CN103018734A - 一种三波束测速激光雷达准直器的夹持装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三波束测速激光雷达准直器的夹持装置，该装置由三部分组成：（1）准直器安装件，为固定准直器的关键器件，通过螺丝将准直器固定于安装件上，并将安装件固定于三叉基座上，同时由于三个准直器安装件固定于三叉基座上的角度可调，可使三个准直器互成一定角度并且保证三准直器的反向延长线交于一点；（2）三叉基座，为该装置的主体部分，由三个互成120度的平面构成，为准直器的固定提供了角度基础和依托；（3）连接架，其作用是通过螺丝、螺母将准直器夹持装置固定到车体。本发明的准直器夹持装置，就是将三个准直器固定，并使其互成一定的角度，从而满足解调算法的要求，减小振动误差从而提高测速精度。

Description

一种三波束测速激光雷达准直器的夹持装置

技术领域

本发明涉及一种三波束测速激光雷达准直器的固定装置，属于多普勒激光测速雷达和机械设计领域。

背景技术

激光雷达是以激光波束为信息载体的雷达。激光雷达不仅可以精确测距，而且还能精确测速、精确跟踪和高分辨率成像。激光雷达的应用场合非常广泛，可用于军事、航天和工业生产等多个领域。

多普勒测速激光雷达是以光学多普勒效应为基础的一种激光雷达，可以用来测量液体、气体的流动速度或固体目标的运动速度，在科学和工业技术中有非常广泛的应用。

多普勒测速激光雷达采用主动探测方式，系统发射一定波形的激光照射到被测目标上，通过对被测目标反射或散射的回波信号进行检测，获得被测目标的速度信息。多普勒测速激光雷达的探测形式可分为直接探测和相干探测两种。三波束测速激光雷达是在相干多普勒测速激光雷达的基础上发展而来的。

在三波束测速激光雷达中，由激光器发出的激光经耦合器A后，一分为二，产生两束激光。其中光束1作为信号光，经耦合器B后，一分为三。三束激光在分别经环行器A、B、C分别进入准直器A、B、C并射出。光束2作为本振光，经耦合器C后，一分为三，分别进入二合一耦合器D、E、F。当出射光遇到运动着的物体，会发生光学多普勒效应，并发生反射，反射回的激光分别被三个准直器接收。接收到的反射光分别经环行器进入耦合器D、E、F。

此时，本振光与发生多普勒频移的回射光分别在耦合器D、E、F进行混频，并由光探测器将混频后的光信号转换为电信号。然后对该信号进行A/D转换，并由DSP对该信号进行处理并解调出速度信息。最后，由显示器显示该速度信息。

发明内容

本发明的目的是为了解决按照一定角度固定三波束测速激光雷达的三个准直器的问题，提出一种三波束测速激光雷达准直器的夹持装置。

一种三波束测速激光雷达的准直器夹持装置，包括第一准直器安装件、第二准直器安装件、第三准直器安装件、三叉基座和连接架；

第一准直器安装件、第二准直器安装件、第三准直器安装件分别用于固定安装第一准直器、第二准直器、第三准直器；第一准直器安装件、第二准直器安装件、第三准直器安装件分别固定在三叉基座的三个平面上，第一准直器安装件、第二准直器安装件、第三准直器安装件内部固定的三个准直器的反向延长线交于一点；三叉基座由三个互成120度的平面构成，连接架固定连接在三叉基座上，通过连接架将夹持装置固定在车体下方。

本发明的优点在于：

三个准直器按照要求的角度固定在一起，这样即可满足速度解调算法对准直器互成角度的要求而使解调算法简化，又可减少由于振动而引起的测速误差，从而提高测速精度。

附图说明

图1是本发明三波束测速激光雷达夹持装置的架构图；

图2是准直器安装件的结构图；

图3是三叉基座的正面结构图；

图4是三叉基座的底面结构图；

图5是连接架结构图；

图6准直器安装件安装角度示意图。

图中：

101—第一准直器安装件     102—第二准直器安装件    103—第三准直器安装件

104—后面板               105—前面板              106—上面板

107—第一通孔             108—第二通孔            109—第三通孔

110—调节螺母

2—三叉基座               3—连接架

201—第一扇面             202—第二扇面            203—第三扇面

204—端面A          205—端面B            206—端面C

207—端面D          208—端面E            209—端面F

210—螺纹通孔A      211—螺纹通孔B        212—螺纹通孔C

213—下表面         214—螺纹孔           215—凹槽A

216—凹槽B          217—凹槽C            218—上表面

301—连接架通孔A    302—连接架通孔B

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种三波束测速激光雷达的准直器夹持装置，如图1所示，包括第一准直器安装件101、第二准直器安装件102、第三准直器安装件103、三叉基座2和连接架3。

第一准直器安装件101、第二准直器安装件102、第三准直器安装件103的结构相同，以第一准直器安装件101为例，第一准直器安装件101如图2所示，设有后面板104、前面板105和上面板106。后面板104、前面板105均与上面板106垂直，后面板104与前面板105平行。后面板104上设有第一通孔107，前面板105上设有第二通孔108，第二通孔108为螺纹通孔，上面板106上设有第三通孔109；

第一准直器穿过第一准直器安装件101的第三通孔106，调节螺母110穿过第一准直器安装件101的第二通孔105，通过调节螺母110将第一准直器固定在第一准直器安装件101的第三通孔106中；第二准直器和第三准直器分别固定安装在第二准直器安装件102和第三准直器安装件103上，其中，第二准直器穿过第二准直器安装件102的第三通孔106，调节螺母110穿过第二准直器安装件102的第二通孔105，通过调节螺母110将第二准直器固定在第二准直器安装件102的第三通孔106中；第三准直器穿过第三准直器安装件103的第三通孔106，调节螺母110穿过第三准直器安装件103的第二通孔105，通过调节螺母110将第三准直器固定在第三准直器安装件103的第三通孔106中；

第一准直器安装件101、第二准直器安装件102、第三准直器安装件103内部固定的三个准直器的反向延长线交于一点。

如图3、图4所示，三叉基座2设有三个扇面，分别为第一扇面201、第二扇面202和第三扇面203；第一扇面201、第二扇面202、第三扇面203两两之间互成120度；三叉基座2的上表面218与下表面213分别设有一个螺纹孔214。

第一扇面201有两个端面，分别为端面A204和端面B205，第二扇面202有两个端面，分别为端面C206和端面D207，第三扇面203有两个端面，分别为端面E208和端面F209。第一扇面201的端面A204与第三扇面203的端面F209相对，第二扇面202的端面D207与第三扇面203的端面E208相对。

第一扇面201上设有螺纹通孔A210，第二扇面202上设有螺纹通孔B211，第三扇面203上设有螺纹通孔C212。第一扇面201与连接件213之间设有凹槽A215，第二扇面202与连接件213之间设有凹槽B216，第三扇面203与连接件213之间设有凹槽C217。

调节螺母110穿过第一准直器安装件101的第一通孔107与第一扇面201的螺纹通孔A210，将第一准直器安装件101固定在第一扇面201的端面A204上，调节螺母110穿过第二准直器安装件102的第一通孔107与第二扇面202的螺纹通孔B211，将第二准直器安装件102固定在第二扇面202的端面D207上，调节螺母110穿过第三准直器安装件103的第一通孔107与第三准直器安装件103的螺纹通孔C212，将第三准直器安装件103固定在第三扇面203的端面E208上。

第一准直器安装件101、第二准直器安装件102、第三准直器安装件103的固定角度，根据速度解调方法确定。

第一扇面201的凹槽A215、第二扇面202的凹槽B216和第三扇面203的凹槽C217用于绕制第一准直器、第二准直器和第三准直器的尾纤环。

如图5所示，连接架3上设有连接架通孔A301和连接架通孔B302；

调节螺母110穿过连接架通孔B302，将连接架3与三叉基座2的螺纹孔214固定，则连接架3固定于三叉基座2上，通过连接架通孔A301，将整个准直器夹持装置水平固定于车体下方。

本发明设计的一种三波束测速激光雷达准直器的夹持装置，通过将三个准直器按照指定角度固定在一起，并水平安装在车体下部，从而简化了解调算法，减小了测速误差，提高了测速精度。

如图6所示，夹持装置安装在车底，X轴、Y轴平行水平面，夹持装置运动方向为X轴，Z轴为铅直向下。

所述的固定角度是指准直器安装件与水平面所成的角度α_i,i＝1,2,3。第一准直器安装件101、第二准直器安装件102、第三准直器安装件103分别固定在三叉基座2上，第一准直器、第二准直器、第三准直器位于第一准直器安装件101、第二准直器安装件102、第三准直器安装件103内部，第一准直器、第二准直器、第三准直器发出的波束分别为第一波束、第二波束、第三波束，第一波束、第二波束、第三波束与水平面的夹角分别为α₁、α₂、α₃，准直器安装件与竖直方向Z轴的夹角θ_i,i＝1,2,3，第一波束、第二波束、第三波束与竖直方向Z轴的夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃。θ_i为通过速度解调方法获得。

所述的速度解调方法为：

如图6所示，以车体的重心为原点，建立直角坐标系(x,y,z)和球坐标系

（这是两个坐标系，它们的原点相同，都是以车体的重心为原点，r即为光速从原点传输的到地面的距离，r是表达坐标系的一种方式，无需特别说明r的含义。）

波束与z轴的夹角θ_i,i＝1,2,3（第一波束、第二波束、第三波束与竖直方向Z轴的夹角分别为θ₁、θ₂、θ₃），波束的水平旋转角

（第一波束、第二波束、第三波束水平旋转角分别为

）。

其中，θ₁,θ₂,θ₃和

的取值范围为[0,Pi/2]，

的取值范围为[0,-Pi/2]，

的取值范围为[Pi/2,Pi]。

则第i波束的方向可以用单位矢量表示为：

其中，

为第i个波束的单位矢量，

为x轴方向的单位矢量，

为y轴方向单位矢量，为z轴方向单位矢量。

另一方面，雷达载体的速度矢量为：

$\stackrel{\→}{V}={\stackrel{\→}{V}}_x+{\stackrel{\→}{V}}_y+{\stackrel{\→}{V}}_z=V_x{\stackrel{\→}{e}}_x+V_y{\stackrel{\→}{e}}_y+V_z{\stackrel{\→}{e}}_z---\left(2\right)$

其中，

为载体的合速度矢量，

为x轴速度矢量，

为y轴速度矢量，

为z轴速度矢量，V_x为x轴方向的速度大小，V_y为y轴方向的速度大小，V_z为z轴方向速度大小。

根据多普勒效应，假设雷达载体为处于正姿态情况下，即无俯仰、无轴旋转，则对应于第i波束的多普勒频移为：

（3）

其中，λ为激光光波波长，

c_i＝cosθ_i，则根据样机（样机指的是三波束激光测速雷达）测得的三个多普勒频移，可以建立以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1=\frac{2}{\mathrm{\λ}}\stackrel{\→}{V}\·{\stackrel{\→}{A}}_1=\frac{2}{\mathrm{\λ}}(a_1{V}_x+b_1{V}_y+c_1{V}_z)\\ f_2=\frac{2}{\mathrm{\λ}}\stackrel{\→}{V}\·{\stackrel{\→}{A}}_2=\frac{2}{\mathrm{\λ}}(a_2{V}_x+b_2{V}_y+c_2{V}_z)\\ f_3=\frac{2}{\mathrm{\λ}}\stackrel{\→}{V}\·{\stackrel{\→}{A}}_3=\frac{2}{\mathrm{\λ}}(a_3{V}_x+b_3{V}_y+c_3{V}_z)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，f₁f₂f₃分别表示的是对应的三个波束所产生的多普勒频移。求解以上方程组，即可求的速度矢量的三个分量值的表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_x=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{(b_3{c}_2-b_2{c}_3)f_1+(b_1{c}_3-b_3{c}_1)f_2+(b_2{c}_1-b_1{c}_2)f_3}{D}\\ V_y=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{(a_3{c}_2-a_2{c}_3)f_1+(a_1{c}_3-a_3{c}_1)f_2+(a_2{c}_1-a_1{c}_2)f_3}{D}\\ V_z=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\frac{(b_3{a}_2-b_2{a}_3)f_1+(b_1{a}_3-b_3{a}_1)f_2+(b_2{a}_1-b_1{a}_2)f_3}{D}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，D＝a₃(-b₂c₁+b₁c₂)+a₂(b₃c₁-b₁c₃)+a₁(-b₃c₂+b₂c₃)。

由上述分析可知，对上述测速公式，最重要的参数是θ_i,i＝1,2,3和准直器安装件就是通过以一定角度α_i,i＝1,2,3固定在三叉基座上从而得到比较容易计算的θ_i,i＝1,2,3，例如θ_i=60度或90度，而使测速算法得到简化。

本发明中通过连接架3将该夹持装置固定于车体底部，完成准直器的安装；随着车体的运动，从准直器出射的激光遇到物体后产生多普勒频移，并发生反射和散射，准直器接收到该激光，再经环行器分别进入耦合器且与本振光发生混频，该混频信号由探测器接收并将光信号转换为电信号，FPGA采集到该电信号，将信号传给DSP，并由DSP通过速度解调算法对电信号进行解调，计算出车体相对于地面的空间速度，最后由显示器分别显示出三个坐标轴的分速度和合成的空间速度。

在本发明中，准直器安装件按照要求角度固定于三叉基座上，从而满足了解调算法对三准直器角度的要求，这简化了解调算法；连接架可将该装置水平固定于车体底部；本夹持装置不仅简化了解调算法而且也减小了测速误差提高了测速精度。

Claims (6)

1.一种三波束测速激光雷达的准直器夹持装置，包括第一准直器安装件、第二准直器安装件、第三准直器安装件、三叉基座和连接架；

第一准直器安装件、第二准直器安装件、第三准直器安装件分别用于固定安装第一准直器、第二准直器、第三准直器；第一准直器安装件、第二准直器安装件、第三准直器安装件分别固定在三叉基座的三个平面上，第一准直器安装件、第二准直器安装件、第三准直器安装件内部固定的三个准直器的反向延长线交于一点；三叉基座由三个互成120度的平面构成，连接架固定连接在三叉基座上，通过连接架将夹持装置固定在车体下方。

2.根据权利要求1所述的一种三波束测速激光雷达的准直器夹持装置，所述的第一准直器安装件、第二准直器安装件、第三准直器安装件的结构相同，以第一准直器安装件为例，第一准直器安装件设有后面板、前面板和上面板；后面板、前面板均与上面板垂直，后面板与前面板平行；后面板上设有第一通孔，前面板上设有第二通孔，第二通孔为螺纹通孔，上面板上设有第三通孔；

第一准直器穿过第一准直器安装件的第三通孔，调节螺母穿过第一准直器安装件的第二通孔，通过调节螺母将第一准直器固定在第一准直器安装件的第三通孔中；第二准直器和第三准直器分别固定安装在第二准直器安装件和第三准直器安装件上，其中，第二准直器穿过第二准直器安装件的第三通孔，调节螺母穿过第二准直器安装件的第二通孔，通过调节螺母将第二准直器固定在第二准直器安装件的第三通孔中；第三准直器穿过第三准直器安装件的第三通孔，调节螺母穿过第三准直器安装件的第二通孔，通过调节螺母将第三准直器固定在第三准直器安装件的第三通孔中。

3.根据权利要求1所述的一种三波束测速激光雷达的准直器夹持装置，所述的三叉基座设有三个扇面，分别为第一扇面、第二扇面和第三扇面；第一扇面、第二扇面、第三扇面两两之间互成120度；三叉基座的上表面与下表面分别设有一个螺纹孔；

第一扇面有两个端面，分别为端面A和端面B，第二扇面有两个端面，分别为端面C和端面D，第三扇面有两个端面，分别为端面E和端面F；第一扇面的端面A与第三扇面的端面F相对，第二扇面的端面D与第三扇面的端面E相对；

第一扇面上设有螺纹通孔A，第二扇面上设有螺纹通孔B，第三扇面上设有螺纹通孔C；第一扇面与连接件之间设有凹槽A，第二扇面与连接件之间设有凹槽B，第三扇面与连接件之间设有凹槽C；

调节螺母穿过第一准直器安装件的第一通孔与第一扇面的螺纹通孔A，将第一准直器安装件固定在第一扇面的端面A上，调节螺母穿过第二准直器安装件的第一通孔与第二扇面的螺纹通孔B，将第二准直器安装件固定在第二扇面的端面D上，调节螺母穿过第三准直器安装件的第一通孔与第三准直器安装件的螺纹通孔C，将第三准直器安装件固定在第三扇面的端面E上。

4.根据权利要求3所述的一种三波束测速激光雷达的准直器夹持装置，所述的第一扇面的凹槽A、第二扇面的凹槽B和第三扇面的凹槽C用于绕制第一准直器、第二准直器和第三准直器的尾纤。

5.根据权利要求1所述的一种三波束测速激光雷达的准直器夹持装置，所述的第一准直器安装件、第二准直器安装件、第三准直器安装件的固定角度，即准直器与数值方向的夹角，根据速度解调方法确定。

6.根据权利要求1所述的一种三波束测速激光雷达的准直器夹持装置，所述的连接架上设有连接架通孔A和连接架通孔B；

调节螺母穿过连接架通孔B，将连接架与三叉基座的螺纹孔固定，则连接架固定于三叉基座上，通过连接架通孔A，将整个准直器夹持装置水平固定于车体下方。

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