CN112909723B - 一种用于空间交会对接的大动态激光发射装置 - Google Patents

一种用于空间交会对接的大动态激光发射装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于空间交会对接的大动态激光发射装置。该装置包括：光纤激光器、半导体激光器、半导体驱动电路、准直系统、分光棱镜、调光系统和控制器，所述半导体驱动电路用于驱动所述半导体激光器发射能量可调的激光，经所述光纤激光器发射的激光或所述半导体激光器发出的激光分别通过所述准直系统准直后进入所述分光棱镜，通过所述分光棱镜将透射的激光传播至所述调光系统，经所述调光系统调光后发射出去，所述调光系统在所述控制器的控制下转动。本发明能够满足不同激光测距和激光三维成像的要求，保证激光回波信号在可靠的范围内。

Description

一种用于空间交会对接的大动态激光发射装置
技术领域
本发明涉及激光发射探测技术领域，特别是涉及一种用于空间交会对接的大动态激光发射装置。
背景技术
在激光探测和测量中，影响其识别能力、测距精度及抗干扰能力的首要因素是激光发射装置的激光脉冲质量，可以说激光发射装置是整个测量和探测的关键部分。在交会对接激光测量中，又对激光发射装置有着不同于激光测距和激光三维成像的要求。在激光测距中，远至几千米量级近至几米的测距需求，其发射的激光能量是根据测量距离设定的，在很小的范围内调整，同时不需要实时调整；在激光三维成像领域，一般成像距离在固定小距离范围，如机载lidar，在几千米高度进行探测，而车载的激光三维成像雷达则在几十米范围内成像。
在交会对接激光测量中，需要在几十千米至对接的一米以内，都要完成测量。在整个测量范围内，激光回波的能量变化1012倍，为此如何保证激光回波信号在可靠的范围内，是确保系统功能、性能、指标的关键，也是一个难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于空间交会对接的大动态激光发射装置，能够满足不同激光测距和激光三维成像的要求，保证激光回波信号在可靠的范围内。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于空间交会对接的大动态激光发射装置，包括：光纤激光器、半导体激光器、半导体驱动电路、准直系统、分光棱镜、调光系统和控制器，所述半导体驱动电路用于驱动所述半导体激光器发射能量可调的激光，经所述光纤激光器发射的激光或所述半导体激光器发出的激光分别通过所述准直系统准直后进入所述分光棱镜，通过所述分光棱镜将透射的激光传播至所述调光系统，经所述调光系统调光后发射出去，所述调光系统在所述控制器的控制下转动。
可选地，所述准直系统包括光纤准直镜和半导体准直镜，所述光纤准直镜设置在所述光纤激光器的出射光路上，所述分光棱镜设置在所述光纤准直镜的出射光路上；所述半导体准直镜设置在所述半导体激光器的出射光路上，所述分光棱镜设置在所述半导体准直镜的出射光路上。
可选地，所述调光系统包括调光盘、调光电机和调光编码器，所述调光盘设置在所述分光棱镜的出射光路上，所述调光电机分别与所述调光盘和所述调光编码器连接。
可选地，所述调光电机为步进电机。
可选地，所述半导体驱动电路包括高压模块Hv、充电限流电阻R1、脉冲电流限流电阻R2、储能电容C1、保护二极管D1和控制开关K，所述高压模块Hv、所述充电限流电阻R1、所述储能电容C1和所述脉冲电流限流电阻R2依次连接，所述控制开关K位于所述充电限流电阻R1和所述储能电容C1之间，所述保护二极管D1和所述半导体激光器分别与所述脉冲电流限流电阻R2连接。
可选地，所述控制开关K采用高压MOS管、雪崩晶体管或快速三极管。
可选地，所述光纤激光器的中心波长为1064nm。
可选地，所述半导体激光器的中心波长为905nm。
可选地，所述空间交会对接的大动态激光发射装置还包括主波PIN管，所述主波PIN管位于所述分光棱镜的反射光路上，所述主波PIN管用于探测所述光纤激光器发射激光的时刻和所述半导体激光器发射激光的时刻。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种用于空间交会对接的大动态激光发射装置，通过采用光纤激光器和半导体激光器作为双频激光光源，具有双波长共口径共主波的优势，可以实现双波长识别，采用了自制的分光棱镜，两个波段的激光均可透过。采用了调光系统-调光盘配合半导体激光器和光纤激光器自身光强调节来进行能量调节，从而能够满足不同激光测距和激光三维成像的要求，保证激光回波信号在可靠的范围内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明用于空间交会对接的大动态激光发射装置组成结构图；
图2为本发明半导体驱动电路组成电路图；
图3为本发明控制开关组成电路图。
其中：半导体激光器1、光纤激光器2、半导体驱动电路3、半导体准直镜4、纤准直镜5、分光棱镜6、调光盘7、调光电机8、调光编码器9、主波PIN管10。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于空间交会对接的大动态激光发射装置，能够满足不同激光测距和激光三维成像的要求，保证激光回波信号在可靠的范围内。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
对于调光，一般采用电机驱动调光盘的方式实现。目前一般在地面采用专用的商业驱动器和控制器实现，调光精度的需求不高，在度的量级左右。本发明为了实现从近到远的大动态连续均匀调光，需要实现高精度(0.002°)、连续均匀的调光。对应半导体激光驱动，目前实现的均在地面可用的，窄脉冲激光驱动。地面产品的器件可选性较广，容易实现窄脉冲驱动。本发明面向空间应用，需在元器件选用、电路设计等考虑辐照、工作温度、电路可靠性等，提出了一种空间可用的半导体激光驱动电路。同时设计了电调激光器出射能量，能量可调10％～100％。
图1为本发明用于空间交会对接的大动态激光发射装置组成结构图。如图1所示，一种用于空间交会对接的大动态激光发射装置包括：半导体激光器1、光纤激光器2、半导体驱动电路3、准直系统、分光棱镜6、调光系统和控制器(图中未标注)，所述半导体驱动电路3用于驱动所述半导体激光器1发射能量可调的激光，经所述光纤激光器2发射的激光或所述半导体激光器1发出的激光分别通过所述准直系统准直后进入所述分光棱镜6，通过所述分光棱镜6将透射的激光传播至所述调光系统，经所述调光系统调光后发射出去，所述调光系统在所述控制器的控制下转动。
本发明采用双频激光作为光源，其中所述光纤激光器2的中心波长为1064nm，所述半导体激光器1的中心波长为905nm。所述光纤激光器2采用FC/APC，斜8°的光纤插头，其目的是为了减小后续光学系统后向散射的光逆向进入光纤，造成光纤烧毁。
所述准直系统包括半导体准直镜4和光纤准直镜5，所述光纤准直镜5设置在所述光纤激光器2的出射光路上，所述光纤准直镜5采用一块非球面透镜，所述非球面透镜用于完成光纤激光的准直和整形，所述分光棱镜6设置在所述光纤准直镜5的出射光路上；所述半导体准直镜4设置在所述半导体激光器1的出射光路上，所述分光棱镜6设置在所述半导体准直镜4的出射光路上。
所述空间交会对接的大动态激光发射装置还包括主波PIN管10，所述主波PIN管10位于所述分光棱镜6的反射光路上，所述主波PIN管10用于探测所述光纤激光器2发射激光的时刻和所述半导体激光器1发射激光的时刻。所述分光棱镜6保证1064nm的光纤激光98％透射，2％在反射面上发射进入主波PIN管10，用于探测光纤激光发射的时刻；905nm的半导体激光在反射面99％发射，1％透射至PIN管，用于探测半导体激光发射的时刻。
所述半导体驱动电路3包括高压模块Hv、充电限流电阻R1、脉冲电流限流电阻R2、储能电容C1、保护二极管D1和控制开关K，所述高压模块Hv、所述充电限流电阻R1、所述储能电容C1和所述脉冲电流限流电阻R2依次连接，所述控制开关K位于所述充电限流电阻R1和所述储能电容C1之间，所述保护二极管D1和所述半导体激光器1分别与所述脉冲电流限流电阻R2连接。所述半导体激光器1及所述半导体驱动电路3，在激光触发控制下完成相应频率的窄脉冲、能量可调的半导体激光驱动。采用电容放电模式设计驱动电路，与恒流源模式驱动电路相比，具有电路简单、效率高、功耗小、峰值功率大和上升时间短等优点。电路如图2所示。其中Hv为输入高压，R1为充电限流电阻，R2为脉冲电流限流电阻，C1为储能电容，D1为保护二极管，D2位半导体激光器1，K为控制开关。由于实际电路中不可避免的存在电感，所以该模型实际上是个RLC电路。
在充电过程中开关K断开，高压Hv通过R1对C1充电，C1两端电压逐渐升高。充电完成后C1两端电压升至Hv，即节点A的电压为Hv，节点B的电压近似为0。充电完成后，闭合开关K，则节点A的电压降为0，节点B的电压降为-Hv，所以在D2上会产生流向节点B的放电脉冲电流。
改变该驱动电路的Hv、R1、C1、R2等参数可以调整脉冲激光输出电流的峰值功率、脉冲宽度和重复频率。Hv的电压越高、C1的电容越大、R2的电阻越小，则输出激光的峰值功率越大；C1的电容越小、R2的电阻越小，则脉冲激光的脉宽越窄；R1的电阻越小，则脉冲激光的重复频率越高。为了更好的设计驱动电路，本发明提出采用以下公式，计算驱动电路要求的脉冲半导体激光输出电流峰值功率、脉冲宽度和重复频率所需要的Hv、R1、C1、R2等电路参数。
设高压ΔU在一个极短的时间△t内放电完毕，放电电流为I，那么储能电容C为：
要保证出发脉冲到来时，C1已充电完毕，触发脉冲的周期须大于3～5倍的R1C1的充电时间常数，即：
式中f为重复频率，R为所述半导体驱动电路3中电阻R1的阻值，C为所述半导体驱动电路3中电容C1的容值。
本驱动电路要求电流脉冲上升时间4ns，脉宽8ns，最大重复频率50KHz，最大脉冲电流30A，高压200V充电，带入公式(3-8)、(3-9)，得到电路参数的估计值：C1＝1.2nf，R1<5.5KΩ，电路中脉冲电流的大小是由驱动LD的芯片决定，一般情况下可通过高压Hv来调节。在该驱动电路中，开关K是核心器件，它的导通时间和驱动能力制约输出脉冲激光的上升时间和峰值功率。开关K的选择有：高压MOS管、雪崩晶体管以及快速三极管等。为了满足空间应用环境，本发明选择了一种2N3700快速三极管作为开关。其导通时间，耐压VCEO最大150V。为了适应大能量的调制，需要将提高高压的幅值，因此本发明设计了一种串联结构的开关K，如图3所示。
在交会对接激光测量中，需要在几十km至对接的1m以内，都要完成测量。在整个测量范围内，激光回波的能量变化1012倍，需要对激光发射的光强进行调节。设计时采用调光系统配合半导体激光器1和光纤激光器2自身光强调节来进行能量调节。所述调光系统包括调光盘7、调光电机8和调光编码器9，所述调光盘7设置在所述分光棱镜6的出射光路上，所述调光电机8分别与所述调光盘7和所述调光编码器9连接。
所述调光电机8为步进电机。即所述调光系统采用步进电机细分控制，所述步进电机轴的一端固定调光盘7，另一端装有调光编码器9。所述步进电机采用FPGA硬件1024细分PWM驱动，保证衰减控制的均匀性和连续性。
本发明与现有技术相比，具有下列优势：
本发明具有双波长共口径共主波的优势，可以实现双波长识别，采用了自制的分光棱镜6，两个波段的激光均可透过。
本发明采用FPGA细分驱动电路实现了高精度步进电机驱动，保证了负载——调光盘7转动分辨率和均匀性，达到调整发射光强的目的；调光盘7根据实际需求，制作衰减系数OD从0～5甚至0～8的调光盘7实现光强的大动态调节。
本发明采用电容充放电原理实现了一种窄脉冲(10ns)、功率可调(1％～100％)高压发射半导体激光驱动电路，所有器件可适应空间环境应用，满足更宽的工作温度范围和(-55℃～125℃)空间辐照环境。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种用于空间交会对接的大动态激光发射装置，其特征在于，包括：光纤激光器、半导体激光器、半导体驱动电路、准直系统、分光棱镜、调光系统、主波PIN管和控制器，所述半导体驱动电路用于驱动所述半导体激光器发射能量可调的激光，经所述光纤激光器发射的激光或所述半导体激光器发出的激光分别通过所述准直系统准直后进入所述分光棱镜，通过所述分光棱镜将透射的激光传播至所述调光系统，经所述调光系统调光后发射出去，所述调光系统在所述控制器的控制下转动；所述光纤激光器采用FC/APC，斜8°的光纤插头；
所述调光系统包括调光盘、调光电机和调光编码器，所述调光盘设置在所述分光棱镜的出射光路上，所述调光电机分别与所述调光盘和所述调光编码器连接；调光盘的衰减系数为0～8，以实现光强的大动态调节；所述主波PIN管位于所述分光棱镜的反射光路上，所述主波PIN管用于探测所述光纤激光器发射激光的时刻和所述半导体激光器发射激光的时刻；
所述分光棱镜保证光纤激光器发射的激光98％透射，2％在反射面上发射进入主波PIN管，用于探测光纤激光器发射激光的时刻；半导体激光器发出的激光在反射面99％发射，1％透射至主波PIN管，用于探测半导体激光器发射激光的时刻；
所述半导体驱动电路包括高压模块Hv、充电限流电阻R1、脉冲电流限流电阻R2、储能电容C1、保护二极管D1和控制开关K，所述高压模块Hv、所述充电限流电阻R1、所述储能电容C1和所述脉冲电流限流电阻R2依次连接，所述控制开关K位于所述充电限流电阻R1和所述储能电容C1之间，所述保护二极管D1和所述半导体激光器分别与所述脉冲电流限流电阻R2连接；所述控制开关K包括三个串联的快速三极管；
采用以下公式，计算半导体驱动电路要求的脉冲半导体激光输出电流峰值功率、脉冲宽度和重复频率所需要的高压模块Hv、充电限流电阻R1及储能电容C1：
设高压ΔU在一个极短的时间Δt内放电完毕，放电电流为I，则储能电容C1的容值C为：
式中f为重复频率，R为所述半导体驱动电路中充电限流电阻R1的阻值，C为所述半导体驱动电路中储能电容C1的容值。
2.根据权利要求1所述的用于空间交会对接的大动态激光发射装置，其特征在于，所述准直系统包括光纤准直镜和半导体准直镜，所述光纤准直镜设置在所述光纤激光器的出射光路上，所述分光棱镜设置在所述光纤准直镜的出射光路上；所述半导体准直镜设置在所述半导体激光器的出射光路上，所述分光棱镜设置在所述半导体准直镜的出射光路上。
3.根据权利要求1所述的用于空间交会对接的大动态激光发射装置，其特征在于，所述调光电机为步进电机。
4.根据权利要求1所述的用于空间交会对接的大动态激光发射装置，其特征在于，所述光纤激光器的中心波长为1064nm。
5.根据权利要求1所述的用于空间交会对接的大动态激光发射装置，其特征在于，所述半导体激光器的中心波长为905nm。
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