反镜61呈45°倾斜粘合在第二支撑架62上，位置敏感探测器(PSD)63安装在第二支撑架62内部。

PSD反馈光路如图7所示，氦氖激光器51产生水平的激光束，经半透半反镜61反射后的光束会因为反射镜1的二维偏转而产生相应的二维偏转，其再次经过半透半反镜61后的透射光束照射在位置敏感探测器63上的位置会发生相应的变化。由激光光斑在位置敏感探测器63上的位置变化量即可求得快速控制反射镜的二维角度偏转量。

如图8所示，本实施方式中基于PSD反馈的二维快速控制反射镜的控制***，具体包括：

二维快速控制反射镜110；

PSD信号处理电路120，包括用于对二维快速控制反射镜110中的PSD信号进行滤波的滤波电路；

FPGA控制电路130，与PSD信号处理电路120相连，包括采集经过PSD信号处理电路后PSD信号的DA模块131、用于计算实时控制信号u(t)的滑模控制器132、以及用于转化实时控制信号u(t)的AD模块133；

功率放大电路140，用于对AD模块133输出的电压信号进行功率放大，并驱动二维快速控制反射镜110中的压电陶瓷。

优选地，滑模控制器132还用于根据实时的二维快速控制反射镜的角度偏转量y(t)、输入角度理想值r(t)与实际的角度偏转量y(t)的偏差值计算实时控制信号u(t)。

本实施方式中，滑模控制器132采用二阶滑模控制，可以消除一阶滑膜控制时产生的输入驱动电压震颤现象，可以方便的实现二维反射镜高精度偏转。

具体地，氦氖激光器发出的激光光束经半透半反镜反射后的光束会因为反射镜的二维偏转而产生相应的偏转，其再次经过半透半反镜后的透射光束照射在PSD上的位置会发生相应的变化。PSD产生的四路电流信号经过PSD信号处理电路滤波及相应处理后，被FPGA控制电路中的DA模块采集，经过计算可以得到实时的二维快速控制反射镜的角度偏转量y(t)。输入角度理想值r(t)与实际的角度偏转量y(t)的偏差值(在外界干扰d(t)的存在下)经过模数AD转化，通过FPGA控制电路内部固化的滑模控制器计算后得到实时控制信号u(t)，然后进行数模DA转化，再经过功率放大电路进行功率放大，最后得到压电陶瓷的驱动电压来驱动快速控制反射镜并使其达到理想的偏转角度r(t)。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

集成了基于位置敏感探测器PSD的反馈光路结构，提高了反射镜角度偏转精度；

两个带压电陶瓷的活动支撑结构以及一个不带压电陶瓷的固定支撑结构所形成的三角形支撑方式既保证了二个维度上均可偏转的同时大幅提高了结构空间利用率，使整个反射镜的结构更紧凑合理；

滑模控制器采用二阶滑模控制可以消除一阶滑膜控制时产生的输入驱动电压震颤现象，可以方便的实现二维反射镜高精度偏转。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于PSD反馈的二维快速控制反射镜，其特征在于，所述二维快速控制反射镜包括：底座，固定于所述底座上的PSD反馈光路结构、带压电陶瓷的活动支撑结构、及不带压电陶瓷的固定支撑结构，与活动支撑结构和固定支撑结构相连的支架，以及固定于支架上的反射镜。

2.根据权利要求1所述的基于PSD反馈的二维快速控制反射镜，其特征在于，所述反馈光路结构包括沿光路依次设置的氦氖激光器、半透半反镜以及检测光斑位置的PSD。

3.根据权利要求1所述的基于PSD反馈的二维快速控制反射镜，其特征在于，所述底座上设有第一支撑架和第二支撑架，氦氖激光器固定安装于第一支撑架上，半透半反镜固定安装于第二支撑架上，PSD固定安装于第二支撑架内部。

4.根据权利要求3所述的基于PSD反馈的二维快速控制反射镜，其特征在于，所述第二支撑架的顶部朝向第一支撑架倾斜设置，所述半透半反镜倾斜安装于所述第二支撑架的顶部。

5.根据权利要求1所述的基于PSD反馈的二维快速控制反射镜，其特征在于，所述活动支撑结构为两个，分别包括二维柔性铰链、椭圆形位移放大结构、以及位于嵌入在椭圆形位移放大机构内的压电陶瓷。

6.根据权利要求5所述的基于PSD反馈的二维快速控制反射镜，其特征在于，所述固定支撑结构包括二维柔性铰链和支撑柱。

7.根据权利要求6所述的基于PSD反馈的二维快速控制反射镜，其特征在于，所述活动支撑结构和固定支撑机构呈“品”字形固定在底座上的三个凹槽内，并分别与支架固定连接。

8.根据权利要求1所述的基于PSD反馈的二维快速控制反射镜，其特征在于，所述支架包括支架主体及固定于支架主体上的凸台，所述反射镜与支架主体通过凸台固定安装。

9.一种基于PSD反馈的二维快速控制反射镜的控制***，其特征在于，所述控制***包括：

权利要求1～8中任一项所述的二维快速控制反射镜；

PSD信号处理电路，包括用于对二维快速控制反射镜中的PSD信号进行滤波的滤波电路；

FPGA控制电路，与所述PSD信号处理电路相连，包括采集经过PSD信号处理电路后PSD信号的DA模块、用于计算实时控制信号u(t)的滑模控制器、以及用于转化实时控制信号u(t)的AD模块；

功率放大电路，用于对AD模块输出的电压信号进行功率放大，并驱动二维快速控制反射镜中的压电陶瓷。

10.根据权利要求9所述的控制***，其特征在于，所述滑模控制器还用于根据实时的二维快速控制反射镜的角度偏转量y(t)、输入角度理想值r(t)与实际的角度偏转量y(t)的偏差值计算实时控制信号u(t)。