CN103543526A - 一种阵列式激光扫描器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阵列式激光扫描器，它包括成底座、控制驱动系统和阵列布置的若干个子镜；所述若干个子镜按照相同的朝向排列，均固定在底座上；各相邻子镜之间留有间距，使相邻子镜在倾斜时不相互碰到；所述控制驱动系统与所述N个子镜中的压电驱动器连接，用于实现对反射镜偏转角度的开环控制。本发明能够通过多光束扫描的方式将多个小扫描场拼接为大扫描场同时保证扫描角度和扫描频率，每个子镜也能独立扫描，实现多目标探测。本发明大幅度提高了空间利用率，提升扫描角度。具有驱动速度快，控制精度高，没有机械磨损，机构紧凑，空间利用率高，稳定性好的特点，并且体积小，重量轻，刚度高，特别适合卫星和无人机成像激光雷达应用。

Description

一种阵列式激光扫描器
技术领域
本发明属于光束控制领域，具体涉及一种阵列式激光扫描器。
背景技术
激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射激光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。同微波雷达相比，激光雷达的优点是分辩率高，成像清晰，测量精度高，隐蔽性好，抗干扰能力强和体积小。成像激光雷达是激光雷达的一种，它不仅可以对目标进行测距，而且可以成像，获得目标的三维信息，在民用和军事领域具有广泛的用途。
激光扫描器是成像激光雷达中一个十分重要的器件，它的扫描角度、扫描频率、扫描分辨率和精度直接影响激光雷达的成像范围、成像帧频、成像分辨率和精度。传统的成像激光雷达多使用转台式反射镜扫描器、多面转镜扫描器、检流计式振镜扫描器等。转台式反射镜扫描器反射镜面大，控制精确，但是扫描频率低。多面转镜转速高，但是扫描线性度不高。检流计式振镜多用于激光加工，高频扫描时线性度不高。另外一个问题是，以上的扫描器在高速扫描时具有很大的转动惯量，这种大转动惯量主要由电机的转子等产生。如果激光雷达用于卫星等空间飞行器的时候，大转动惯量会严重影响卫星的姿态。其他基于折射、衍射、电光效应和声光效应的扫描器通常光学传输效率低于反射式的扫描器，会降低激光雷达的探测距离。快速控制反射镜是一种新型的激光扫描器，主要有压电陶瓷和音圈电机两种驱动方式。压电陶瓷驱动的快速控制反射镜往往具有扫描频率快，精度高的特点，但是扫描角度太小；音圈电机驱动的快速控制反射镜扫描角度很大，但是扫描频率较小，扫描精度较差。
为了得到同时具有大的成像范围、高成像帧频、高成像分辨率和精度的成像激光雷达，就需要一种同时拥有大扫描角度、高扫描频率、高扫描分辨率和精度的激光扫描器。目前，并没有一种激光扫描器能同时满足以上需求。现有的激光扫描器只能实现单光束扫描和单目标探测，实现多光束扫描和多目标探测就需要多个激光扫描器，这会大大增加系统的复杂程度。目前，也没有能够实现多光束扫描和多目标探测的激光扫描器。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种阵列式激光扫描器，该扫描器采用压电陶瓷作为驱动源，具有多个子镜，能够通过多光束扫描的方式将多个小扫描场拼接为大扫描场同时保证扫描角度和扫描频率，每个子镜也能独立扫描，实现多目标探测。
本发明提供的阵列式激光扫描器，其特征在于，它包括底座、控制驱动系统和阵列布置的若干个子镜；所述若干个子镜按照相同的朝向排列，均固定在底座上；各相邻子镜之间留有间距，使相邻子镜在倾斜时不相互碰到；所述控制驱动系统与所述N个子镜中的压电驱动器连接，用于实现对反射镜偏转角度的开环控制。
作为上述技术方案的改进，所述子镜均包括子镜反射镜片、第一至第三压电驱动器、子镜底座和支架；第一至第三压电驱动器品字形固定在子镜底座上的三个凹槽内，各压电驱动器的顶端与支架相连，所述子镜反射镜片与所述支架的中心处连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述支架为T形，位于中心的凸台将支架隔开为三个分开的矩形平台，凸台和三个矩形平台构成所述支架；三个压电驱动器顶端中心连接成一个三角形△ABC，每个三角形顶点与其对应的一个矩形平台的矩形中心点在同一个竖直线上，三个压电驱动器的品字形排列方式由△ABC唯一确定。
作为上述技术方案的更进一步改进，其特征在于，所述第一至第三压电驱动器均包括二维柔性铰链、压电陶瓷和位移放大机构；压电陶瓷紧密嵌入椭圆形位移放大机构中空部分，二维柔性铰链位于位移放大机构上端中心处，所述压电陶瓷在两端输入电压时，有轴向的伸长位移，使得位移放大机构产生竖直方向的收缩位移，并使二维柔性铰链向下移动。
本发明的技术效果体现在：本发明提供的阵列式激光扫描器，通过多光束扫描，既能将每个子镜扫描角度拼接起来实现大范围高频率扫描，又能通过子镜单独工作的方式实现多目标扫描成像，每个子镜采用三压电陶瓷驱动，空间利用率高，扫描范围大，相对于同类产品，在相同尺寸条件上，子镜的二维扫描角度大大超过同类产品，阵列式激光扫描器既能实现大扫描角度和高扫描频率扫描，也能实现较小范围多目标扫描，角度控制精确，结构紧凑，由于使用了柔性铰链结构，反射镜在偏转运动中无摩擦损耗，使其工作寿命长，无需润滑，可免维护。本发明装置能够大大提升成像激光雷达的成像性能。
总之，本发明提供的阵列式激光扫描器，其扫描器的子镜采用三个压电驱动器驱动，大幅度提高了空间利用率，提升扫描角度。整个扫描器具有驱动速度快，控制精度高，没有机械磨损，机构紧凑，空间利用率高，稳定性好的特点，并且体积小，重量轻，刚度高，特别适合卫星和无人机成像激光雷达应用。
附图说明
图1为本发明实施例整体结构示意图(控制驱动系统在图1中省略)；
图2为子镜整体结构示意图；
图3为子镜爆炸视图；
图4为支架等轴测图；
图5为压电驱动器示意图；
图6为子镜二维倾斜示意图；
图7为阵列式激光扫描器各个子镜拥有相同倾斜状态工作示意图；
图8为阵列式激光扫描器各个子镜拥有不同倾斜状态工作示意图；
图9为发明开环控制驱动系统示意图；
图10为迟滞补偿算法示意图；
图11为其他形式的阵列扫描器；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面以子镜数量为八个说明本发明提供的阵列式激光扫描器的结构。参照图1，本实例包括第一至第八子镜1～8，底座9，以及控制驱动系统。
第一至第八子镜1～8按照相同的朝向排成两行，每行四个，固定在底座9上。其中，第一至第四子镜1、2、3、4按相同朝向依次排列成第一行，相邻子镜间距1mm，第五至第八子镜5、6、7、8按照与第一行子镜相同的朝向依次排列成第二行，相邻子镜间距为1mm，两行之间的相邻子镜(1与5,2与6,3与7,4与8)间距也为1mm。本实例中选择子镜相互间距为1mm是综合考虑系统尺寸，加工装配等因素得出的优选值，原则上子镜最小相互间距要保证相邻子镜在倾斜时不要相互碰到。子镜相互间距也不能太大，太大会影响整个系统的整体性。用户在使用时，可以酌情处理。
控制驱动系统与第一至第八子镜的压电驱动器连接，用于实现对反射镜偏转角度的开环控制。
如图2、图3、图4所示，每个子镜的结构相同，现以第一子镜1为例说明其结构。设第一至第四子镜1、2、3、4排列的方向为x轴方向，与之垂直的方向为y轴方向。
每个子镜由子镜反射镜片10，第一至第三压电驱动器11、12、13，子镜底座14和支架15组成。三个压电驱动器11、12、13呈品字形固定在子镜底座14上的三个凹槽内，顶端与支架15相连，子镜反射镜片10与支架15中心的凸台15a连接。
子镜底座14上的三个凹槽与y轴平行，宽度相同，略大于三个压电驱动器的宽度，深度为0.5mm～2mm(优选1mm)，用以固定第一至第三压电驱动器11、12、13。T形支架15可以分为4部分，中心的凸台15a将支架隔开为15b,15c,15d三个分开的矩形平台。三个压电驱动器11、12、13顶端(底端)中心连接成一个三角形，三角形顶点分别与支架15上15b、15d、15c的矩形中心点A、C、B三点在同一个竖直线上，三个压电驱动器的品字形排列方式由△ABC唯一确定。△ABC为等腰三角形，D为AB中点，AC与x轴平行，BD与y轴平行，BD=AD=CD。△ABC确定后，支架15的参数以及子镜底座15上的凹槽位置也随之确定。
如图5所示，第一子镜1的第一至第三压电驱动器11、12、13结构相同，现以第一压电驱动器11来说明其结构。
第一压电驱动器11包括二维柔性铰链11a、压电陶瓷11b和位移放大机构11c。压电陶瓷11b紧密嵌入椭圆形位移放大机构11c中空部分，二维柔性铰链11a位于位移放大机构11c上端中心处，为便于装配，本发明实施例中，11a和11c设计成一体结构。给压电陶瓷11b两端输入电压，压电陶瓷11b就会有轴向的伸长位移(图5箭头所示)这种伸长作用在位移放大机构11c上，就会产生竖直方向的收缩位移，由于11c底端固定在子镜底座14上，因此这种收缩位移主要表现为二维柔性铰链11a向下移动。压电陶瓷11b的伸长位移与驱动电压成正比，一旦位移放大机构11c结构确定，二维柔性铰链11a的向下位移与压电陶瓷的伸长位移成正比，因此二维柔性铰链11a向下移动的位移可由压电陶瓷驱动电压精确控制。
本发明采用三个压电驱动器配合的方式实现二维倾斜。结合图3、图4、图6，以第一子镜1来说明子镜二维倾斜的原理。子镜反射镜片10固定在支架15的凸台上，因此子镜反射镜片10的倾斜状态(也是第一子镜1的倾斜状态)与支架15的倾斜状态一致。当给三个压电驱动器(具体为11、12、13)通上电压时，三个压电驱动器会有向下的位移(分别为a、b、c如图6所示)，则第一子镜1支架15的x轴偏转角度y轴偏转角度
Figure BDA0000389691750000062
支架15的偏转状态也是第一子镜1的偏转状态。前已述及a、b、c可由压电陶瓷驱动电压精确控制，AC与BD为常量，则第一子镜1的倾斜状态可通过三个压电驱动器(具体为11、12、13)的驱动电压精确控制，实现二维倾斜和二维激光扫描。采用三个压电驱动器交错排列的方式可以使得三个压电驱动器排列得很紧凑，AC、BD的值尽可能小，两轴偏转角度尽可能大。
如图7、图8所示，每个子镜工作在相同的偏转状态(图7)也可以各自工作在不同的偏转状态(图8)，从而实现多光束独立扫描和多目标探测。
如图9所示，控制驱动系统包括FPGA控制器、数模转换电路、驱动电路。
FPGA控制器通过迟滞补偿算法对子镜的迟滞效应进行补偿修正，并实时输出给数模转换电路。现以第一子镜1为例说明该子镜迟滞补偿算法实现原理，如图10所示。前已提及，子镜1两轴的偏转角度由驱动在压电陶瓷11b、12b、13b上的驱动电压精确控制，
Figure BDA0000389691750000063
通过简单的算法解耦确定这个三个压电陶瓷的驱动电压使得11b与13b驱动电压差值为正三角波，12b驱动电压与11b和13b驱动电压之和的一般的差值为正三角波，可以测得第一子镜1的迟曲线，然后根据迟滞曲线对标准三角波驱动波形进行修正，如图10所示，A点为正三角波驱动电压增大过程中测得的一点，该点的驱动电压为V1，扫描器光学扫描角度为D1，该时刻对应的标准直线上的点为C，为了使该时刻的扫描角度达到C点的角度D2，需要该时刻的驱动电压为B点的电压V2，B点光学扫描角度与C点相同。按照这种方法对迟滞曲线上每个点都修正，可以使修正后的扫描波形达到线性扫描，从而补偿激光扫描器的迟滞效应影响。FPGA通过反解耦两个维度修正后的波形可以计算出修正后的11b、12b、13b驱动电压，然后通过输出端口实时输出。
数模转换电路将FPGA输出的数字控制信号转换为模拟信号，提供给驱动电路。
驱动电路将接收的信号进行滤波，陷波和功率放大，用以驱动子镜压电驱动器的压电陶瓷。
本发明实例工作前，先通过另外搭建的子镜性能测试系统测试8个子镜的迟滞效应(压电陶瓷驱动结构的固有特性)和频率响应，通过迟滞补偿算法计算出所需要的24路修正后控制信号，并利用频率响应测得的谐振峰值设计驱动电路中的滤波电路和陷波电路参数。发明实施例工作时，将24路补偿后的控制信号通过FPGA编程输出，经过数模转换电路转换为模拟信号，通过驱动电路中设计好参数的滤波电路和陷波电路对子镜的机械谐振进行抑制，再经过功率放大驱动压电驱动器和子镜机械结构工作，实现8个子镜二维倾斜的开环控制。
本发明提供的是八子镜组成的阵列式激光扫描器，这不是唯一形式，可以根据需求有其他数量和其他排列方案的阵列式激光扫描器。如图11所示。例如，成像激光雷达要探测四个目标时，可以采用四个子镜按照两行每行两个的方式排列组成阵列式激光扫描器；要实现大范围单目标探测时可以采用九个子镜(或更多)按照三行每行三个子镜的排列方式组成阵列式激光扫描器，两个维度的探测范围是每个子镜探测范围的三倍。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1. 一种阵列式激光扫描器，其特征在于，它包括成底座、控制驱动系统和阵列布置的若干个子镜；所述若干个子镜按照相同的朝向排列，均固定在底座上；各相邻子镜之间留有间距，使相邻子镜在倾斜时不相互碰到；所述控制驱动系统与所述N个子镜中的压电驱动器连接，用于实现对反射镜偏转角度的开环控制。
2.根据权利要求1所述的阵列式激光扫描器，其特征在于，所述子镜均包括子镜反射镜片、第一至第三压电驱动器、子镜底座和支架；第一至第三压电驱动器品字形固定在子镜底座上的三个凹槽内，各压电驱动器的顶端与支架相连，所述子镜反射镜片与所述支架的中心处连接。
3.根据权利要求2所述的阵列式激光扫描器，其特征在于，所述支架为T形，位于中心的凸台将支架隔开为三个分开的矩形平台，凸台和三个矩形平台构成所述支架；三个压电驱动器顶端中心连接成一个三角形△ABC，每个三角形顶点与其对应的一个矩形平台的矩形中心点在同一个竖直线上，三个压电驱动器的品字形排列方式由△ABC唯一确定。
4.根据权利要求3所述的阵列式激光扫描器，其特征在于，所述△ABC为等腰三角形，D为AB中点，AC与x轴平行，BD与y轴平行，BD=AD=CD。
5.根据权利要求2至4中任一所述的阵列式激光扫描器，其特征在于，所述第一至第三压电驱动器均包括二维柔性铰链、压电陶瓷和位移放大机构；压电陶瓷紧密嵌入椭圆形位移放大机构中空部分，二维柔性铰链位于位移放大机构上端中心处，所述压电陶瓷在两端输入电压时，有轴向的伸长位移，使得位移放大机构产生竖直方向的收缩位移，并使二维柔性铰链向下移动。
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