CN101344591B - 一种微型激光二维扫描测量系统 - Google Patents

Abstract

一种微型激光二维扫描测量系统属于激光测量技术领域，其特征在于：在微型二维扫描镜的基础上，构成了一个由激光器、该微型二维扫描镜、测距模块、测角模块以及控制器组成的一种用于测定被测目标距离、方位角、俯仰角的微型激光二维扫描系统，具有体积小、功耗低、扫描速率快、测量精度高的优点，其最大测量距离为10km，测距精度为3m，测角范围为20°×20°，测角精度为0.1°。

Description

一种微型激光二维扫描测量系统

技术领域

本发明涉及一种微型激光二维扫描测量系统，属于光机电一体化技术和MEMS技术(Micro-Electro-Mechanical System)领域。

背景技术

自主扫描是用于空间目标探测的关键技术，主要用于扫描探测空间某一区域中的目标航天器，并对其相对距离和相对方位进行测量。自主扫描技术可分为卫星本体扫描、吊舱跟踪扫描和反射镜二维空间扫描等方式，其中卫星本体扫描增加了卫星姿态控制的复杂性，吊舱跟踪扫描在重量、功耗和体积等方面相对较大，而反射镜二维空间扫描更适合于微小卫星的使用。

传统的反射镜扫描方式有转镜扫描和振镜扫描，多采用电机驱动。转镜扫描又称旋转多面体棱镜扫描，其工作原理为激光束投射到一个高速旋转的多面体棱镜上，多面体棱镜将入射的激光束反射并随其偏转进行扫描。这种扫描方式对多面体的加工精度要求高，光学部分调整复杂，扫描电机的均匀性要求严格，且存在半径差和塔形误差，影响了扫描精度。

振镜主要由电磁驱动部分和位置传感器两部分组成，振镜扫描的工作原理是通过控制反射镜的反射角度，从而达到激光束的偏转，并通过位置传感器反映振镜的偏转角度和扫描位置。扫描振镜的反射面绕中心轴摆动，不存在半径差和塔形误差，与多面转镜相比有较高的扫描精度。但是振镜的扫描驱动电路采用伺服系统，控制较为复杂，扫描频率偏低，并且体积和功耗相对较大。

目前，随着微机械和MEMS技术的发展，微反射镜扫描成为了一种新型的扫描方式，其基本原理是微反射镜镜面在静电力、电磁力、电热力、压电力或其它类型驱动力的作用下发生偏转，从而改变入射光的偏转角，实现对某一区域的扫描。微反射镜具有体积小、质量轻、功耗低、扫描速率快、测量精度高等特点，可取代传统的激光扫描机构，更加适用于微型卫星(质量小于20kg)和纳型/皮型卫星(质量小于10kg)。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型激光二维扫描测量系统，能够取代传统的激光扫描机构，实现对目标相对距离和方位的测量，具有体积小、功耗低、集成度高等优点。

本发明提供的一种微型激光二维扫描测量系统，如图1所示，其特征在于：所述微型激光二维扫描测量系统由激光器、微型二维扫描镜、测距模块、测角模块和控制器组成。所述激光器发射经信号调制后的连续波激光光束至所述微型二维扫描镜和所述测距模块；所述微型二维扫描镜在外加电压驱动下产生二维偏转，反射激光光束实现二维扫描，并能对二维偏转角进行测量和输出；所述测距模块接收所述激光器发射的光束和被目标反射的光束，对两路光束采用相位式测距法解算被测目标的相对距离并输出；所述测角模块对所述微型二维扫描镜的偏转角测量信号和所述测距模块的接收信号进行处理，解算被测目标的相对方位并输出；所述控制器是一个微处理器，对所述各个部分的工作状态进行指令控制，完成数据交换，提取并输出被测目标的相对距离和方位信息。

本发明的特征在于，该系统含有：激光器、微型二维扫描镜、测距模块、测角模块、以及由微处理器构成的控制器，其中：

激光器，设有控制信号输入端，与所述控制器的启动控制信号输出端相连，该激光器的输出是经信号调制后的连续波激光光束，该激光光束首先经过分光镜分为两个部分：透射部分经过反射镜后形成发射光束，反射部分经过所述微型二维扫描镜，对被测目标进行二维扫描，被被测目标反射回来的光束再次经过该微型二维扫描镜反射到所述分光镜，在透射该分光镜后形成反射光束；

激光二维扫描镜，由受所述控制器控制的压电陶瓷、与该压电陶瓷的侧向纵向粘贴的受激块、在该受激块上端向上的中央部位与所述受激块连成一体的柔性梁、与该柔性梁顶部连成一体的二维反射镜片、以及纵向的连接在该柔性梁上的压阻传感器组成，所述压阻传感器由从下到上连接在该柔性梁上的第一惠斯通电桥(B)和第二惠斯通电桥(T)组成，其中第一惠斯通电桥(B)，由R_B1、R_B2、R_B3、R_B4各电阻桥接而成，用于测量所述二维反射镜片绕x轴弯曲时的偏转角θ_B，所述x轴是指垂直于该柔性梁的方向，所述θ_B为：

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{1.45l\·V_B}{h\·E\·V_i},$

其中1为柔性梁的长度，单位为mm；h为柔性梁的厚度，单位为mm；E为作为柔性梁材质的硅的杨氏模量，单位为GPa；V_i为该第一惠斯通电桥(B)的输入电压，下同；V_B为该第一惠斯通电桥(B)的输出电压；第二惠斯通电桥(T)，由R_T1、R_T2、R_T3、R_T4各电阻桥接而成，用于测量所述二维反射镜片绕y轴扭曲时的偏转角θ_T，所述y轴是指该柔性梁的轴向，所述θ_T为：

${\mathrm{\θ}}_T=\frac{0.64\mathrm{\α}\·l\·V_T}{\mathrm{\β}\·b\·G\·V_i},$

其中b为柔性梁的宽度，单位为mm；G为硅的剪切模量，单位为GPa；α和β为该柔性梁的矩形横截面的扭转系数，为设定值；V_T为该第二惠斯通电桥(T)的输出电压；其中，R_B1、R_B2、R_B3、R_B4各电阻以及R_T1、R_T2、R_T3、R_T4各电阻分别满足以下关系式：

2kΩ≤R_B1＝R_B2＝R_B3＝R_B4≤2.5kΩ，

2kΩ≤R_T1＝R_T2＝R_T3＝R_T4≤2.5kΩ；

测距模块，含有：互相依从串接的第一光电传感器(A)、第一带通滤波器、第一混频器以及第一低通滤波器，依从串接的第二光电传感器(B)、第二带通滤波器、第二混频器以及第二低通滤波器，此外，还有一个受所述控制器控制的鉴相器，该鉴相器的两个输入端分别与所述第一低通滤波器、第二低通滤波器的输出端相连，所述第一光电传感器(A)的输入信号是所述的发射光束，所述第二光电传感器(B)的输入信号是所述的反射光束，所述鉴相器输出的是所述被测目标相对于该系统的距离D：

$D=\frac{c\·({\mathrm{\φ}}_B-{\mathrm{\φ}}_A)}{4\mathrm{\πf}},$

其中φ_A和φ_B分别为发射光束和反射光束的相位，c为光速，f为光束的调制频率；

测角模块，由依从串接的A/D转换器及预置有所述参数l、h、E、V_i、α、β、b、G的单片机组成，该A/D转换器的输入信号是所述第一惠斯通电桥(B)的输出电压V_B以及第二惠斯通电桥(T)的输出电压V_T，而该单片机设有两个输入端：一个是控制信号输入端，与所述控制器的控制信号输出端相连，另一个是所述反射光束的接收信号，与所述第二光电传感器(B)的输出端相连，所述单片机输被测目标的相对方位角ψ_B(t)＝2θ_B(t)，俯仰角ψ_T＝2θ_T(t)。

本发明的优点是：采用了基于MEMS技术的微型二维扫描镜，集成了激光测距模块，实现了扫描测量系统结构的微型化，能够对目标进行二维扫描，并采用了相位式激光测距法，具有测量目标相对距离和方位的功能。与传统的激光扫描机构相比，本发明有以下特点：1)系统采用一体化集成技术，具有对目标二维扫描测量的功能，具有体积小、功耗低、集成度高等优点；2)微型二维扫描镜采用MEMS技术，反射镜片能够在压电驱动下产生二维谐振，实现对激光光束的高速扫描；3)采用相位式激光测距法，通过对发射光束和反射光束的处理，能够实现目标相对距离的测量；4)微型二维扫描镜中集成了压阻传感器，能够对反射镜片的二维偏转角进行测量，根据接收到的反射光束信号，能够获得目标的相对方位。

附图说明

图1为微型激光二维扫描测量系统总体结构图；

图2为微型激光二维扫描测量系统光路设计原理图；

图3为微型二维扫描镜的结构示意图；

图4为压阻传感器设计示意图；

图5为压电传感器的惠斯顿电桥连接图；

图6为微型二维扫描镜与测角模块的设计原理图；

图7为测距模块的设计原理图。

具体实施方式

下面对本发明各部分的原理和设计分别加以具体说明。

1.系统工作原理及光路设计

激光光束的发射和接收通过光路设计来实现，如图2所示。激光器由控制模块启动工作，激光器的输出光束首先经过分光镜2分为两个部分，透射部分经过反射镜3后被光电传感器A接收，形成内光路。反射部分经过微型二维扫描镜1，对被测目标进行二维扫描，被目标物体反射回来的光束再次经过微型二维扫描镜1反射，并透射分光镜2后，被光电传感器B接收，形成探测光束出射和返回共轴的系统。测距模块将这两路激光光束进行对比，采用相位式测距法解算出目标的相对距离信息；并将该反射光束的接收信号发送至测角模块，根据反射光速接收的时间点所对应微型二维扫描镜1的偏转角，可以解算出目标的相对方位信息。

2.微型二维扫描镜及测角模块

图3所示为微型二维扫描镜1的整体结构，由二维反射镜片11、柔性梁15、受激块12和压电陶瓷13组成，其中受激块12与压电陶瓷13用环氧树脂粘结，二维反射镜片11与受激块12之间通过柔性梁连接。

微型二维扫描镜1的二维反射镜片11具有绕x轴弯曲和绕y轴扭转的两个自由度，并且两个方向的运动具有不同的谐振频率。当压电陶瓷13以绕x轴弯曲方向的谐振频率驱动二维反射镜片11时，二维反射镜片11将在绕x轴弯曲方向上产生谐振；当压电陶瓷13以绕y轴扭转方向的谐振频率驱动二维反射镜片11时，二维反射镜片11将在绕y轴扭转方向上产生谐振；当同时以两个运动方向上的谐振频率驱动二维反射镜片11时，二维反射镜片11将同时在绕x轴弯曲和绕y轴扭转的方向上产生谐振，实现大角度二维扫描，二维反射镜片11的两个转动角度均为10°，扫描光束可达到20°×20°的扫描范围，扫描频率为1帧/秒。

压电陶瓷13驱动二维反射镜片11产生转动，使得柔性梁15发生变形，柔性梁15上集成了压阻传感器14，如图图4所示。压阻传感器14采用如图5所示的惠斯顿电桥连接图，惠斯顿电桥电路B用于二维反射镜片11绕x轴弯曲偏转角θ_B的测量，作为测角信号的输出电压V_B与弯曲偏转角θ_B的关系用下式表示：

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{1.45l\·V_B}{h\·E\·V_i},$

其中1为柔性梁的长度，h为柔性梁的厚度，单位均为mm；E为硅的杨氏模量，单位为GPa；V_i为电桥的输入电压，与电桥输出电压V_B的单位均为V；弯曲偏转角θ_B的单位为rad；惠斯顿电桥电路T用于测量二维反射镜片绕y轴扭曲偏转角θ_T，作为测角信号的输出电压V_T与扭曲偏转角θ_T的关系式如下：

${\mathrm{\θ}}_T=\frac{0.64\mathrm{\α}\·l\·V_T}{\mathrm{\β}\·b\·G\·V_i},$

其中b为柔性梁的宽度，单位为mm；G为硅的剪切模量，单位为GPa；电桥输出电压V_T的单位为V；扭曲偏转角θ_T的单位为rad；α和β为矩形截面柔性梁的扭转系数设定值。

图6所示为微型二维扫描镜与测角模块的设计原理图。压电陶瓷驱动二维反射镜片产生转动，使得柔性梁发生变形，柔性梁上集成了压阻传感器，将柔性梁的变形转换为两个方向的测角信号，该测角信号经过A/D转换器转换为数字信号输出给单片机，单片机根据反射光束的接收信号所对应的时间点，读取该时刻的测量角度，解算出目标相对方位信息表示如下：

(ψ_B，ψ_T)＝2[θ_B(t)，θ_T(t)]，

其中ψ_B和ψ_T分别为目标的相对方位角和俯仰角，系统测角精度为0.1°。

3.激光器及测距模块

激光器采用铜壳封装的可调焦距的半导体点光源激光器，工作波长为650nm，功率为50mW。采用直接调制法对半导体激光器进行调制，将调制电压叠加在偏置电压上，使得注入电流随调制电压线性变化，从而使激光光强也随调制电压线性变化。半导体激光器采用15kHz的调制信号由激光调制电路驱动，发射强度为15kHz正弦变化的发射光束，经过系统光路和被测目标反射后，分别由光电传感器A和光电传感器B接收发射光束和反射光束。

图7所示为测距模块的设计原理图。两路光束的调制信号之间有一个带有距离信息的相位差，两个光电传感器分别将接收到的光信号转换为电信号，经由前置放大、隔直、带通滤波后，分别与某一频率的正弦波本振参考信号混频，再经由低通滤波后，产生了两个低频率且相位差保持不变的正弦信号。这两路正弦信号通过数据采集后进行鉴相，根据相位差换算出被测目标的相对距离信息表示如下：

$D=\frac{c\·({\mathrm{\φ}}_B-{\mathrm{\φ}}_A)}{4\mathrm{\πf}},$

其中φ_A和φ_B分别为发射光束和反射光束的相位，c为光束传播的速度，f为光束的调制频率。系统最大测量距离为10km，测距精度为3m。

Claims (1)

1.一种微型激光二维扫描测量系统，其特征在于，该系统含有：激光器、微型二维扫描镜、测距模块、测角模块、以及由微处理器构成的控制器，其中：

激光器，设有控制信号输入端，与所述控制器的启动控制信号输出端相连，该激光器的输出是经信号调制后的连续波激光光束，该激光光束首先经过分光镜分为两个部分：透射部分经过反射镜后形成发射光束，反射部分经过所述微型二维扫描镜，对被测目标进行二维扫描，被被测目标反射回来的光束再次经过该微型二维扫描镜反射到所述分光镜，在透射该分光镜后形成反射光束；

激光二维扫描镜，由受所述控制器控制的压电陶瓷、与该压电陶瓷的侧向纵向粘贴的受激块、在该受激块上端向上的中央部位与所述受激块连成一体的柔性梁、与该柔性梁顶部连成一体的二维反射镜片、以及纵向的连接在该柔性梁上的压阻传感器组成，所述压阻传感器由从下到上连接在该柔性梁上的第一惠斯通电桥(B)和第二惠斯通电桥(T)组成，其中第一惠斯通电桥(B)，由R_B1、R_B2、R_B3、R_B4各电阻桥接而成，用于测量所述二维反射镜片绕x轴弯曲时的偏转角θ_B，所述x轴是指垂直于该柔性梁的方向，所述θ_B为：

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{1.45l\·V_B}{h\·E\·V_i},$

其中1为柔性梁的长度，单位为mm；h为柔性梁的厚度，单位为mm；E为作为柔性梁材质的硅的杨氏模量，单位为GPa；V_i为该第一惠斯通电桥(B)的输入电压，下同；V_B为该第一惠斯通电桥(B)的输出电压；第二惠斯通电桥(T)，由R_T1、R_T2、R_T3、R_T4各电阻桥接而成，用于测量所述二维反射镜片绕y轴扭曲时的偏转角θ_T，所述y轴是指该柔性梁的轴向，所述θ_T为：

${\mathrm{\θ}}_T=\frac{0.64\mathrm{\α}\·l\·V_T}{\mathrm{\β}\·b\·G\·V_i},$

其中b为柔性梁的宽度，单位为mm；G为硅的剪切模量，单位为GPa；α和β为该柔性梁的矩形横截面的扭转系数，为设定值；V_T为该第二惠斯通电桥(T)的输出电压；其中，R_B1、R_B2、R_B3、R_B4各电阻以及R_T1、R_T2、R_T3、R_T4各电阻分别满足以下关系式：

2kΩ≤R_B1＝R_B2＝R_B3＝R_B4≤2.5kΩ，

2kΩ≤R_T1＝R_T2＝R_T3＝R_T4≤2.5kΩ；

测距模块，含有：互相依从串接的第一光电传感器(A)、第一带通滤波器、第一混频器以及第一低通滤波器，依从串接的第二光电传感器(B)、第二带通滤波器、第二混频器以及第二低通滤波器，此外，还有一个受所述控制器控制的鉴相器，该鉴相器的两个输入端分别与所述第一低通滤波器、第二低通滤波器的输出端相连，所述第一光电传感器(A)的输入信号是所述的发射光束，所述第二光电传感器(B)的输入信号是所述的反射光束，所述鉴相器输出的是所述被测目标相对于该系统的距离D：

$D=\frac{c\·({\mathrm{\φ}}_B-{\mathrm{\φ}}_A)}{4\mathrm{\πf}},$

其中φ_A和φ_B分别为发射光束和反射光束的相位，c为光速，f为光束的调制频率；

测角模块，由依从串接的A/D转换器及预置有所述参数l、h、E、V_i、α、β、b、G的单片机组成，该A/D转换器的输入信号是所述第一惠斯通电桥(B)的输出电压V_B以及第二惠斯通电桥(T)的输出电压V_T，而该单片机设有两个输入端：一个是控制信号输入端，与所述控制器的控制信号输出端相连，另一个是所述反射光束的接收信号，与所述第二光电传感器(B)的输出端相连，所述单片机输被测目标的相对方位角ψ_B(t)＝2θ_B(t)，俯仰角ψ_T＝2θ_T(t)。

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