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空间激光通信系统中,为了解决高带宽、高精度和高稳定性的控制难题,跟踪系统通常采用主从复合轴控制技术来保证ATP(Acquisition,Tracking,Pointing简称ATP)系统的动态跟踪精度。快速反射镜作为精跟踪伺服单元的核心元件,需要具备很高的控制带宽和控制精度来抑制粗跟踪残余误差,保证建立起的激光通信链路稳定、可靠。 文中简要介绍了空间激光通信系统的组成和光电跟踪技术,并结合ATP系统的控制需求,给出了计算快速反射镜偏转范围、分辨精度、谐振频率等指标的方法,详细介绍了压电陶瓷FSM(Fast steering mirror或者Fine steering mirror简称FSM,意为快速反射镜)的分类、组成结构、驱动原理以及其包括蠕变特性、迟滞特性、温度特性在内的非线性特性。 重点介绍了快速反射镜技术和压电陶瓷快速反射镜模拟驱动技术的研究现状,采用的相关技术和达到的水平,列出了一些有代表性的研究成果。针对ATP系统中精跟踪单元的FSM伺服电路的高带宽,高精度的指标要求,分析了现有模拟驱动技术的不足,提出了基于前馈PID(Proportion,Integral,Derivative英文缩写PID)控制的模拟驱动方法。 针对FSM模拟驱动电路的设计难点,本文设计的模拟驱动电路采用FSM内部的应变电阻传感器构成位置闭环控制来修正FSM的非线性误差,采用双T陷波电路来抑制电路中频率和FSM结构谐振频率相等或接近的信号防止谐振。文中详细描述了FSM驱动电路各子单元电路的作用和具体形式,还结合CADENCE电路仿真软件对各子单元电路的关键参数进行了仿真,特别是对容性负载引起的功率放大器工作不稳定问题,提出了采用噪声增益补偿和CF补偿相结合的频率补偿方案,将功率放大电路的相位裕量从-1.8度提高到64度,解决了末端功率放大电路的震荡问题。 针对高带宽微量调节角度的测量,提出了基于高带宽PSD(Position SensitiveDevice简称PSD)的光斑抖动测量方案,以便能够测量0kHz到10kHz范围角度调谐能力,并搭建了相应的实验测量装置,能够测量频率小于13.5K,范围小于3mrad的角度抖动,测量精度1.05μrad。同时也搭建了基于光电自准直仪的光斑位置探测实验装置,用于测量静态或者慢速的角度变化。实验采用自建的测量装置对研制的基于PID控制的模拟驱动电路和前馈PID控制的模拟驱动电路进行了相应的测试和比对,FSM在开环控制下的迟滞回线最大误差占为总行程的11.6%,基于PID控制的模拟驱动电路和前馈PID控制的模拟驱动电路X轴线性度分别为0.53%、0.58%,Y轴线性度分别为0.36%、0.36%;在4mrad的阶跃响应下,基于PID控制的模拟驱动电路上升沿时间约为10ms,基于前馈PID控制的模拟驱动电路上升沿时间约为400μs。采用输入输出对比方法测量了电路的幅频特性和相频特性,前馈PID控制的模拟驱动电路带宽可200Hz,而基于PID控制的模拟驱动电路仅约70Hz~80Hz。测试结果显示文中提到的前馈PID模拟驱动电路具有更好的幅频特性和相频特性,更适合应用于高带宽大角度的角度扫描领域。