大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量方法及系统

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1、大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量方法及系统重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：李世栋指导教师：王代华教授专业：仪器科学与技术学科门类：工学重庆大学光电工程学院二O一五年四月ExcursionAngleMeasurementMethodandSystemofaPiezoelectricFastSteeringMirrorwithLargeExcursionAngleAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequire

2、mentfortheMaster’sDegreeofEngineeringByLiShidongSupervisedbyProf.WangDaihuaSpecialty:InstrumentScienceandTechnologyCollegeofOptoelectronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2015中文摘要摘要快速控制反射镜（FastSteeringMirror，FSM）是一种能够根据输入信号控制和驱动其反射镜面偏转的光

3、学装置，快速并且较准确的调整光路内光线位置的光学装置。压电式快速控制反射镜利用了压电陶瓷叠堆执行器（Piezoelectricceramicactuators，PCAs）输出的作用力大、体积小、分辨力高、响应速度快的优点，特别适合高精度、高速度、高集成度的应用场合，在自适应光学补偿、光束跟踪和指向、图像稳定、激光扫描、跟踪、捕获、瞄准系统、空间光通信等方面具有广阔的应用前景。目前，大角度快速控制反射镜偏转角度的精确测量问题尚缺乏有效的解决方案。研究一种高精度的动态偏转角度测量方法，并建立相应的测量系统以集成到快

4、速控制反射镜中构成闭环控制系统，可以实现高精度的反馈控制，是快速控制反射镜应用于快速高精度的图像稳定、目标捕获和光束指向的必然要求和前提。本文设计了一种压电式快速控制反射镜，针对其偏转角度测量问题，研究了一种基于位置敏感探测器的大角度动态偏转角度测量方法，建立了测量系统并对其特性进行了分析。在此基础上，设计开发了快速控制反射镜的大角度动态偏转角度测量系统的原型，建立了相应的测试系统进行了实验测试。理论分析结果和实验测试结果表明本文提出的快速控制反射镜的大角度动态偏转角度测量方法和系统能够准确的实现大于3°的动态

5、偏转角度测量。本文研究的主要内容如下：①研究并设计了一种大角度压电式快速控制反射镜，解决了常规的压电式快速控制反射镜偏转角度较小的问题，并对大角度压电式快速控制反射镜系统的驱动电路和控制器进行了分析。②提出了一种针对压电式快速控制反射镜大角度偏转测量的方法，分析了大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量系统的测量原理并建立偏转角度和光点在位置敏感探测器敏感区域位移的关系。介绍了大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量系统硬件模块与软件模块，在此基础上，分析了此系统的测量范围、分辨力和误差等特性，证实了大角度压电式快

6、速控制反射镜偏转角度测量方法的可行性。③基于快速控制反射镜偏转角度测量原理，选用合适的光源、透镜和位置敏感探测器PSD设计并搭建了整个光路系统。根据位置敏感探测器本身特性设计并开发了信号处理电路，实现了对位置敏感探测器输出小电流的处理。设计开发了I重庆大学硕士学位论文位置敏感探测器处理电路输出信号的采集和计算的软件模块，实现了光点在PSD敏感区域的位置坐标和压电式快速控制反射镜大角度偏转测量结果的显示。④基于搭建的大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量系统原型设计并进行了位置敏感探测器线性度测试和大角度压电式快

7、速控制反射镜偏转角度测量系统的纹波测试、测量准确度测试、测量范围测试、分辨力测试，分析了其测量结果误差。测试结果表明角度测量系统的线性度优于95%，纹波小于0.086°，准确度小于0.055°，测角范围大于3°，分辨力优于0.043°。本文设计的大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量系统具有纹波小、测量范围大、准确度和分辨力高的优点，实现了针对压电式快速控制反射镜大角度偏转的准确测量。本文的研究工作为压电式快速控制反射镜大角度偏转的测量奠定了基础，促进了大角度压电式快速控制反射镜的广泛应用。关键词：快速控制反射

8、镜，压电陶瓷执行器，大角度偏转，角度测量，位置敏感探测器II英文摘要ABSTRACTFaststeeringmirror(FSM)isakindofopticaldeviceit’susedtocontrolanddrivethemirrordeflectionaccordingtoinputsignal.Itismainlyusedtorealizetheadjustmentofth