音圈电机快反镜简介

快速控制反射镜（Fast Steering Mirror，FSM），简称快速反射镜、快反镜，用于控制反射镜转动，使反射光束进行一维或二维的高精度、高速度的运动，从而实现光束在所需转角范围内的快速准确指向，广泛应用于激光制导、光电侦查、光电对抗、激光武器、空间探测、激光雷达、激光通信等领域，实现精密跟踪、稳瞄、稳像等。采用快反镜替代传统的框架结构，可改善系统的性能。上述领域通常要求快反镜具有较高的工作带宽、角分辨率、指向精度和转角范围，对系统的环境适应性等也有很高要求。

当前快反镜中主要根据驱动方式的不同分为压电陶瓷（PZT）驱动和音圈电机（VCM）驱动两大类。PZT驱动器的优点是结构简单、体积小、分辨率高、响应快、推力大、发热少、无杂散电磁场，缺点是其行程相对较小，只有几十微米，用于快反镜中无法实现较大转角范围。PZT还存在迟滞特性、耐低温性能差的缺点。基于PZT驱动的快反镜研究已经比较成熟，也有大量的产品得到应用。

音圈电机是基于洛伦兹力原理制造的一种驱动电机，其工作原理是通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例。通常由磁缸、线圈等组成，具有运动行程大、驱动电压低等优点。采用VCM驱动，可使快反镜系统转角范围大、承载能力强，且对振动、冲击等工作环境具有较强的适应性。在国防领域的系统中，大多采用音圈电机驱动的快反镜。

从上世纪90年代以来，随着音圈电机快反镜性能指标的不断提高，在很多领域得到了应用。

（1）激光武器 激光武器是未来现代战争中的重要武器，激光武器要对目标造成损伤，需要在一定的时间内持续地照射目标同一位置，这就要求较高的跟踪瞄准精度。同时，由于目标的移动、载体的平台振动、大气扰动等存在，系统需要具有较高的工作带宽，才能够准确锁定跟踪目标。已公开的资料中，美国的机载、舰载等激光武器都采用了快反镜作为激光光束指向控制的执行组件。激光武器系统中快反镜的一般具有较大的口径。

（2）空间激光通信 基于卫星平台的激光通信组网一直是研究的特点。激光通信中，捕获、跟踪和瞄准(APT)系统用于保证光束在目标运动和大气扰动的情况下始终对准，而快反镜是其中的关键部件，其需求特点是小口径、高带宽、转角范围小。

（3）光电稳定跟瞄 光电稳定跟瞄平台的功能为：跟踪并瞄准打击目标，如建筑物、飞行物等，被广泛应用于车载、舰载、机载、弹载以及各种航天设备中。要确保光电探测器在载体各种运动条件下仍然能够获得稳定清晰的图像，实现光电系统对目标的跟踪，快反镜是其中的关键。如美国F35战机的EOTS系统使用了快反镜作为精密跟踪执行器。

（4）像移补偿 用快反镜来补偿载位移，使成像系统在相机的曝光时间内使目标所成的像和成像探测器之间保持相对静止。例如基于红外面阵探测器的红外搜索成像系统，采用转台带动探测器以一定的速度匀速转动，为保证在红外面阵探测器积分时间内，探测器所成像的场景保持不变，快反镜反向匀速转动对平台转动进行像移补偿，最终探测器在积分时间之内完成当前视场的凝视成像。

（5）光学扫描 在空地武器所采用的激光主动成像制导导引头系统中，照明激光器发出的激光束经过扩束光学系统后，需要经过二维精密光学扫描系统的控制指向目标，从目标反射回来的光波信号由接收光学系统聚焦到焦平面上的探测器，探测器的输出信号经过高速数据采集与信号处理系统进行距离解算，生成目标的距离像和强度像，完成目标搜索和跟踪，进而实现准确制导。应用快反镜的二维光学扫描系统的性能决定了激光主动成像制导系统的搜索范围、扫描分辨率、扫描图像帧频等关键技术指标。

随着音圈电机快反镜的性能不断提高和技术的不断成熟，会越来越多的应用到各种领域中，提高现有系统的性能。未来音圈电机快反镜的主要发展方向有以下几个方面：

（1）大口径 在高能激光的应用中，为了提高激光束的光束质量，同时减小激光对反射镜面的损伤，快反镜的口径越来越大，美国ATA公司为机载反导激光武器的设计的快反镜镜面口径达到了300mm口径。随着激光武器的激光功率越来越高，对快反镜的口径需求会越来越高。口径的增大给快反镜的驱动器设计、柔性支撑设计等提出了更高要求。

（2）高工作带宽 快反镜的高工作带宽，能够使其快速的对控制信号做出响应，更加快速的到达指定位置，从而达到较高的稳像和指向速度，同时有效校正载体抖动和大气扰动带来的干扰。这些性能的提升也降低了应用快反镜的系统对精密转台的技术要求。美国当前研究的快反镜，小口径快反镜工作带宽在5kHz以上，大孔径快反镜工作带宽也达到了1kHz，且在进一步研究中对快反镜工作带宽提出更高要求，例如美国某项目提出了大口径快反镜5kHz工作带宽的研究目标。

（3）大转角范围 快反镜实现更大转角范围能够大幅度降低系统对精密转台的性能需求，也可以实现“一镜多功能”。美国LeftHand公司设计的100mm口径二维快反镜在其中一个方向上行程达到±10°，替代了激光制式武器上的激光雷达系统中原有的快反镜（FSM）和转向镜(CSM)组合，同时实现了扫描补偿和稳像的功能，从而降低了系统的重量、体积和复杂性。

（4）高指向精度 在激光空间通信、激光武器等领域中都对光束的指向精度提出了很高需求，因此对快反镜的指向精度，特别是长时间和宽温度范围内的指向精度提出了较高要求。