CN102466883B - 一种月球车避障用激光点阵器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种月球车避障用激光点阵器，由激光器、电源电路、准直器、达曼光栅、反射镜、棱镜组组成，准直器、光栅、反射镜和棱镜组构成光学探头部，其中棱镜组由九个梯形调向棱镜组成，激光器由恒流源的电源电路进行驱动，激光器通过光纤将激光传输到光学探头部的准直器上进行准直，经过准直后的激光经过达曼光栅分路成九路光束，然后九路光束由反射镜进行转向，转向后的九路光束分别经过对应的九个梯形调向棱镜折射改变出射方向，最终形成激光点阵。本发明解决了传统光栅系统或棱镜组系统体积、重量较大，间距和能量不均匀等瓶颈问题，衍射效率＞72.5％。

Description

一种月球车避障用激光点阵器

技术领域

本发明涉及一种激光点阵器，尤其涉及一种月球车避障用激光点阵器，属于月球车设计领域。

背景技术

激光点阵器用于CE-3巡视器，出射激光在月表构成投影点阵为前避障像机提供特征标识，为巡视器GNC分系统导航任务服务。

激光点阵器由驱动线路盒与光栅组件构成，具体包括2只LD及驱动线路、2个准直器、2个反射镜、2个光栅镜头和2组小型化棱镜组组成。LD、电子线路和绕纤盘放于线路盒中，光栅组件与线路盒侧壁连接，光纤出口由侧壁伸出，激光经准直器、反射镜反射后进入光栅，再经过棱镜组出射，形成18束激光。目前国内外主要有以下设计四种方案：

(1)如图1所示，该激光器由200mw的LD1、LD2和50mw的LD3组成。LD1和LD2分别通过1×8光分束器Spilitter1和Spilitter2产生16束激光点阵。分光比为12.5％∶12.5％∶12.5％∶12.5％∶12.5％∶12.5％∶12.5％∶12.5％。LD3产生第17个点。准直器Collimator把光纤发出的光准直并以一定发散角发射。

(2)如图2所示，激光器由一只500mw的LD2和一只50mw的LD1组成。LD2通过1×8光分束器Spilitter3产生两束光，再由Spilitter1和Spilitter2产生16束激光点阵。LD1产生第17个点。准直器Collimator把光纤发出的光准直并以一定发散角发射。

(3)如图3所示，该方案由一只1W的LD和17个棱镜组成。将激光经光学系统变为Φ60的平行光，之后，照射在安有17个棱镜洞内，棱镜按照需要可以改变光的传播方向。

(4)如图4所示，该方案由200mw的LD1、LD2、两个准直器和两排棱镜阵列组成。棱镜为半透半反，形成18路激光出射。

其中方案(1)需用三只LD，两个光分束器，十七个准直器；方案(2)要求采用500mw的974nm激光器，目前采购困难；方案(3)效率较低(面积比)为17％，大功率器件采购困难，该方案很难实现，除非光点按圆型排列；方案(4)棱镜胶合面过多，抗力学能力差。以上方案共同缺点为：体积大，重量大，功耗高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种月球车避障用激光点阵器，体积小，发射能量均匀。

本发明的技术解决方案是：一种月球车避障用激光点阵器，由激光器、电源电路、准直器、达曼光栅、反射镜、棱镜组组成，准直器、光栅、反射镜和棱镜组构成光学探头部，其中棱镜组由九个梯形调向棱镜组成，激光器由恒流源的电源电路进行驱动，激光器通过光纤将激光传输到光学探头部的准直器上进行准直，经过准直后的激光经过达曼光栅分路成九路光束，然后九路光束由反射镜进行转向，转向后的九路光束分别经过对应的九个梯形调向棱镜折射改变出射方向，最终形成激光点阵，其中九个梯形调向棱镜的入射面与反射镜反射的光束垂直，出射面与入射面形成锲角夹角。

还包括温度控制电路用于保证激光器工作温度恒定，所述温度控制电路由分压电阻、热敏电阻、差模放大电路、功率驱动电路、场效应管、场效应管驱动电路、PID电路以及制冷器组成，热敏电阻用于对激光器内部温度进行测量，在制冷器与场效应管驱动电路之间安装场效应管，热平衡时，制冷器控制热敏电阻的阻值，使热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt相等，PID电路输出恒定的电压值，经过功率驱动电路和场效应管驱动电路后使致冷器工作在一恒定的电流，用于补偿激光器注入电流引起的温度升高，使激光器温度保持恒定；当热敏电阻探测到激光器温度升高时，热敏电阻阻值下降，热敏电阻两端的电压V1变小，热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt间产生误差信号(Vt-V1)，该误差信号(Vt-V1)经差模放大电路放大后通过PID电路使致冷器两端电压稳定上升，制冷器电流增大，从而使温度下降，制冷器电阻阻值升高直至热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt相等，激光器恢复到正常的温度；同理，当热敏电阻探测到激光器温度下降时，热敏电阻阻值上升，热敏电阻两端的电压V1变大，热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt间产生误差信号(Vt-V1)，该误差信号(Vt-V1)经差模放大电路放大后通过PID电路使致冷器两端电压稳定下降，制冷器电流减小，从而使温度升高，制冷器电阻阻值降低直至热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt相等，激光器恢复到正常的温度。

所述达曼光栅为3点对周期为9.4μm，相位为π的光栅，达曼光栅的刻蚀台阶上下的相位差为台阶深度为e，满足

式中n为光在玻璃中的折射率；λ为入射波波长。

所述棱镜组采用JGS1石英玻璃。

所述九个梯形调向棱镜中第一个梯形调向棱镜至第九个梯形调向棱镜的反射面与入射面之间的锲角依次为34.67°、29.78°、20.32°、4.69°、13.40°、26.82°、34.25°、37.92°、39.65°。

所述九个梯形调向棱镜中第一个梯形调向棱镜至第九个梯形调向棱镜的反射面与入射面之间的锲角依次为39.23°、36.68°、31.04°、19.31°、0°、19.31°、31.04°、36.68°、39.23°。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的光栅组件由光栅、棱镜组、反射镜和准直器构成，解决了传统光栅系统或棱镜组系统体积、重量较大，间距和能量不均匀等瓶颈问题；为了降低光栅加工精度，减小点阵器纵向体积，激光进入光栅形成9路激光点后，采用反射镜使得激光束转向进入棱镜组；光栅设计成3点对周期为9.4μm，生成从0到i4级共9个光点，衍射效率＞72.5％。由于加工工艺的限制，栅距较大，各级光的衍射角度较小，实现2m的点阵长度。以上设计充分结合各个部件的优势特性，保证激光通过光学系统形成所需的两排激光点阵，并且最小化重量体积。经过室外能量验证、系统仿月面联试、高低温试验和力学试验等验证，本发明设计的激光点阵器满足CE-3巡视器要求，并且该方案在地面成像式巡视器或火星探测器的巡视器具有很强的推广使用前景，可以直接移植满足要求。

附图说明

图1为现有技术中第一种方案的结构组成图；

图2为现有技术中第二种方案的结构组成图；

图3为现有技术中第三种方案的结构组成图；

图4为现有技术中第四种方案的结构组成图；

图5为本发明的系统组成图；

图6为达曼光栅的结构示意图；

图7为本发明激光器的安装示意图；

图8为本发明产生的两列激光点阵图；

图9为本发明温度控制电路系统组成图；

图10为本发明一种棱镜组中间位置的棱镜结构图；

图11为本发明一种棱镜组中与图10所示棱镜相邻的两个棱镜的结构图；

图12为本发明一种棱镜组中与图11所示棱镜相邻的两个棱镜的结构图；

图13为本发明一种棱镜组中与图12所示棱镜相邻的两个棱镜的结构图；

图14为本发明一种棱镜组中与图13所示棱镜相邻的两个棱镜的结构图；

具体实施方式

如图5所示，激光点阵器由线路盒和光栅组件两大部分组成，它们通过光纤熔接使光路导通。线路盒包括：激光器、电源电路和温度控制电路。光栅组件由两个光栅镜头组成，每一光栅组件分别包括：准直器、反射镜、光栅、棱镜组、基准镜。电源电路为二次电源，星上一次5.5V电源，经过过压保护、滤波并经过压降为0.4V左右的二极管后形成二次电源，二次电源分别驱动两路激光器，同时二次电源并为激光器温度控制电路提供电流，使得温度控制电路能够正常工作。在电源电路与温度控制电路正常工作的条件下试激光器能够稳定工作，并保证一定的输出功率稳定度。电源电路采用恒定电流控制，以CWD为核心的恒流控制网络，对于所要检测的输出光功率，可以通过检测电流的方式去检测，恒流控制用于稳定激光器平均光输出，不需要监控。而温度控制电路则是由以TEC为核心、ATW为辅的电路网络，其作用是实时监测激光器内部温度，在检测到激光器内部温度之后并在一定的温度范围内对激光器进行温度调节，在保证总功耗的条件下保证整套电路安全、稳定、持续的工作。最终目的是保证两路激光器在满足整机功耗的条件下，输出功率稳定度在温控范围内满足指标要求。

如图7所示，线路盒左侧与光栅组件右侧通过机械固定连接，仅有两端光纤传过，通过熔接导通。在线路盒中，激光器经过电源电路恒流驱动，同时由温控电路保证其工作温度和光功率输出。激光器的尾纤经过绕纤柱盘绕，使光稳定输出，进入光栅组件的准直器，为减小重量，尾纤缠绕方式用铝制绕纤柱替代通常的塑料绕纤盘。光路经过准直器校正，发散角到达要求后进入达曼光栅，激光经过达曼光栅后变为9路光束，然后由反射镜转向，转向后的九路光束分别经过对应的棱镜折射改变出射方向，最终在水平距离750mm(910mm)处形成宽2m的激光点阵两排，如图8所示。

激光器选用LC96AH74-20R型号的尾纤封装激光二极管，中心波长为974nm，功率为400mW。激光器放在激光点阵器线路盒内，在线路盒内，光纤末端采用直接输出，需将光纤盘圆，直径大于激光器尾纤盘圆后，其稳定性满足任务要求。

温度控制电路如图9所示，温度控制电路用于保证激光器工作温度恒定，所述温度控制电路由分压电阻、热敏电阻、差模放大电路、功率驱动电路、场效应管、场效应管驱动电路、PID电路以及制冷器组成，热敏电阻用于对激光器内部温度进行测量，在制冷器与场效应管驱动电路之间安装场效应管，热平衡时，制冷器控制热敏电阻的阻值，使热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt相等，PID电路输出恒定的电压值，经过功率驱动电路和场效应管驱动电路后使致冷器工作在一恒定的电流，用于补偿激光器注入电流引起的温度升高，使激光器温度保持恒定；当热敏电阻探测到激光器温度升高时，热敏电阻阻值下降，热敏电阻两端的电压V1变小，热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt间产生误差信号(Vt-V1)，该误差信号(Vt-V1)经差模放大电路放大后通过PID电路使致冷器两端电压稳定上升，制冷器电流增大，从而使温度下降，制冷器电阻阻值升高直至热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt相等，激光器恢复到正常的温度；同理，当热敏电阻探测到激光器温度下降时，热敏电阻阻值上升，热敏电阻两端的电压V1变大，热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt间产生误差信号(Vt-V1)，该误差信号(Vt-V1)经差模放大电路放大后通过PID电路使致冷器两端电压稳定下降，制冷器电流减小，从而使温度升高，制冷器电阻阻值降低直至热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt相等，激光器恢复到正常的温度。温度控制基于热敏电阻对激光器温度的探测，不同的热敏电阻对温度有不同的阻值温度对应关系，因而只有当激光器内部的热敏电阻特性符合下表要求时，本驱动源才能正常显示其内部温度和进行温度控制。

随着激光器的逐渐老化，其输出功率会随着其使用时间的增加而逐渐下降，因此可采用自动功率控制电路来保持其输出功率的恒定。通过使参考电流与光电流相等的方法来对激光器进行校准，这使得能够对光电流的瞬间变化进行检测，参考电流与光电流之间的偏差被转换成误差信号，并施加至激光器驱动器的偏压输入端，驱动器随后将增加激光器的偏置电流，直到误差信号减小至零为止。自动功率控制电路用于稳定激光器平均光输出，为了对激光器实施控制，在反馈通路上采用光电管监视器，构成一个对于激光器的闭环控制系统。

为了降低光栅的加工难度，在同样的加工条件下提高点阵光强的均匀性，在保证外壳尺寸不变的情况下对光路作出部分调整，使光从光栅到棱镜组之间的距离增大，从而使光栅的周期加大。光栅设计成3点对周期为9.392μm，相位

，生成从0到±4级共9个光点，理想情况下点对描述如表1所示，光栅3点对周期设计说明：1点对周期数与出射激光数不是线性对应关系，9点激光出射仅需3点对周期设计；设计目的主要优化各激光点能量，调整各点间距，否则能量主要集中在0级点附近，表1中的a、b表示刻蚀台阶突变点位置。

	1	2	3
				a	0	1.2088	4.2894
b	0.6265	2.6852	5.5498

表1达曼光栅理想点对描述

衍射效率为72.5％，各点光强不均匀性低于千分之一。

考虑到加工工艺的限制，目前实际能够保证的线宽精度为0.1μm。则实际周期为9.4μm，上述点对实际值如表2所示：

	1	2	3
				a	0	1.21	4.29
b	0.63	2.69	5.55

表2达曼光栅实际点对描述

由于设计相位角为

，即刻蚀的台阶上下的相位差为

，设台阶深度为e，则，

$(\mathrm{ne}-e)\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}=\mathrm{\π}---\left(1\right)$

式中n为光在玻璃中的折射率1.7774，λ为波长0.974μm，代入上式可以求出刻蚀深度为0.63μm。图6为达曼光栅的刻蚀示意图，标注单位为μm，图中画出了两个光栅周期结构，周期内微结构的宽度和刻蚀深度。

本发明设计的棱镜组的各棱镜的结构如图10-14所示，该棱镜组以中间位置棱镜为中心，其余八个棱镜以中间的直角棱镜为中心对称分布，相对称的两个棱镜尺寸、锲角相同，如图10-14所示，各棱镜的上表面与入射光线垂直，折射发生在下表面，依据各几何量以及熔石英在该波长下的折射率(1.4507498)，可以计算出各棱镜的锲角，锲角指棱镜入射面与出射面之间的夹角，如表3所示。

级次	0	±1	±2	±3	±4
						锲角	0°	19.31°	31.04°	36.68°	39.23°

表3棱镜组设计锲角(用于产生前方0.75m处的前排光点)

同理可以得到另外一种棱镜组(用于产生前方0.91m处的前排光点)各棱镜锲角(负角表示与正角倾斜方向相反)，如表4所示。

级次	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4
										锲角	34.67°	29.78°	20.32°	4.69°	13.40°	26.82°	34.25°	37.92°	39.65°

表4前排棱镜组设计锲角

折射后各光点距离对应零级光的长度如表4，则正好形成总长为2米的点阵。

级次	±1	±2	±3	±4
					距离	0.25	0.50	0.75	1.00

表4折射后各光点距离对应零级光的长度

两套点阵投射装置分别安装在独立的盒子里，上面一个负责投射光点到前方0.75米处(后排)，下面一个盒子负责投射光点到前方0.91米处(前排)。基准镜安装在上点阵器盒的盖板上。准直器外形为直径3.5mm的圆柱体，准直器座与准直器的接触部分也做成直径3.5mm的半圆柱面，上面用铝制准直器压板压牢，压板与准直器接触的部分也做成直径为3.5mm的弧形。反射镜座上铣有一个与反射镜轮廓相同的槽，用于定位反射镜，使用一个反射镜压块将反射镜压牢。棱镜组放置于定位板上，该定位板厚2mm，按照棱镜的轮廓线切割而成，对棱镜起限位作用，棱镜组上方采用压板压牢。

确定激光点阵器中心波长为974波段，光谱线宽为0.2nm，额定功率为400mW；存储温度：-40℃～+75℃。封装形式是金属封装，具有抗辐照功能，可以抗100KRad辐照，热膨胀系数小等特点。经过两轮5套产品的研制，确认实现技术指标如下：在整机重量为815g，整机功耗小于3W，中心波长974nm，体积宽度≤60mm的前提下实现短距离大角度多点激光出射技术，在高度721mm、纵向距离750mm条件下，完成横向2m的18点激光出射；激光点分布如图7所示所示。各点光功率为：10.5、9.5、7.5、9.0、13.0、10.5、10.7、9.5、6.5、7.0、9.7、9.0、10.0、12.0、8.2、7.7、7.4、6.9mW。在0.9太阳常数的太阳光下成像，激光标志点成像清晰，与阳光背景最小有2.5倍差值，保证在月表能构成特征标识。点阵器通过CE-3鉴定级力学试验，在抗力学设计上满足使用需求。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种月球车避障用激光点阵器，其特征在于：由激光器、电源电路、准直器、达曼光栅、反射镜、棱镜组组成，准直器、达曼光栅、反射镜和棱镜组构成光学探头部，其中棱镜组由九个梯形调向棱镜组成，激光器由恒流源的电源电路进行驱动，激光器通过光纤将激光传输到光学探头部的准直器上进行准直，经过准直后的激光经过达曼光栅分路成九路光束，然后九路光束由反射镜进行转向，转向后的九路光束分别经过对应的九个梯形调向棱镜折射改变出射方向，最终形成激光点阵，其中九个梯形调向棱镜的入射面与反射镜反射的光束垂直，出射面与入射面形成锲角夹角；

所述达曼光栅为3点对周期为9.4μm，相位为π的光栅，达曼光栅的刻蚀台阶上下的相位差为π，台阶深度为e，满足

式中n为光在玻璃中的折射率；λ为入射波波长。

2.根据权利要求1所述的一种月球车避障用激光点阵器，其特征在于：还包括温度控制电路用于保证激光器工作温度恒定，所述温度控制电路由分压电阻、热敏电阻、差模放大电路、功率驱动电路、场效应管、场效应管驱动电路、PID电路以及制冷器组成，热敏电阻用于对激光器内部温度进行测量，在制冷器与场效应管驱动电路之间安装场效应管，热平衡时，制冷器控制热敏电阻的阻值，使热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt相等，PID电路输出恒定的电压值，经过功率驱动电路和场效应管驱动电路后使致冷器工作在一恒定的电流，用于补偿激光器注入电流引起的温度升高，使激光器温度保持恒定；当热敏电阻探测到激光器温度升高时，热敏电阻阻值下降，热敏电阻两端的电压V1变小，热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt间产生误差信号(Vt-V1)，该误差信号(Vt-V1)经差模放大电路放大后通过PID电路使致冷器两端电压稳定上升，制冷器电流增大，从而使温度下降，制冷器电阻阻值升高直至热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt相等，激光器恢复到正常的温度；同理，当热敏电阻探测到激光器温度下降时，热敏电阻阻值上升，热敏电阻两端的电压V1变大，热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt间产生误差信号(Vt-V1)，该误差信号(Vt-V1)经差模放大电路放大后通过PID电路使致冷器两端电压稳定下降，制冷器电流减小，从而使温度升高，制冷器电阻阻值降低直至热敏电阻两端的电压V1与输入电压Vt相等，激光器恢复到正常的温度。

3.根据权利要求1所述的一种月球车避障用激光点阵器，其特征在于：所述棱镜组采用JGS1石英玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种月球车避障用激光点阵器，其特征在于：所述九个梯形调向棱镜中第一个梯形调向棱镜至第九个梯形调向棱镜的反射面与入射面之间的锲角依次为34.67°、29.78°、20.32°、4.69°、13.40°、26.82°、34.25°、37.92°、39.65°。

5.根据权利要求1所述的一种月球车避障用激光点阵器，其特征在于：所述九个梯形调向棱镜中第一个梯形调向棱镜至第九个梯形调向棱镜的反射面与入射面之间的锲角依次为39.23°、36.68°、31.04°、19.31°、0°、19.31°、31.04°、36.68°、39.23°。

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