CN114595617B - 一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，属于脉冲测量技术领域，用于光路参数拓扑结构的设计，包括建立全光路参数拓扑模型；进行拓扑优化，定义设计域、设计载荷、约束和边界条件；基于SIMP模型求解离散有限元单元的质量特征、单元刚度矩阵和节点位移；求解光路全结构函数和灵敏度；进行收敛条件的判断，建立起连续光路结构体拓扑优化模型；通过CFD数值模拟，获得运转状态下的工作载荷作为拓扑优化的优化条件，针对拓扑优化结果的质量分布建立光路结构重构模型；对光路结构重构模型进行尺寸优化分析，验证拓扑优化结果的减重和增加刚度的成果。本发明通过拓扑优化，获得了传力路径完整、结构清晰的质量分布结果。

Description

一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法

技术领域

本发明公开了一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，属于脉冲测量技术领域。

背景技术

光路的设计是微脉冲激光雷达测量质量的关键因素，它直接影响到回波信号在透射或反射过程中的衰减情况。气溶胶是指悬浮在气体中的固体和液体微粒与气体载体组成的多相体系。同时，这些粒子又具有独立于空气的物理化学特征，而这些特征正是我们所需要关注和研究的。微脉冲激光雷达可利用气溶胶粒子对激光的散射和吸收作用，测量气溶胶的后向散射，并反演出大气气溶胶消光系数随高度的分布，从而得到气溶胶在大气中的分布，有效探测到空气质量状况。根据大气对激光的散射、吸收等物理原理，激光雷达通过分析激光束在大气传输过程中与大气相互作用的回波信号，获得大气环境的信息。激光具有单色性好、万向性强、亮度高、脉览窄等特点，便得激光雷达可以对几公里以至几十公里大范围大气环境进行高时空分辨能力的实时观测，成为研究大气边界层、气溶胶(飘尘)、云结构、大气成分、风场、温度廓线等大气特性的高技术手段，激光雷达已成为大气环境监测和大气科学研究领域中不可缺少的观测设备。

微脉冲激光雷达的光路主体结构由两个模块组成，分别为激光发射模块和光学接收模块。激光发射模块主要包括脉冲激光器、扩束镜和发射组镜。二极管泵浦的Nd：YAG激光器以2.5kHz的重复频率发射波长为532nm的激光，通过扩束镜准直后经过发射组镜发射到大气中。光学接收模块主要功能是接收大气回波信号，并将其导入相应的后继光学通道，便于被光电倍增管（PMT）探测。望远镜接收到的大气后向散射信号首先经过小孔，然后信号经透镜准直后通过干涉滤光片，滤除天空背景光，采用光子计数型PMT进行光电转换。经光电转换后得到光电信号，从而反演出气溶胶在大气中的分布，有效探测到空气质量状况。

微脉冲激光雷达的光路主体的参数拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对质量大小、形状结构和材料分布进行优化的方法。通过拓扑优化，可以在均匀分布材料的设计区域中找到最佳的分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，是最具发展前景的结构优化手段。本发明将扫描式微脉冲激光雷达全光路各光学元器件及其连接结构作为拓扑优化设计的研究对象，其主体结构主要由激光发射模块和光学接收模块组成。目前激光雷达光路结构中，技术不足主要有以下几个方面：光路各光学器件和与整体结构连接构件质量不可控，缺少可靠的算法模型，无有效的量化分析手段；激光雷达光路各光学器件与整体相连接部分质量较大，易产生压力形变，导致机件疲劳失效，不利于轻量化设计；光路整体结构占用空间大，结构不紧凑，易导致雷达运转过程中动态性能的降低；连接构件刚度强度不够，稳定性差，导致光路震颤，使光学信号失真，测量数据误差大。

发明内容

本发明提出了一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，解决现有技术中激光雷达光路各光学器件与整体相连接部分质量较大，光路整体结构占用空间大，结构不紧凑，且刚度强度不够，稳定性欠缺等问题。

一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，包括：

S1、建立全光路参数拓扑模型；

S2、进行拓扑优化，定义激光发射模块和光学接收模块二者的设计域、设计载荷、约束和边界条件；

S3、基于SIMP模型求解离散有限元单元的质量特征、单元刚度矩阵和节点位移；

S4、求解光路全结构函数和灵敏度，同时基于SQP优化算法进行光路设计变量的更新；

S5、进行收敛条件的判断，结果为否则返回S2，结果为是则得到最优的质量分布结果，以此作为拓扑优化结果，结束拓扑优化，建立起连续光路结构体拓扑优化模型；

S6、通过CFD数值模拟，获得运转状态下的工作载荷作为拓扑优化的优化条件，针对拓扑优化结果的质量分布建立光路结构重构模型；

S7、对光路结构重构模型进行尺寸优化分析，验证拓扑优化结果的减重和增加刚度的成果。

所述S1包括：将整体结构的柔顺度为优化目标，所述优化目标是拓扑优化设计中 的目标函数：

，蒙皮柔顺度为：

，

，Ωs代表 蒙皮整体结构；

结合有限元数值处理方法，将光路总体结构设计域离散为n个单元，将密度函数离散为一个N维向量，假设该向量为x=(x ₁，x ₂，...，x _n)，x _i 是单元i的伪密度值，伪密度值用来表述每个单元材料质量的有无，伪密度值为1代表有材料，伪密度值为0代表没有材料，将拓扑优化问题转化为：

v _i 为单位i的体积，V为结构总体积，f为给定的体分比上限，

为待优化的单元，C 表示总体柔度，K表示整体刚度矩阵，F表示整体力矢量，U表示整体位移矢量。

所述S3包括：采用SIMP模型，有限元离散后形成大规模0-1规划情况，引入连续函 数建立0和1之间的映射关系，将离散问题转换为连续变量的问题，材料密度与弹性模量的 关系可以表达为：

，

E ₀ 表示材料完全填充时的弹性模量p为惩罚因子，p=3。

所述S4包括：使用SQP梯度优化算法，根据光路器件结构和光路约束条件关于设计变量的梯度，进行迭代优化过程，应用于针对柔顺度的灵敏度分析：

对KU=F方程两边关于设计变量求导得：

联立可得：

再结合SIMP插值模型，得：

Ci代表单元i对应的柔顺度，针对蒙皮柔顺度相对伪密度设计变量的灵敏度为：

。

所述连续光路结构体拓扑优化模型分别选用光路结构柔顺度和蒙皮柔顺度作为光路结构部分拓扑优化设计的目标函数，采用相同的设计变量和约束条件；使用二次规划算法作为光路结构拓扑优化过程的优化算法，在每轮迭代都会产生新的光路结构设计变量，来作为验证柔顺度数值的输入变量，再计算柔顺度数值和灵敏度，直到满足收敛条件，最终得到连续光路结构体拓扑优化模型为：

u表示单元位移矢量，V表示实际的材料体积，V*表示优化体积比，V ₀ 为整个设计域的初始设计体积，v _e 为优化后的单元体积，N为结构离散单元总数目，ρ _e 是单元的密度，ρ _min为单元相对密度的最小极限值。

望远镜主镜结构为对称结构，对全光路参数拓扑模型设置对称约束条件；

望远镜主镜的支撑孔和通光孔附近的加强筋保留，远离支撑孔的加强筋被去除；

望远镜主镜镜面节点在光轴方向上的最大位移不超过30nm，望远镜主镜的质量约束在30%～50%，优化目标为结构的柔顺度最小化。

望远镜主镜和扩束镜底部使用中空直梁固定的布置方式，使用加强筋和辅助梁增加传力路径，将载荷传递到中心体位置以降低重心高度，优化望远镜主镜下方的加强筋，包括加强筋的布置、质量、柔顺度以及Z向形变四个方面。

微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构包括：扩束镜、激光发射器、望远镜、发射组镜、反光镜、光电倍增管、干涉滤光片和透镜；

激光发射器在扩束镜后12mm处，望远镜位于激光发射器和扩束镜的中央右侧，发射组镜在望远镜侧前方58mm处，反光镜设有两个，并列位于发射组镜前方51mm处，使发射组镜位于两个反光镜中央，望远镜后方18mm处为光电倍增管，干涉滤光片在光电倍增管后方距离46mm处，透镜位于望远镜主镜侧后方38mm处，且处在光电倍增管的右侧。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：

1)通过拓扑优化，获得了传力路径完整、结构清晰的质量分布结果，使用直梁的结构方式，可以减少构件质量，提高交接处的结构强度，增大刚度，使用辅助梁和加强筋可以增加传力路径，将载荷传递到中心体位置，降低重心高度，增加稳定性。

2)从光路机械结构的布置、质量、柔顺度以及Z向形变四个方面证明了光路全结构拓扑优化结果的合理性。在等柔顺度时，重构模型相比标准模型质量减少18.66%；在等质量时，重构模型相比标准模型全机柔顺度降低48.20%，证明了拓扑优化结果的减重效果。

3)通过拓扑优化并对结果建立重构光路结构，再使用尺寸优化设计与原标准模型对比来验证拓扑优化效果，建立了针对复杂构型的优化-评估机制，尺寸优化不仅可以作为结构优化设计的一部分，还可以作为拓扑优化效果的检验工具。进一步验证了新光路结构具备减重和增大刚度的效果，通过对光路镜体质量的减轻可减少因过载而产生的额外震动，提高稳定性。

附图说明

图1为本发明的连续光路结构体拓扑优化模型构建的技术流程图；

图2为本发明的光路结构重构模型的技术流程图；

图3为本发明的光路结构图。

附图标记包括：1-光电倍增管，2-反光镜，3-扩束镜，4-激光发射器，5-发射组镜，6-望远镜，7-透镜，8-干涉滤光片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，包括：

S1、建立全光路参数拓扑模型；

S2、进行拓扑优化，定义激光发射模块和光学接收模块二者的设计域、设计载荷、约束和边界条件；

S3、基于SIMP模型求解离散有限元单元的质量特征、单元刚度矩阵和节点位移；

S4、求解光路全结构函数和灵敏度，同时基于SQP优化算法进行光路设计变量的更新；

S5、进行收敛条件的判断，结果为否则返回S2，结果为是则得到最优的质量分布结果，以此作为拓扑优化结果，结束拓扑优化，建立起连续光路结构体拓扑优化模型，过程如图1；

S6、通过CFD数值模拟，获得运转状态下的工作载荷作为拓扑优化的优化条件，针对拓扑优化结果的质量分布建立光路结构重构模型，如图2；

S7、对光路结构重构模型进行尺寸优化分析，验证拓扑优化结果的减重和增加刚度的成果。

所述S1包括：将整体结构的柔顺度为优化目标，所述优化目标是拓扑优化设计中 的目标函数：

，蒙皮柔顺度为：

，

，Ωs代表蒙 皮整体结构；

结合有限元数值处理方法，将光路总体结构设计域离散为n个单元，将密度函数离散为一个N维向量，假设该向量为x=(x ₁，x ₂，...，x _n)，x _i 是单元i的伪密度值，伪密度值用来表述每个单元材料质量的有无，伪密度值为1代表有材料，伪密度值为0代表没有材料，将拓扑优化问题转化为：

v _i 为单位i的体积，V为结构总体积，f为给定的体分比上限，

为待优化的单元，C 表示总体柔度，K表示整体刚度矩阵，F表示整体力矢量，U表示整体位移矢量。

所述S3包括：采用SIMP模型，有限元离散后形成大规模0-1规划情况，引入连续函 数建立0和1之间的映射关系，将离散问题转换为连续变量的问题，材料密度与弹性模量的 关系可以表达为：

，

E ₀ 表示材料完全填充时的弹性模量p为惩罚因子，p=3。

所述S4包括：使用SQP梯度优化算法，根据光路器件结构和光路约束条件关于设计变量的梯度，进行迭代优化过程，应用于针对柔顺度的灵敏度分析：

对KU=F方程两边关于设计变量求导得：

联立可得：

再结合SIMP插值模型，得：

Ci代表单元i对应的柔顺度，针对蒙皮柔顺度相对伪密度设计变量的灵敏度为：

。

所述连续光路结构体拓扑优化模型分别选用光路结构柔顺度和蒙皮柔顺度作为光路结构部分拓扑优化设计的目标函数，采用相同的设计变量和约束条件；使用二次规划算法作为光路结构拓扑优化过程的优化算法，在每轮迭代都会产生新的光路结构设计变量，来作为验证柔顺度数值的输入变量，再计算柔顺度数值和灵敏度，直到满足收敛条件，最终得到连续光路结构体拓扑优化模型为：

u表示单元位移矢量，V表示实际的材料体积，V*表示优化体积比，V ₀ 为整个设计域的初始设计体积，v _e 为优化后的单元体积，N为结构离散单元总数目，ρ _e 是单元的密度，ρ _min为单元相对密度的最小极限值。

望远镜6主镜结构为对称结构，对全光路参数拓扑模型设置对称约束条件；

望远镜6主镜的支撑孔和通光孔附近的加强筋保留，远离支撑孔的加强筋被去除；

望远镜6主镜镜面节点在光轴方向上的最大位移不超过30nm，望远镜6主镜的质量约束在30%～50%，优化目标为结构的柔顺度最小化。

望远镜6主镜和扩束镜3底部使用中空直梁固定的布置方式，使用加强筋和辅助梁增加传力路径，将载荷传递到中心体位置以降低重心高度，优化望远镜6主镜下方的加强筋，包括加强筋的布置、质量、柔顺度以及Z向形变四个方面。

微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构包括：扩束镜3、激光发射器4、望远镜6、发射组镜5、反光镜2、光电倍增管1、干涉滤光片8和透镜7；

如图3，激光发射器4在扩束镜3后12mm处，望远镜6位于激光发射器4和扩束镜3的中央右侧，发射组镜5在望远镜6侧前方58mm处，反光镜2设有两个，并列位于发射组镜5前方51mm处，使发射组镜5位于两个反光镜2中央，望远镜6后方18mm处为光电倍增管1，干涉滤光片8在光电倍增管1后方距离46mm处，透镜7位于望远镜6主镜侧后方38mm处，且处在光电倍增管1的右侧。

对重构模型进行尺寸优化分析，与原标准模型对比，验证拓扑优化结果的减重和增加刚度的成果，从而确定其减少因质量产生额外震动，增加稳定性的效果。其中建立优化方程是为了得到刚度最大的结构布置方式，增加光路的稳定性。使用紧凑型光子晶体设计基于拓扑边界的激光器，在量子级激光器晶片上利用参数拓扑优化打入正六角形孔，组成三角形晶格，再利用反对称结构，使光在腔内循环而不经历局域化，增加刚度，该特性能够有效抑制局部驻波模的形成，从而提高激光器发射激光的稳定性。对光路全结构拓扑集成模型建立后，可比较评估尺寸优化模型。为保证拓扑优化效果的评估不受人为因素影响，对标准模型和重构模型进行尺寸优化，使用最优的尺寸布置方式进行比较，得到参数拓扑设计的优化方案。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，其特征在于，包括：

S1、建立全光路参数拓扑模型；

S2、进行拓扑优化，定义激光发射模块和光学接收模块二者的设计域、设计载荷、约束和边界条件；

S3、基于SIMP模型求解离散有限元单元的质量特征、单元刚度矩阵和节点位移；

S4、求解光路全结构函数和灵敏度，同时基于SQP优化算法进行光路设计变量的更新；

S5、进行收敛条件的判断，结果为否则返回S2，结果为是则得到最优的质量分布结果，以此作为拓扑优化结果，结束拓扑优化，建立起连续光路结构体拓扑优化模型；

S6、通过CFD数值模拟，获得运转状态下的工作载荷作为拓扑优化的优化条件，针对拓扑优化结果的质量分布建立光路结构重构模型；

S7、对光路结构重构模型进行尺寸优化分析，验证拓扑优化结果的减重和增加刚度的成果；所述S1包括：将整体结构的柔顺度为优化目标，所述优化目标是拓扑优化设计中的目标函数：

，蒙皮柔顺度为：

，

，Ωs代表蒙皮整体结构；

结合有限元数值处理方法，将光路总体结构设计域离散为n个单元，将密度函数离散为一个N维向量，假设该向量为x=(x ₁，x ₂，...，x _n)，x _i 是单元i的伪密度值，伪密度值用来表述每个单元材料质量的有无，伪密度值为1代表有材料，伪密度值为0代表没有材料，将拓扑优化问题转化为：

v _i 为单位i的体积，V为结构总体积，f为给定的体分比上限，

为待优化的单元，C表示总体柔度，K表示整体刚度矩阵，F表示整体力矢量，U表示整体位移矢量。

2.如权利要求1所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，其特征在于，所述S3包括：采用SIMP模型，有限元离散后形成大规模0-1规划情况，引入连续函数建立0和1之间的映射关系，将离散问题转换为连续变量的问题，材料密度与弹性模量的关系可以表达为：

，

E ₀ 表示材料完全填充时的弹性模量，p为惩罚因子，p=3。

3.如权利要求2所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，其特征在于，所述S4包括：使用SQP梯度优化算法，根据光路器件结构和光路约束条件关于设计变量的梯度，进行迭代优化过程，应用于针对柔顺度的灵敏度分析：

对KU=F方程两边关于设计变量求导得：

联立可得：

再结合SIMP插值模型，得：

Ci代表单元i对应的柔顺度，针对蒙皮柔顺度相对伪密度设计变量的灵敏度为：

。

4.如权利要求3所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，其特征在于，所述连续光路结构体拓扑优化模型分别选用光路结构柔顺度和蒙皮柔顺度作为光路结构部分拓扑优化设计的目标函数，采用相同的设计变量和约束条件；使用二次规划算法作为光路结构拓扑优化过程的优化算法，在每轮迭代都会产生新的光路结构设计变量，来作为验证柔顺度数值的输入变量，再计算柔顺度数值和灵敏度，直到满足收敛条件，最终得到连续光路结构体拓扑优化模型为：

u表示单元位移矢量，V表示实际的材料体积，V*表示优化体积比，V ₀ 为整个设计域的初始设计体积，v _e 为优化后的单元体积，N为结构离散单元总数目，ρ _e 是单元的密度，ρ _min为单元相对密度的最小极限值。

5.如权利要求4所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，其特征在于，望远镜主镜结构为对称结构，对全光路参数拓扑模型设置对称约束条件；

望远镜主镜的支撑孔和通光孔附近的加强筋保留，远离支撑孔的加强筋被去除；

望远镜主镜镜面节点在光轴方向上的最大位移不超过30nm，望远镜主镜的质量约束在30%～50%，优化目标为结构的柔顺度最小化。

6.如权利要求5所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，其特征在于，望远镜主镜和扩束镜底部使用中空直梁固定的布置方式，使用加强筋和辅助梁增加传力路径，将载荷传递到中心体位置以降低重心高度，优化望远镜主镜下方的加强筋，包括加强筋的布置、质量、柔顺度以及Z向形变四个方面。

7.如权利要求6所述的一种微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构的设计方法，其特征在于，微脉冲激光雷达光路参数拓扑结构包括：扩束镜、激光发射器、望远镜、发射组镜、反光镜、光电倍增管、干涉滤光片和透镜；

激光发射器在扩束镜后12mm处，望远镜位于激光发射器和扩束镜的中央右侧，发射组镜在望远镜侧前方58mm处，反光镜设有两个，并列位于发射组镜前方51mm处，使发射组镜位于两个反光镜中央，望远镜后方18mm处为光电倍增管，干涉滤光片在光电倍增管后方距离46mm处，透镜位于望远镜主镜侧后方38mm处，且处在光电倍增管的右侧。

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