CN110501689A - 一种水下激光周向扫描光束发射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水下激光周向扫描光束发射系统，该方案包括有壳体、设置在壳体内部的光束控制器、平面反射镜组、振镜组以及设置在壳体表面的第一、第二、第三、第四光学窗口；第一、第二、第三、第四光学窗口分别设置在壳体上位于同一水平面的前后左右四个方向的外壁上；光束控制器发出的激光束能够在一个扫描周期中通过平面反射镜组和振镜组反之后依次从第一、第二、第三、第四光学窗口呈90°扫描出射。该方案能够在激光周向扫描探测时不阻挡出射光束，同时又不破坏水下航行器的密封耐压、电气连接和结构强度，对入射激光束实施360°分扇区无遮挡地扫描出射。
Description
技术领域
本发明涉及的是水下目标激光探测领域，尤其是一种水下激光周向扫描光束发射系统。
背景技术
水下激光探测一般采用传输损耗小的蓝绿激光。与水声探测、磁场探测和电磁探测相比，水下蓝绿激光探测具有更高的测距精度和定位精度，且不受水文干扰和声磁干扰，是未来水下探测技术的重要发展方向。目前，水下激光探测技术的研究主要集中于海洋激光雷达和水下激光成像两个应用领域。前者与空地激光雷达相同，载体主要有船载和机载两种形式；后者主要基于线扫描技术和距离选通技术实现水下目标的成像探测，主要应用于水下大型运载平台。由于探测装置体积大、功耗高，这两种探测方法还未见能够应用于水下小型航行器的研究报道。
在水下目标探测中，由于目标方位随机，交会速度快，探测时间短，加上水下小型平台体积、功耗有限，以及激光收发的开窗密封与结构强度，以及光路布置与扫描盲区之间的矛盾问题，水下激光目标探测极具挑战。最近，国内文献公开报道了一种水下激光近程周向扫描的探测方法。所研制的样机装置采用脉冲点光束收发同步的扫描探测体制，由双轴电机驱动发射反射镜和接收反射镜同步旋转。发射反射镜将激光器的出射光束直接转折后经光学发射窗口出射；与此同时，目标的反射回波经光学接收窗口后，由接收反射镜直接转折至光电探测器上。最终，通过电机旋转实现周向动态扫描探测，并根据接收到的目标回波解算其方位和距离信息。该探测方法存在如下不足之处：1、位于装置中心的双轴电机和收/发反射镜等需要支撑结构（如加强筋），在周向扫描探测时这些支撑结构存在遮挡光束的问题，不能实现360°全方位探测，存在探测盲区；2、在实施周向扫描探测时，发射和接收均需要尺寸较大的环形光学窗口，在水下环境中存在密封耐压和结构强度的问题；3、此探测装置安装于水下航行器时，周视收发光路阻碍了前后舱段之间的电气连接。
发明人在前期研究中，提出了“一种水下目标周向扫描激光探测系统”（201810105360.6），以及“一种激光周向非扫描目标探测装置”（201810214638.3）。这两个专利克服了常规周向扫描的探测盲区、密封耐压、结构强度以及电气连接的问题，但是面临所用光学器件精度高，加工难度大，以及光机装调困难的问题。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种水下激光周向扫描光束发射系统，该方案为了在激光周向扫描探测时不阻挡出射光束，同时又不破坏水下航行器的密封耐压、电气连接和结构强度，提出“纯反射式分区扫描”的激光周向光束发射方法，即采用光束控制器、平面反射镜组以及振镜组，通过光路转折和振镜扫描，对入射激光束实施360°分扇区无遮挡地扫描出射。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种水下激光周向扫描光束发射系统，其特征是：包括有壳体、设置在壳体内部的光束控制器、平面反射镜组、振镜组以及设置在壳体表面的第一、第二、第三、第四光学窗口；第一、第二、第三、第四光学窗口分别设置在壳体上位于同一水平面的前后左右四个方向的外壁上；光束控制器发出的激光束能够在一个扫描周期中通过平面反射镜组和振镜组反之后依次从第一、第二、第三、第四光学窗口呈90°扫描出射。
作为本方案的优选：平面反射镜组包括有独立设置的第一平面反射镜、第二平面反射镜以及第四平面反射镜；振镜组包括有独立设置的第一振镜、第二振镜、第三振镜以及第四振镜。
作为本方案的优选：光束控制器能够发射四路路径不同的激光束，分别为第一、第二、第三、第四激光束；所述光束控制器发出的第一激光束能够依次通过第一平面反射镜和第一振镜的反射后从第一光学窗口呈90°扫描出射；光束控制器发出的第二激光束能够依次通过第二平面反射镜和第二振镜的反射后从第二光学窗口呈90°扫描出射；光束控制器发出的第三激光束能够第三振镜的反射后从第三光学窗口呈90°扫描出射；光束控制器发出的第四激光束能够依次通过第四平面反射镜和第四振镜的反射后从第四光学窗口呈90°扫描出射。
作为本方案的优选：光束控制器包括有底座、从底座上方垂直射入的入射激光束、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜、菱形棱镜、第一直线电机、第二直线电机、设置在第一直线电机上的第一推杆以及设置在第二直线电机上的第二推杆；第一直角棱镜、第一直线电机和第二直线电机固定设置在底座上；第二直角棱镜和第三直角棱镜设置在第一推杆上；菱形棱镜设置在第二推杆上；第一直角棱镜设置于入射激光束的的传播路径上；第一直线电机能够驱动第一推杆伸缩运动使第二直角棱镜或第三直角棱镜遮蔽第一直角棱镜改变入射激光束的传播方向；第二直线电机能够驱动第二推杆伸缩运动使菱形棱镜遮蔽由第三直角棱镜反射出的激光束并改变该激光束的传播路径。
作为本方案的优选：光束控制器在需要输出第一激光束时，使第一推杆和第二推杆为于初始位置，入射激光束由第一直角棱镜反射后输出第一激光束；在需要输出第二激光束时，第一直线电机控制第一推杆收缩，使第二直角棱镜运动到入射激光束处反射输出第二激光束；在需要输出第三激光束时，第一直线电机控制第一推杆伸长，使第三直角棱镜运行到入射激光束处反射输出第三激光束；在需要输出第四激光束时，使第一推杆保持输出第三激光束时的位置不变，第二直线电机控制第二推杆伸长，使菱形棱镜运动到第三激光束的位置折射输出第四激光束。
作为本方案的优选：第二直角棱镜和第三直角棱镜的安装位置之间存在间隙，间隙的尺寸小于第一直角棱镜的边长。
作为本方案的优选：每个光学窗口呈圆柱面或球面，其曲率中心位于对应的振镜光束反射点上。
作为本方案的优选：壳体为圆形；所述第一、第二、第三、第四光学窗口分别设置在壳体的四个象限点处。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中采用了光束控制器将固定的入射激光束分别依次序输出为4个方向的激光束，每个方向的激光束在平面镜和振镜的反射下实现在4个光学窗口呈90°扫描出射，组成360°分扇区无遮挡地扫描输出；光束控制器采用两台直线电机、推杆以及多个直角棱镜、一个菱形棱镜的组合实现在不改变入射激光束的发射方向的基础上在时序上依次输出4个方向的激光束，满足系统在一个扫描周期内实现360°扫描的要求，光学窗口呈圆柱面或球面，其曲率中心位于对应的振镜光束反射点上，能够射出的光束呈90°发散出射。
由此可见，本发明能够实现周向360°无盲区的纯反射式分区扫描光束出射方法，不发散光束，利于保持光束质量；光束控制器根据扫描指令对入射光束实施动态的光路转折，时间上无间隙地切换光束的出射方向；采用振镜扫描控制光束的出射方向，多个扇区依次轮换、分时扫描，组合完成周向360°无盲区出射；通过光束控制器和振镜，能够对某一扇区内的目标进行持续照射，避免整周期扫描，实时性强；光路占用空间小，不破坏水下航行器前后舱段的电气连接；光学窗口尺寸小，利于保障水下航行器的密封耐压和结构强度。由此可见本方案具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为光束控制器的结构示意图。
图3为本发明的控制流程框图。
图中，①为第一激光束，②为第二激光束，③为第三激光束，④为第四激光束，01为壳体，02为光束控制器，03A为第一平面反射镜，03B为第二平面反射镜，03C为第四平面反射镜，04A为第一振镜，04B为第二振镜，04C为第三振镜，04D为第四振镜，05A为第一光学窗口，05B为第二光学窗口，05C为第三光学窗口，05D为第四光学窗口，02-01为第一直线电机，02-2为入射激光束，02-3为第一推杆，02-4为第二直线电机，02-5为第二推杆，02-6为第二直角棱镜，02-7为第三直角棱镜，02-8为第一直角棱镜，02-9为菱形棱镜，02-10为底座。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1-3所示，本方案包括：
壳体01，光束控制器02，平面反射镜03A、03B、03C，振镜04A、04B、04C、04D，光学窗口05A、05B、05C、05D。
光束控制器02根据扫描指令，在其内部对入射光束实施动态的光路转折，选择光束的出射方向，即选择输出第一激光束①、第二激光束②、第三激光束③以及第四激光束④中的一束。
平面反射镜03A、03B、03C的作用是分别将入射光束①、②、④反射到相应的振镜04A、04B、04D上。
振镜04A、04B、04C、04D对应相应的光学窗口05A、05B、05C、05D，作用是通过一定的角度摆动，在光学窗口内完成入射光束呈90°发散的扫描出射。
光学窗口05A、05B、05C、05D呈圆柱面或球面，其曲率中心位于对应的振镜光束反射点上，目的是让振镜反射光束通过光学窗口时直线传播，且减小光束发射。
本实施例设置四个扫描扇区，每个扇区的出射光束扫描角度等于90°，因而四个扇区分时组合扫描，完成周向360°无盲区出射。
光束控制器包括有底座02-10，第一、第二直线电机02-1、02-4，入射激光束02-2，第一、第二推杆02-3、02-5，第二、第三、第一直角棱镜02-6、02-7、02-8，菱形棱镜02-9。
光束控制器对于激光束出射的控制方法为：
入射光束的位置和方向固定不变，在第一、第二直线电机的驱动控制过程中，出射光束的位置和方向也固定不变，分别为第一激光束①、第二激光束②、第三激光束③、第四激光束④。
光束控制器在需要输出第一激光束时，使第一推杆和第二推杆为于初始位置，入射激光束由第一直角棱镜反射后输出第一激光束；在需要输出第二激光束时，第一直线电机控制第一推杆收缩，使第二直角棱镜运动到入射激光束处反射输出第二激光束；在需要输出第三激光束时，第一直线电机控制第一推杆伸长，使第三直角棱镜运行到入射激光束处反射输出第三激光束；在需要输出第四激光束时，使第一推杆保持输出第三激光束时的位置不变，第二直线电机控制第二推杆伸长，使菱形棱镜运动到第三激光束的位置折射输出第四激光束。
在一个扫描周期内，光束控制器依照时序依次选择输出第一激光束①、第二激光束②、第三激光束③和第四激光束④，通过平面镜组和振镜组反射后，使激光束分别从光学窗口05A、05B、05C、05D呈90°扫描出射，完成360°无盲区扫描。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种水下激光周向扫描光束发射系统，其特征是：包括有壳体、设置在壳体内部的光束控制器、平面反射镜组、振镜组以及设置在壳体表面的第一、第二、第三、第四光学窗口；所述第一、第二、第三、第四光学窗口分别设置在壳体上位于同一水平面的前后左右四个方向的外壁上；所述光束控制器发出的激光束能够在一个扫描周期中通过平面反射镜组和振镜组反之后依次从第一、第二、第三、第四光学窗口呈90°扫描出射。
2.根据权利要求1所述的一种水下激光周向扫描光束发射系统，其特征是：所述平面反射镜组包括有独立设置的第一平面反射镜、第二平面反射镜以及第四平面反射镜；所述振镜组包括有独立设置的第一振镜、第二振镜、第三振镜以及第四振镜。
3.根据权利要求1或2所述的一种水下激光周向扫描光束发射系统，其特征是：所述光束控制器能够发射四路路径不同的激光束，分别为第一、第二、第三、第四激光束；所述光束控制器发出的第一激光束能够依次通过第一平面反射镜和第一振镜的反射后从第一光学窗口呈90°扫描出射；所述光束控制器发出的第二激光束能够依次通过第二平面反射镜和第二振镜的反射后从第二光学窗口呈90°扫描出射；所述光束控制器发出的第三激光束能够第三振镜的反射后从第三光学窗口呈90°扫描出射；所述光束控制器发出的第四激光束能够依次通过第四平面反射镜和第四振镜的反射后从第四光学窗口呈90°扫描出射。
4.根据权利要求1所述的一种水下激光周向扫描光束发射系统，其特征是：所述光束控制器包括有底座、从底座上方垂直射入的入射激光束、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜、菱形棱镜、第一直线电机、第二直线电机、设置在第一直线电机上的第一推杆以及设置在第二直线电机上的第二推杆；所述第一直角棱镜、第一直线电机和第二直线电机固定设置在底座上；所述第二直角棱镜和第三直角棱镜设置在第一推杆上；所述菱形棱镜设置在第二推杆上；所述第一直角棱镜设置于入射激光束的的传播路径上；所述第一直线电机能够驱动第一推杆伸缩运动使第二直角棱镜或第三直角棱镜遮蔽第一直角棱镜改变入射激光束的传播方向；所述第二直线电机能够驱动第二推杆伸缩运动使菱形棱镜遮蔽由第三直角棱镜反射出的激光束并改变该激光束的传播路径。
5.根据权利要求4所述的一种水下激光周向扫描光束发射系统，其特征是：所述光束控制器在需要输出第一激光束时，使第一推杆和第二推杆为于初始位置，入射激光束由第一直角棱镜反射后输出第一激光束；在需要输出第二激光束时，第一直线电机控制第一推杆收缩，使第二直角棱镜运动到入射激光束处反射输出第二激光束；在需要输出第三激光束时，第一直线电机控制第一推杆伸长，使第三直角棱镜运行到入射激光束处反射输出第三激光束；在需要输出第四激光束时，使第一推杆保持输出第三激光束时的位置不变，第二直线电机控制第二推杆伸长，使菱形棱镜运动到第三激光束的位置折射输出第四激光束。
6.根据权利要求4所述的一种水下激光周向扫描光束发射系统，其特征是：所述第二直角棱镜和第三直角棱镜的安装位置之间存在间隙，间隙的尺寸小于第一直角棱镜的边长。
7.根据权利要求1所述的一种水下激光周向扫描光束发射系统，其特征是：每个所述的光学窗口呈圆柱面或球面，其曲率中心位于对应的振镜光束反射点上。
8.根据权利要求1所述的一种水下激光周向扫描光束发射系统，其特征是：所述壳体为圆形；所述第一、第二、第三、第四光学窗口分别设置在壳体的四个象限点处。
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