CN110441755A - 激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统 - Google Patents

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刘恒
竹孝鹏
原禄城
刘菲菲
刘继桥
毕德仓
陈卫标
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Abstract

本发明公开了一种激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统，包括姿态测量单元、控制单元和双转镜扫描单元，利用姿态测量单元实时测量运动平台姿态，并通过控制单元对双转镜扫描单元指向进行实时补偿校正，消除了运动平台姿态变化对激光测风雷达指向的影响。本发明利用姿态信息对激光测风雷达指向进行实时补偿校正，省却了安装陀螺稳定平台和简化了后续信号反演过程中的姿态校正步骤，节约了平台载重和空间等其他资源，使激光测风雷达能够被更便利地应用在运动平台上。

Description

激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统
技术领域
本发明专利涉及激光测风雷达，尤其是搭载在运动平台上的激光测风雷达指向自稳定扫描系统，具体地说是激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统。
背景技术
搭载在运动平台上的激光测风雷达进行扫描探测时，在单一方向测量积分过程中，其激光指向会随着运动平台姿态变化(俯仰、翻滚、偏转等)而抖动，导致测量目标信息模糊，从而导致积分效果差，影响激光测风雷达信噪比。为消除运动平台姿态变化对激光测风雷达指向的影响，一般需要将激光测风雷达安装在陀螺稳定平台上，或者在后期信号反演程序中进行姿态方位校正处理。加装陀螺稳定平台会极大增加载荷的体积、重量、功耗以及设备复杂程度，限制了激光测风雷达在运动平台上的应用范围。而后期方位校正处理方法不仅会增加激光测风雷达下行数据量，而且影响信号处理显示的时效性。
发明内容
为克服现有技术需要加装陀螺稳定平台或者进行后续信号方位校正处理，本发明专利提供一种激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统，将运动平台姿态信息实时传输给控制单元，通过内置算法程序对激光测风雷达指向进行实时补偿校正，从而实现激光测风雷达指向自稳定。
关于搭载在运动平台上的激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统，各部分定义为：运动平台可以是车辆、船舶、飞机、卫星等各种观测平台；指向自稳定指的是激光测风雷达在单一指向的测量积分时间内保持绝对风向角度且不随运动平台姿态变化的稳定过程。
本发明采用的技术方案是：
一种激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统，包括姿态测量单元、控制单元和双转镜扫描单元：
所述的姿态测量单元，用于获取运动平台姿态信息(俯仰、翻滚、偏转等)并传输给控制单元；
所述的控制单元，用于计算激光测风雷达指向补偿角并控制双转镜扫描单元保持激光测风雷达指向稳定；
所述的双转镜扫描单元，用于实现激光指向扫描功能并监测扫描角度信息。
进一步，所述的姿态测量单元实时测量运动平台姿态，并将运动平台姿态信息被传送给控制单元。
进一步，所述的控制单元内置有利用姿态偏差信息对激光测风雷达指向进行补偿纠正的比较程序，能够输出校正信号控制双转镜扫描单元指向。通过内置算法程序对扫描方向信号和姿态信息进行矢量合成，得到姿态校正信号。同时访问驱动器获得光电编码器当前的位置信息，从而得到反射镜角度信息，再与姿态校正信号进行比较得到水平转镜和垂直转镜的控制信号，最后将控制信号输出给双转镜扫描单元控制指向。
进一步，所述的双转镜扫描单元具体包括：
驱动器，用于提供执行机构所需要的电流，即执行机构的电源；
执行机构，用于将对象目标转至指向方位，即步进电机；
对象，用于改变激光指向，即反射镜；
监测设备，用于监测扫描角度方位信息，即光电编码器。
其工作方法是：驱动器作为控制单元和执行机构之间的中介来驱动执行机构工作，执行机构通过机械传动方式改变对象位置，与执行机构同轴安装的监测设备将执行机构的方位角反馈给驱动器。
进一步，所述的双转镜扫描单元可以采用其他的扫描指向控制方式，如单镜扫描器。
一种所述的激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统的扫描方法，包括以下步骤：
步骤1：运动平台保持近似直线运动，双转镜扫描单元指向方位；
步骤2：姿态测量单元开始测量运动平台的姿态变化，并将信息传输至控制单元；
步骤3：控制单元根据姿态变化计算激光指向角度补偿量，生成方位校正信号，驱动双转镜扫描单元开始扫描探测；
步骤5：控制单元根据姿态测量单元实时传递的姿态变化信息同步补偿姿态偏差，保持指向稳定。
本发明的有益效果：
1.将姿态信息实时补偿到激光测风雷达指向，提高了测量目标与激光测风雷达指向的匹配程度，减小姿态抖动引起的信息模糊，提高系统信噪比。
2.利用双转镜结构自身的运转能力补偿了姿态变化带来的影响，不需要加装陀螺稳定平台，减小了系统重量和复杂度，扩大了系统的应用范围。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明效果示意图；
图2是本发明系统工作方法示意图；
图3是本发明具体实施方案示意图；
图1，101.预定轨迹，102.运动轨迹，103.运动指向，104.预定指向。
图2，201.姿态测量单元，202.控制单元，203.双转镜扫描单元，205.驱动器，207.执行机构，209.对象，211.监测设备。
图3，201.姿态测量单元，202.控制单元，203.双转镜扫描单元，304.工作站(PC)，305.第一电机驱动器，306.第二电机驱动器，307.第一电机，308.第二电机，309.第一反射镜，310.第二反射镜，311.第一光电编码器，312.第二光电编码器。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明专利作进一步的说明，但不应以此限制本发明专利的保护范围。如图1所示，运动平台姿态变化(俯仰、翻滚、偏转等)使得运动轨迹102偏离预定轨迹101，激光测风雷达运动指向103也随之偏离预定指向104，利用本发明方案，可实现保持扫描指向稳定，从而为运动平台上的激光雷达测风应用提供及时准确的角度信息。
如图2所示，系统原理为基于反馈理论的闭环自动控制技术，姿态测量单元201提供运动平台姿态信息，控制单元202通过内置程序解算预定方位与姿态偏差提供方位补偿信息，方位补偿信息和监测设备211信息经控制单元202比较输出控制电平信号至驱动器205，驱动器205输出电流信号驱动执行机构207，执行机构带动对象209实现指向自稳定功能并通过监测设备211将角度方位信息反馈给控制单元202。
姿态测量单元201可以是惯性测量单元(IMU)或惯性导航系统(INS)等，用于实时测得运动平台在前后、左右、上下、横滚和俯仰等五个维度上的加速度和角速度信息，将姿态信息实时传递给控制单元202。
控制单元202可以是现场可编程逻辑阵列(FPGA)或单片机控制系统等，内置将姿态信息分解为多个维度并将其补偿校正到方向信号上的程序算法，也具备对系统进行自动控制和对信号进行预处理等功能。
如图3所示，本实施例中主要包括姿态测量单元201，控制单元202，双转镜扫描单元203三部分。姿态测量单元201将运动平台姿态信息实时传递给控制单元202，控制单元202访问驱动器得到光电编码器当前位置信息，并将光电编码器测得的当前电机转角与校正后的预定角度进行比较，由控制单元202将校正后的控制信号传递给双转镜扫描单元203。双转镜扫描单元203内的第一电机驱动器305和第二电机驱动器306分别控制第一电机307和第二电机308的电流，转速和位置，通过齿轮对改变第一反射镜309和第二反射镜310的方位转角，同时将第一电机307的角度通过第一光电编码器311编码并反馈给第一电机驱动器305，将第二电机308的角度通过第二光电编码器312编码反馈给第二电机驱动器306。
详述如下：
如图3所示，具体实施案例中，激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统包含姿态测量单元201，控制单元202，双转镜扫描单元203，工作站(PC)304。
双转镜扫描单元203通过驱动电机控制两面反射镜，两面反射镜分别沿水平轴向和垂直轴向转动，与光轴呈45°放置。两组转镜系统均包含电机，固定支撑结构，反射镜，外壳。双转镜扫描单元203通过两面平行反射镜实现了发射、接收视场在半球(2π立体角)范围内的扫描,同时确保了2个视场的重叠，能够实现平面位置显示(PPI)、距离高度显示(RHI)、速度方位显示(VAD)等多种扫描方式。
双转镜扫描单元203包含的电机驱动器可以将输入的控制信号(TTL电平)转换成电机需要的驱动电流。
双转镜扫描单元203包含的光电编码器作为监测电机的角度传感器，将监测信号反馈给驱动器。光电编码器可选用旋转光栅编码器。
所述的双转镜扫描单元203的工程实现方法为：
双转镜扫描单元203转动速度快、精度高，双转镜扫描的水平方位和俯仰方向能够独立控制；内部设计采用了分体传动式结构，外部采用统一的刚体支撑结构。
双转镜扫描单元203的动力系统结构设计考虑了环境适应性设计以及抗加速度和冲击。电机使用了不锈钢材质，联轴器使用了铝材质。动力传动齿轮21选用了45号钢材料，并进行氮化处理，增加齿轮的耐磨性能。在选用动力传动上定下5:1的速度比，可保证对负载的驱动能力。电机配备了4:1的减速箱，提高扭矩同时增加扫描定位的稳定性。
双转镜扫描单元203适用于室外工作环境，内部的转动部分采用密封脂进行防水密闭。
工作站(PC)304负责发送和存储显示扫描方式、方位信息，属于激光测风雷达的上位机，用作输入输出设备。工作站(PC)304通过RS-422串口线和控制单元202连接,发出指令给控制单元202去控制机械扫描部分。具体工作方式是，PC软件将扫描方式、初始方位等信息发送给控制单元202,扫描系统完成动作后返回给控制单元202一个完成信号，系统开始测量并进行指向自稳定控制。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统，其特征在于，包括姿态测量单元(201)、控制单元(202)和双转镜扫描单元(203)：
所述的姿态测量单元(201)用于获取运动平台姿态信息并传输给控制单元(202)；
所述的控制单元(202)用于计算激光测风雷达指向补偿角并控制双转镜扫描单元(203)保持激光测风雷达指向稳定；
所述的双转镜扫描单元(203)用于实现激光指向扫描功能并监测扫描角度信息。
2.根据权利要求1所述的激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统，其特征在于，所述的姿态测量单元(201)实时测量运动平台姿态，并将运动平台姿态信息被传送给控制单元(202)。
3.根据权利要求1或2所述的激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统，其特征在于，所述的控制单元(202)内置有利用姿态偏差信息对激光测风雷达指向进行补偿纠正的比较程序，能够输出校正信号控制双转镜扫描单元(203)指向。
4.根据权利要求1或2所述的激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统，其特征在于，所述的双转镜扫描单元(203)具体包括：
驱动器，用于提供执行机构所需要的电流，即执行机构的电源；
执行机构，用于将对象目标转至指向方位，即步进电机；
对象，用于改变激光指向，即反射镜；
监测设备，用于监测扫描角度方位信息，即光电编码器。
5.根据权利要求4所述的激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统，其特征在于，所述的双转镜扫描单元(203)可以采用其他的扫描指向控制方式，如单镜扫描器。
6.一种如权利要求1所述的激光测风雷达指向自稳定双转镜扫描系统的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：运动平台保持近似直线运动，双转镜扫描单元(203)指向方位；
步骤2：姿态测量单元(201)开始测量运动平台的姿态变化，并将信息传输至控制单元(202)；
步骤3：控制单元(202)根据姿态变化计算激光指向角度补偿量，生成方位校正信号，
驱动双转镜扫描单元(203)开始扫描探测；
步骤5：控制单元(202)根据姿态测量单元(201)实时传递的姿态变化信息同步补偿姿态偏差，保持指向稳定。
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