用于星載激光通信終端的絕對式光電角度編碼器

韓旭東，徐新行，劉長順,于思源

(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;2. 哈爾濱工業大學 可調諧激光技術國家級重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

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用于星載激光通信終端的絕對式光電角度編碼器

韓旭東1*，徐新行1，劉長順1,于思源2

(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;2. 哈爾濱工業大學 可調諧激光技術國家級重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對星上激光通信終端二維轉臺的精確控制，設計了實時測量轉臺旋轉角度的專用型光電角度編碼器。根據星載激光通信終端所需測角系統的設計指標，分別對光電角度編碼器的碼盤、指示光柵及光電信號的提取方法進行了設計和選擇。其中，格林二進制絕對式編碼結合高質量的電子學細分，實現了編碼器24位的絕對角度測量；四象限矩陣編碼方式有效地減小了碼盤的徑向尺寸；分體讀數頭式指示光柵較整周玻璃盤大幅度壓縮了體積和重量。在室溫條件下對安裝在星載激光通信終端上的光電角度編碼器進行了測角精度檢測。結果表明：該測角系統的角度測量精度約為0.7″(優于1.0″)。激光通信終端設備的在軌穩定運行及捕獲、跟蹤和通信功能的正常發揮，進一步驗證了所設計的光電角度編碼器測角精度高、抗輻射能力強、工作可靠性高，滿足星載激光通信終端設備的應用要求。

激光通信；光電角度編碼器; 絕對式角度編碼器; 角度測量；測量精度

1　引　言

衛星激光通信系統相比微波通信系統具有數據率高、保密性好、體積小、重量輕等優點，美國、歐空局、日本等國先后進行了星-地和星間激光通信試驗[1-5]。我國于2011年由哈爾濱工業大學組織進行了首次星-地激光通信試驗，成功實現了星地激光鏈路雙向捕獲、跟蹤和通信試驗[6-9]。

為了精確控制星上激光通信終端的二維轉臺，進而完成終端設備的捕獲、跟蹤和通信功能，需要采用角度測量系統對轉臺的旋轉角度進行實時測量，并為電機控制提供反饋信號[10-13]。高精度絕對式光電角度編碼器具有測量精度高、環境適應性強和易于集成等優點。星載激光通信終端采用的光電編碼器碼盤的粗碼部分采用絕對式矩陣編碼，中精碼與精碼部分采用空間錯位移相的狹縫裂相方法進行編碼，從而獲得具有良好正交性和正弦特性的精碼信號用于電子學細分。經過電子電路細分后，絕對式編碼器的分辨率高達24位，地面測試結果顯示系統的測角精度優于1.0″。該光電角度編碼器是國內首次采用大直徑光學玻璃為基底制備航天級高精度光學碼盤的一種新突破，其成功研制也為后續大尺寸光電角度編碼器在航天高精度測角領域的廣泛應用奠定了基礎。

2　星載激光通信終端角度編碼器的技術原理和設計指標

2.1工作原理

絕對式光電角度編碼器的結構原理如圖1所示，該角度編碼器主要由回轉軸系、發射光源、碼盤、指示光柵、光電接收器、處理電路和殼體7部分組成。其中，碼盤與回轉軸系相固連，并跟隨回轉軸進行回轉；指示光柵與編碼器殼體相固連，保持靜止；二者面對面正對，并伴隨著回轉軸的旋轉發生相對運動，形成光柵運動副。該光柵副是光電角度編碼器的測量核心部件。

圖1　絕對式光電角度編碼器結構原理Fig.1　Principle of absolute optical angle encoder

光電角度編碼器的具體工作過程如下：首先發射光源通電發光，光線經自身封裝的透鏡準直后變為平行光，并垂直入射到光柵副上，進而產生與光柵柵距具有對應關系的莫爾條紋。然后，該莫爾條紋信號被光電接收器接收，并輸出一組與碼盤圖案的位置編碼具有對應關系的光電流信號。最后，將該信號傳送至后續處理電路進行處理。其中，精碼信號經差分放大、整形、A/D變換器轉換成數字信號；粗碼信號經放大、鑒幅，由單片機將矩陣碼譯成自然二進制碼。精碼信號與粗碼信號經譯碼、校正連接、對徑相加平均等邏輯處理，形成數字代碼輸出，最終獲得回轉軸的角度位置信息，并實現數值輸出。由于每個二進制碼對應碼盤上唯一的位置點，即實現了編碼器輸出位置編碼與回轉角度的一一對應關系，因此該角度編碼器從技術原理上實現了回轉軸系絕對角度的測量。

2.2設計要求

由于星載激光通信設備的作用距離較遠(約400 km)，發射激光即使產生極小的角度差異也將會對遙遠的地面目標產生極大的位置偏差。為了精確控制發射光束的傳播方向，順利實現星、地激光鏈路的雙向捕獲、跟蹤和通信，必須對星載激光通信終端的回轉角度進行精密控制，因此，對系統角度測量裝置的性能，尤其是測量精度和分辨力提出了極高的要求。而圓周電位計和旋轉變壓器等傳統的角度測量元件難以滿足這種要求。考慮到星載激光通信終端狹小的安裝空間，在地面二維轉臺中應用成熟的圓光柵等也無法滿足空間設備的使用需求。因此，本文針對星載激光通信終端設計了專用型光電角度編碼器。該高精度光電角度編碼器的性能指標要求如表1所示。

表1　星載激光通信終端角度編碼器的性能要求

3　星載激光通信終端角度編碼器的設計

3.1碼盤設計

碼盤是光電角度編碼器的核心元件之一，通俗地講它就是一塊包含若干條同心碼道圖的玻璃圓盤。角度編碼信息通過透光與不透光的刻線在碼盤表面形成對應編碼的碼道圖。圖2為該絕對式光電角度編碼器碼盤的編碼原理圖。為了實現星載激光通信終端回轉角度的絕對測量，本碼盤采用粗碼、中精碼和精碼相結合的設計方案。

圖2　絕對式編碼器的編碼原理Fig.2　Coding principle of absolute optical encoder

如圖2所示，粗碼設計采用四象限矩陣編碼。整個圓周分為4個象限，每個象限的刻線密度依次相差2倍。粗碼A1～A12經四個象限編碼成4條碼道，相比格林碼所需要的12條碼道，在數量上成倍地減少，從而大幅度壓縮了碼盤的徑向尺寸和重量。中精碼用于連接粗碼與精碼。精碼決定了光電角度編碼器的設計精度，可以通過提高碼道整周的刻線數和刻線精度來保證測量精度。但如果碼盤的刻線密度過高，會發生光衍射現象，進而影響所提取光電信號的質量。因此為了兼顧二者，本文將精碼碼道的刻線密度定為213對線/周，中精碼碼道的刻線密度定為210對線/周。考慮到光電接收器在空間上布局的合理性，將兩圈刻線密度較高的精碼和中精碼設計在碼盤的中間位置。

圖3　碼盤的設計圖樣Fig.3　Pattern design of grating disk

圖4　碼盤的實物照片Fig.4　Photograph of grating disk

圖3和圖4分別為玻璃碼盤的設計圖樣及實物照片。如圖所示，該碼盤共有1～15位編碼碼道，但外形尺寸僅為：內徑Ф126 mm、外徑Ф181 mm,不僅保證了碼盤的精度，而且大幅度壓縮了碼盤的尺寸。因此，這種編碼方式特別適用于對空間體積要求極為苛刻的航空航天領域。

3.2指示光柵設計

指示光柵用于掃描碼盤上的位移編碼信息。本文設計的指示光柵圖案主要由粗碼、中精碼和精碼3部分組成，如圖5所示。其中，粗碼為4個單縫通光窗口，分別用于掃描碼盤上4圈不同的粗碼碼道；中精碼為4個多縫通光窗口，用于掃描碼盤上的中精碼碼道；精碼也為4個多縫通光窗口，用于掃描碼盤上的精碼碼道。中精碼、精碼的光柵節距分別與對應碼盤上的中精碼、精碼的光柵節距相同。而且指示光柵的4個中精碼窗口與4個精碼窗口在沿圓弧方向各自的碼道上交錯排列，以最大程度地壓縮單個讀數頭的結構尺寸。指示光柵采用分體讀數頭的結構形式，并與光電接收器組合成光電接收模塊，不僅避免了采用整周玻璃盤使光電角度編碼器的質量超標，而且大幅度提高了指示光柵的工作可靠性。圖6為指示光柵與光電接收器組合而成的光電接收模塊的實物照片。

圖5　指示光柵圖案Fig.5　Designing pattern of index grating

圖6　指示光柵的實物照片Fig.6　Photograph of index grating

3.3光電信號的提取

在光電角度編碼器的信號提取過程中，粗碼采用單縫掃描的方式提取信號，中精碼和精碼采用多縫莫爾條紋提取信號。由于紅外發射光源的峰值波長λ≈0.88 μm，遠小于精碼的光柵節距p≈0.066 mm，因此，光柵副的間隙Δh可由以下經驗公式計算獲得：

(1)

式中：p為光柵節距；λ為發射光源的波長。將p≈0.066 mm，λ≈0.88 μm代入式(1)，可得光柵副的間隙Δh=0.495 mm。

根據莫爾條紋的工作原理，條紋寬度為：

(2)

式中：B為莫爾條紋寬度；p為光柵節距；θ為動、靜光柵的夾角。

由式(2)可知：莫爾條紋相當于一個光學放大器，而條紋寬度B則相當于將光柵節距p放大了1/θ倍。所以，當光柵節距p確定以后，選取的莫爾條紋寬度B越大，則動靜光柵夾角θ越小，莫爾條紋的放大倍數1/θ越高，條紋寬度B對動靜光柵夾角θ的變化越敏感，對光機結構回轉軸系的精度要求也越苛刻。因此，選用相對較窄的莫爾條紋寬度有利于減小軸系晃動的影響，從而降低信號正交性的變化，改善信號的正弦性[7-11]。在實際應用中莫爾條紋寬度B的計算公式為：

(3)

式中：ΔR為動靜光柵的偏置量；R為碼盤上精碼的刻劃半徑；e為碼盤安裝的偏心量。

在光電角度編碼器的實際設計過程中，選取莫爾條紋寬度B=0.5 mm；裝調時，只要保證碼盤安裝的偏心量e≤0.001 mm，就可以獲得較高質量的光電信號。同時為了消除信號中的直流分量，將精碼和中精碼的4路光電信號分別進行差分處理。其中，0°信號與180°信號差分后得到正弦信號，90°信號與270°信號差分后得到余弦信號。正余弦信號的正交性直接影響光電角度編碼器后續電子學的細分精度。圖7為星載激光通信終端角度編碼器裝調后正、余弦信號合成的李沙育圖。由圖7可知，該正余弦信號的正交性良好，滿足電子學處理的需求。

圖7　光電信號李沙育圖Fig.7　Lissajous graph of Moiré signal

3.4特殊設計

由于星載設備所運行的空間環境存在高輻射、高低溫、真空及難以維修和維護等不利條件，普通的光、機、電元器件極易因氧化而失效。為了保證星載激光通信終端專用型光電角度編碼器的工作可靠性，延長其在軌運行的服役壽命，本文有針對性地開展了如下特殊設計：(1)選用抗電磁輻射級光學玻璃制備碼盤；(2)對完成刻劃圖案的碼盤均勻鍍覆抗空間輻射薄膜；(3)對所有電子元器件進行等級篩選；(4)對完成焊接的電子元器件進行加膠固封；(5)選擇熱膨脹系數小的材料制作結構件并進行冷熱時效處理；(6)對所有機械連接點進行涂膠防松；(7)對信號提取系統采用冗余設計(1∶1備份)。

4　星載激光通信終端角度編碼器的實驗檢測

為了盡可能地壓縮星載設備的體積、降低激光通信終端的質量，本文設計的光電角度編碼器最大的技術特點之一就是：直接借用星載激光通信終端的回轉軸系來實現光柵副的相對運動。圖8為安裝于星載激光通信終端方位軸系上的光電角度編碼器的實物照片。

圖8　安裝于設備方位軸系上光電角度編碼器的實物照片Fig.8　Photograph of optical encoder installed on equipment

為了確保星載激光通信終端專用角度編碼器的測角精度滿足系統的應用要求(優于1.0″)，這里對完成安裝和調整的光電角度編碼器的測角精度進行了實驗檢測。

4.1檢測方法

圖9為光電角度編碼器測角精度的實驗檢測原理。該檢測裝置主要包括光電自準直儀(精度為±0.1″、分辨力為0.001″)、17面棱體、過渡工裝、電感測微儀、光電角度編碼器及檢測平臺等。首先，將17面棱體通過過渡工裝固連在星載激光通信終端的回轉軸上，并采用電感測微儀保證棱體與回轉軸系同軸。然后，轉動回轉軸直至光電角度編碼器的讀數變為0。此時，調整自準直儀使其對準17面棱體的第一面，并將此位置定為測量零位。完成檢測裝置初始位置的調節后，再次轉動回轉軸直至棱體的第二面對準自準直儀。此時，光電角度編碼器理論轉過360°/17，而光電自準直儀的方位讀數為光電角度編碼器的實際轉角與理論轉角的偏差，二者累加獲得光電角度編碼器的實際轉角。將該值與光電角度編碼器的讀數做差即可獲得編碼器在第一點處的測角精度。繼續轉動回轉軸，依次使棱體的其余15個面與自準直儀對準，采用同樣的方法獲得光電角度編碼器在其余各點處的測角精度。最后，將編碼器在這17個點處的測角精度取平均值，繼而求出它們的均方差，最終獲得光電角度編碼器最終的測角精度。

圖9　光電角度編碼器測角精度測試裝置Fig.9　Test device for precision of angle encoder

具體的計算過程如下：

光電角度編碼器在17面棱體第i面處的理論轉角為：

(4)

光電角度編碼器在17面棱體第i面處的實際轉角為：

Ci=Ai+Bi.

(5)

光電角度編碼器在17面棱體第i面處的測量精度為：

δi=Di-Ci.

(6)

光電角度編碼器的平均測角精度為：

(7)

光電角度編碼器測角精度的均方差為：

(8)

該均方差值σδ即為光電角度編碼器最終的測角精度。

4.2檢測結果

由于在地面條件下模擬空間環境對所設計的光電角度編碼器進行精度檢測十分困難，同時，考慮到該光電角度編碼器在設計、制作過程中已采用了大量的特殊防護措施(見論文3.4節)以應對太空中高輻射、高低溫及無法維修維護等惡劣的工作環境，因此，在模擬空間環境不足的條件下，這里在室溫條件下采用4.1節所述的檢測方法對光電角度編碼器的測角精度進行了檢測，其結果仍然具備較好的參考性。檢測結果如表2所示。

表2　光電角度編碼器測角精度的測試結果

將表2中的檢測結果δi代入式(7)和式(8)，獲得光電角度編碼器最終的測角精度σδ=0.7″< 1.0″，滿足設計指標要求。

5　結　論

本文根據星載激光通信終端對測角元件的功能需求及空間惡劣的工作環境展開專用型光電角度編碼器的設計。在通過一系列先進技術手段實現光電角度編碼器高精度、小體積、輕重量的基礎上，又采用了大量的特殊防護措施以應對空間惡劣的工作條件，保證光電角度編碼器的工作可靠性。最后，在室溫條件下對安裝在星載激光通信終端上的光電角度編碼器進行了測角精度檢測。地面檢測結果表明：該光電角度編碼器的測量精度約為0.7″，優于1.0″，滿足星載激光通信終端的設計指標要求。該編碼器系統的設計思路及裝配工藝滿足航天環境的應用需求，在一系列針對空間環境的特殊防護措施的輔助下，光電角度編碼器在地面常溫條件下的檢測精度具有較好的參考性。而激光通信終端設備在軌穩定運行及其捕獲、跟蹤、通信等功能的正常發揮，進一步證明了所設計光電角度編碼器的測角精度高、抗輻射能力強、工作可靠性高。

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韓旭東 (1975-)，男，山東博興人，研究員，1998年于長春理工大學獲得學士學位，2001年、2007于中科院長春光機所獲得碩士和博士學位，主要從事光電對抗技術的研究。E-mail: hanxd@ciomp.ac.cn

(本欄目編輯：曹金)

(版權所有未經許可不得轉載)

Absolute optical angle encoder used for laser communication terminal on satellite platform

HAN Xu-dong1*，XU Xin-hang1，LIU Chang-shun1，YU Si-yuan2

(1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;2.NationalKeyLaboratoryofTunableLaserTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)*Correspondingauthor,E-mail:hanxd@ciomp.ac.cn

To control precisely the 2D rotation stable of a laser communication terminal unit on the satellite platform, a special optical angle encoder was designed to measure the rotary angle of the 2D rotation stable to realize the close control of the terminal unit. The grating disk, index grating and a signal pick-up method were designed and chosen respectively on the basis of design requirements of angle measurement device in the laser communication terminal. An absolute type binary coding was combined with a high quality electronics dividing to implement 24 bit absolute angle measurement of the encoder, and a four quadrant matrix encoding was used to effectively reduce the radial size of encoder. Moreover, the parted reading head type indicating gratings were employed in the encoder to allow its volume and weight to be smaller and lighter than that of the whole glass grating disk. The angle measurement precision of an optical angle encoder mounted on the satellite borne laser communication terminal unit was tested and analyzed after finely manufacturing, assembling and adjusting at a indoor temperature. The results show that precision of the designed encoder is about 0.7″(is superior to 1.0″). The laser communication terminal unit on the satellite platform operates normally in orbit and completes capturing, tracking and communication of the signals, which verifies that the designed encoder is characterized by high precision, high resistance to radiation and high working reliability.

laser communication; optical angle encoder; absolute angle encoder; angle measurement; measurement precision

2015-06-04；

2015-08-01.

國家863高技術研究發展計劃資助項目(No.2011AA7031024G);吉林省自然科學基金資助項目(No.201115123)

1004-924X(2016)10-2424-08

TP212.12;TN929.1

Adoi:10.3788/OPE.20162410.2424