1.1 选题背景及意义
随着科技水平的不断发展和军事水平的不断进步，在空间探测、航空侦查、军事国防等领域，光路的精确捕获、稳定、跟踪（ATP）技术已然成为这些领域研究的重要部分。尤其是近些年来随着大气激光通信的不断发展，必须要求光路透过上百公里的大气空间，并且需要对准点状的光学天线，这需要克服光源振动、大气扰动等可能引起光束偏移、成像噪声的问题，使得光学系统和光学天线可以稳定光路，精确指向。正常情况下，通过大气扰动造成光束抖动的频率可以达到1000 赫兹以上，因此需要达到微弧度级甚至亚微弧度光束瞄准精度[1,2]。为了达到精确捕获、跟踪、指向的目的，工程上一般采用复合轴系统。所谓复合轴系统，就是采用多轴系统进行粗跟踪与精跟踪相结合而成的复合跟踪。主跟踪架又称为主轴或主系统，用于粗跟踪，其特点包括行程范围大、视场大、精度低、带宽窄，主要用来捕获目标并且使目标稳定在子系统的视场内，方便子系统进行精跟踪[3]。精跟踪选用的 FSM 系统(Fast Steering Mirror system，FSM 系统)是通过调整反射镜在光源与接收端之间进行光束调整的装置，具有体积小、结构紧凑、速度快、精度高、带宽高等优点，经常与大转动范围的主镜一起组成复合轴系统，从而达成高精度、大转角的稳定和指向的功能。两者叠加可以实现大范围的快速高精度跟踪[4]。其原理如图 1.1。
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1.2 FSM 系统及其研究现状
因为具备控制精度高和响应速度快等优点，已然在光学系统中成为校正和稳定光路的重要环节，在工业设备、激光通讯、成像系统等多个领域得到了广泛应用[5-9]。近些年大口径望远镜技术不断革新，FSM 系统不但在精密跟踪系统起着关键作用，还在自适应光学系统中用于中和大气波动造成的低频扰动。控制带宽越高，对干扰的抑制能力越强，系统反应速度越快，从而可以提高系统的跟踪精度。因此，根据系统需求设计出精度高、响应频率快、稳定性好的FSM 系统十分必要。从使用角度，FSM 系统的设计主要考虑以下几点性能指标：反射镜有效通光孔径和面形精度以及抗强激光损伤能力、行程范围、定位精度、固有频率、控制带宽、响应时间等[10]。FSM 系统的工作原理，是通过调整反射镜在光源与接收端之间进行光束调整。两轴 FSM 系统结构形式如图 1.2 所示，其选用两对驱动器驱动反射镜实现围绕两个轴的旋转，其中反射镜中心由柔性支撑固定。根据支撑方式的不同，FSM 系统主要分为：柔性轴式和刚性轴式两大类，这也是目前最为常用的分类方式[11]。其中刚性轴式又可以细分为 X-Y 轴框架式和球面副支撑式两种。采用柔性轴支撑的 FSM 系统的特点是：无摩擦阻力矩、结构比较简单、响应速度快。缺点则是：包括反射镜、镜架以及柔性支撑自身负重在内的主要载荷都是由柔性原件支撑，在恶劣的环境中（如振动、冲击等）反射镜在所需的工作方向旋转的同时，可能产生非工作方向的微量位移，使得 FSM 系统的工作精度降低，甚至失效。所以，这类利用柔性原件支撑形式的 FSM 系统对柔性元件会有比较高的要求，更适合负载轻、口径小的系统。图 1.3 为麻省理工学院开发的高带宽 FSM 系统的结构爆炸视图。该 FSM 系统的柔性件包括弹性片、弹性圈和弹性轴三部分，用于实现 FSM 系统运动部分与不动基座之间的连接[6,12,13]。
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第 2 章 FSM 系统方案设计
在进行 FSM 系统的详细设计之前，需要对 FSM 系统的整体方案进行设计。FSM 系统整体设计的目的有两点，首先，它作为一个子系统，是整个激光通信链路整体系统的一部分，满足整体系统的需求是设计的前提。其次，FSM 系统作为一个整体，各部件之间相互影响，先进行整体设计，把相互关联的部分确定下来，可以为主要部件的详细设计做好准备。本章首先对 FSM 系统的性能指标的提出依据作了详细分析，然后根据提出的性能指标，提出对各部件要求，最后根据对各部件的要求和各部件之间的相互联系，对各部件进行初步的设计或选取。
2.1 FSM 系统性能指标的提出依据
本文设计的 FSM 系统应用于星-地激光通信，其应用环境为：中弱湍流，晴天情况，通信速率大于 1Gbps，误码率优于 1.0E-7。星-地通信链路拟定参数如表2.1 所示，星上发射端主要技术参数如表 2.2 所示。FSM 系统对光束的最大调整范围就是 FSM 系统的行程范围。复合轴式结构是由粗跟踪（大惯性的主镜等）和精跟踪（FSM 系统等）组成的，粗跟踪能够实现大范围转角的粗调整，而精跟踪只需实现小角度范围内的精确控制，两部分系统能够相互复合作用，能够实现在大范围内的高精度稳定和跟踪。精跟踪系统主要负责在靶面范围内进行调整，反射镜镜面转动 1°，光线变动两度，所以靶面入射光线极限偏移角度就是本次 FSM 系统设计需求的极限行程范围的两倍。
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2.2 FSM 系统关键部件设计及选取
图 2.1 中 FSM 系统各个主要部件与各个主要的性能指标的关系可以归纳为以下 4 点：1、反射镜的口径的直接影响因素是 FSM 系统通光口径，同时作为主要载荷，反射镜会影响驱动器和柔性支撑的选取，所以要优先确定。2、柔性支撑的设计受到载荷、行程范围和工作带宽的影响，影响因素较多，所以反射镜设计完成以后要对柔性支撑进行设计。3、驱动器的选取取决于推力大小，而推力的决定因素是工作带宽、行程范围以及负载的大小。4、传感器的选取因素则主要取决于 FSM 系统对结构分辨率和行程的要求。
第 3 章 反射镜的轻量化设计.............37
3.1 反射镜的总体设计.....37
3.2 反射镜镜胚结构优化设计.............40
3.3 反射镜镜架设计.........44
3.4 反射镜仿真分析.........46
3.5 本章小结...........49
第 4 章 倒圆角三角型两轴柔性支撑设计.............51
4.1 倒圆角三角型柔性铰链设计.........51
4.1.1 铰链长度 2c 对铰链性能影响分析........ 52
4.1.2 其他参数对铰链性能影响分析....57
4.2 倒圆角三角型两轴柔性支撑与单个柔性铰链刚度的关系...........60
4.2.1 绕 X 轴的转动刚度.............60
4.2.2 绕 Y 轴的转动刚度.............60
4.3 柔性支撑材料选择与尺寸确定.....61
4.4 有限元仿真分析.........64
4.5 本章小结...........67
第 5 章 FSM 系统的误差分析........... 69
5.1 FSM 系统柔度误差............. 69
5.2 FSM 系统两个方向上的谐振频率误差........... 72
5.3 FSM 系统转动中心偏移误差....... 74
5.4 FSM 系统负载重力对柔性支撑的影响误差............. 75
5.5 本章小结...........76
第 5 章 FSM 系统的误差分析
在加工制造的过程中 FSM 系统的每一个环节都有可能引入误差，不同的误差会对 FSM 系统的不同特性产生影响。本章针对 FSM 系统的几个主要参数的误差，分析其影响因素，最后将各误差项进行合成，最终得到总误差结果，并提出一些在实际加工装配中减小误差的方法。
5.1 FSM 系统柔度误差
FSM 系统柔度误差属于随机加工误差。FSM 系统的柔度也即柔性支撑的柔度由于柔性支撑是由两个柔性铰链并联而成，对于两轴 FSM 系统而言，理想的柔性部件应该具备这样的特性：成 90°旋转对称，其两个工作方向上的谐振频率，即系统的一阶谐振频率和二阶谐振频率是相等的，这样在系统工作过程中，音圈电机需要的最大推力也是相等的。然而通过表 4.2 的仿真结果可以得知，柔性铰链的一二阶谐振频率分别为254.3Hz、312.4Hz，说明柔性支撑并不具备这样的性质。根据公式（2-5）可知，系统某方向上的低阶谐振频率是由刚度（柔度）和转动惯量共同决定的。可以通过精密加工近似的保证在柔性支撑两个方向上的刚度相等，但是 X 轴负载始终比 Y 轴负载多如图 5.2 所示的一部分，可以考虑在绕 Y 轴方向两侧也增加相应的转动惯量补偿块，使得 X、Y 轴的转动惯量相同。这是一个可行的办法，需要在质量分布方面做进一步的优化，这也是下一步研究的方向。目前可行的方法就是通过控制系统，使得垂直方向的两对电机输出不同大小的转矩来驱动两个方向不同大小的转动惯量。可以预见到沿 Y 轴分布的一对电机长期要更大的功率输出，对电机的寿命会有一定的影响。
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总结
本文以长春光机所重大创新项目——“激光载波测控与通信技术”课题为研究背景，对基于新型柔性支撑的 FSM 系统的结构设计做了比较全面的研究，尤其是对 FSM 系统反射镜的轻量化设计、倒圆角三角型柔性支撑的设计等方面进行了详细的论述，其中的设计思路与方法对于同类型 FSM 系统的设计具有参考价值。其主要的研究内容包括以下几个方面：1、了解了 FSM 系统的应用背景，并详细介绍了国内外前沿性的 FSM 产品以及相关的研究进展。基于本课题组关于激光通信的实际研究内容以及同类型相关产品的性能，提出本文的 FSM 系统的性能指标，并将研究重点定为对轻量化反射镜和新型柔性支撑的设计。2、分析了系统主要技术指标（通光口径、行程范围、结构分辨率、固有频率等）的提出依据，并以其与 FSM 系统的各个主要部件（反射镜、柔性支撑、驱动器、传感器等）的联系为指导，提出了反射镜和柔性支撑的设计指标，并对驱动器和
