CN115616530A - 一种激光雷达光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及激光设备技术领域，公开了一种激光雷达光学扫描装置，包括：驱动部件设于支撑座上，用于驱动反射镜座转动以带动反射镜转动，滑动件在随反射镜转动而抵接于支撑座延伸部的目标位置时，克服复位件的复位力使反射镜与扩束镜筒的光束方向之间的夹角为第一预设角度，以便反射镜反射出垂直水平面向上的光束，复位件在滑动件滑离延伸部时，将夹角从第一预设角度恢复至第二预设角度；其中，第一预设角度与第二预设角度不相同。本申请仅通过单一驱动部件和单一反射镜便可实现多波束固定仰角且带垂直光束的扫描需求，相比双轴扫描类的机构和固定镜筒式的切换光路结构，无需两套伺服电机或光切换器，结构简单，体积小，设备成本相对较低。

Description

一种激光雷达光学扫描装置

技术领域

本申请涉及激光设备技术领域，特别是涉及一种激光雷达光学扫描装置。

背景技术

相干多普勒测风激光雷达是一种依靠向大气中发射脉冲激光束，通过探测大气回光信号的频移量来测量风速的设备。根据多普勒原理，单一方向的回光中，仅包含该方向的速度分量所含的多普勒频移。所以各类的相干多普勒测风激光雷达，均需要向多个方向发射光束，从不同角度对风进行测量，然后通过反演算法计算出真实的三维风场。

除此以外，某些观测模式下，还希望能有一束垂直光束，直接观测垂直风速。但一般简单的单轴控制的扫描方式较难实现带有垂直观测光束的多波束扫描。目前实现带有垂直观测光束的多波束扫描可以通过双轴扫描类的机构和固定镜筒式的切换光路结构，双轴扫描类的机构主要问题在于需要控制两个轴的旋转，需要两套伺服电机系统，体积较大。固定镜筒式的切换光路结构有多少个光束方向，就要有多少个镜筒、镜片，冗余镜筒、镜片较多，整个结构的体积较大，并且光切换器价格较高。

因此，如何实现带有垂直观测光束的多波束扫描的同时减小装置的体积和降低设备成本是本领域技术人员亟需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种激光雷达光学扫描装置，用于实现带有垂直观测光束的多波束扫描的同时减小装置的体积和降低设备成本。

为解决上述技术问题，本申请提供一种激光雷达光学扫描装置，包括：

反射镜，所述反射镜设有滑动件；

反射镜座，与所述反射镜转动连接，所述反射镜与所述反射镜座之间设有阻止两者相对转动的复位件；

扩束镜筒，设于所述反射镜的对面；

驱动部件，设于支撑座上，用于驱动所述反射镜座转动以带动所述反射镜转动，所述滑动件用于在随所述反射镜转动而抵接于支撑座延伸部的目标位置时，克服所述复位件的复位力使所述反射镜与所述扩束镜筒的光束方向之间的夹角为第一预设角度，以便所述反射镜反射出垂直水平面向上的光束，所述复位件用于在所述滑动件滑离所述支撑座延伸部时，将所述夹角从所述第一预设角度恢复至第二预设角度；其中，所述第一预设角度与所述第二预设角度不相同。

优选地，所述支撑座延伸部为垂直水平面向上延伸的台阶，所述台阶位于所述反射镜的边缘下方；对应地，所述滑动件设于所述反射镜的底面边缘处。

优选地，所述台阶的所述目标位置设有定位槽。

优选地，所述复位件为第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁设于所述反射镜的底面，所述第二磁铁相对于所述第一磁铁设于所述反射镜座的顶面。

优选地，所述复位件为弹簧，所述弹簧的一端与所述反射镜的底面连接，所述弹簧的另一端与所述反射镜座的顶面连接。

优选地，所述滑动件为轴承滚轮；对应地，所述台阶的顶面为斜面。

优选地，所述支撑座设有斜面，所述驱动部件的底部固设于所述斜面上。

优选地，所述驱动部件为伺服电机，所述伺服电机包括定子和转子，所述定子固设于所述斜面上，所述反射镜座与所述转子连接。

优选地，所述反射镜与所述反射镜座之间通过轴承转动连接。

优选地，其特征在于，所述反射镜为圆形。

本申请所提供的一种激光雷达光学扫描装置，包括：反射镜，反射镜设有滑动件；反射镜座，与反射镜转动连接，反射镜与反射镜座之间设有阻止两者相对转动的复位件；扩束镜筒，设于反射镜的对面；驱动部件，设于支撑座上，用于驱动反射镜座转动以带动反射镜转动，滑动件用于在随反射镜转动而抵接于支撑座延伸部的目标位置时，克服复位件的复位力使反射镜与扩束镜筒的光束方向之间的夹角为第一预设角度，以便反射镜反射出垂直水平面向上的光束，复位件用于在滑动件滑离延伸部时，将夹角从第一预设角度恢复至第二预设角度；其中，第一预设角度与第二预设角度不相同。本申请仅通过单一驱动部件和单一反射镜便可实现多波束固定仰角且带垂直光束的扫描需求，相比双轴扫描类的机构和固定镜筒式的切换光路结构，无需两套伺服电机或光切换器，结构简单，体积小，设备成本相对较低。并且仅需控制反射镜座的旋转，控制简单，驱动部件仅负载反射镜、反射镜座及少量结构件重量，可以使扫描更加快速准确，功耗极低。台阶、滑动件和复位件的设计能够使反射镜在第一预设角度至第二预设角度之间过渡平稳，避免冲击。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的一种激光雷达光学扫描装置的结构图；

图2为本申请实施例提供的一种反射镜、反射镜座、驱动部件和支撑座的侧视图；

图3为本申请实施例提供的另一种反射镜、反射镜座、驱动部件和支撑座的侧视图；

图4为本申请实施例提供的一种反射镜、反射镜座、驱动部件和支撑座的分解图；

图5为本申请实施例提供的一种反射镜、反射镜座、驱动部件和支撑座的示意图主视图；

附图标记如下：1为反射镜、2为滑动件、3为反射镜座、4为复位件、5为支撑座、6为驱动部件、7为支撑座延伸部、8为扩束镜筒、9为轴承、10为定位槽、401为第一磁铁、402为第二磁铁、601为定子、602为转子。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护范围。

本申请主要应用于相干多普勒测风激光雷达。大部分的垂直测量相干多普勒测风激光雷达需要将光束以一定的仰角发射到天空中，并且在多个方位角度（一般为四个正交方向）进行观测。除此以外，某些观测模式下，还希望能有一束垂直光束，直接观测垂直风速。但一般简单的单轴控制的扫描方式较难实现带垂直观测光束的多波束扫描。

实现带垂直观测光束的多波束扫描，有诸多方案。光源及整体系统装在一套双轴旋转伺服机构中，伺服机构整体旋转将光束指向目标方向；使用多个固定角度的镜筒，通过光切换器切换光从哪个镜筒发射来将光束轮流指向目标方向。使用双轴反射镜结构，体积较大，成本较高，需要控制两个轴的旋转，需要两套伺服电机系统。固定镜筒式的切换光路结构，有多少个光束方向，就要有多少个镜筒、镜片，冗余镜筒、镜片较多，体积较大，且光切换器价格较高，并且光切换器存在较大的光损耗，会降低光学效率。

本申请的核心是提供激光雷达光学扫描装置，用于能够较为方便的实现多波束固定仰角且带垂直光束的扫描需求，并且本申请只需一个驱动部件和一个反射镜，体积小巧，无需光切换器，设备成本相对较低。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

图1为本申请实施例提供的一种激光雷达光学扫描装置的结构图，如图1所示，本申请所提供的一种激光雷达光学扫描装置，包括：反射镜1，反射镜1设有滑动件2；反射镜座3，与反射镜1转动连接，反射镜1与反射镜座3之间设有阻止两者相对转动的复位件4；扩束镜筒8，设于反射镜1的对面；驱动部件6，设于支撑座5上，用于驱动反射镜座3转动以带动反射镜1转动，滑动件2用于在随反射镜1转动而抵接于支撑座延伸部7的目标位置时，克服复位件4的复位力使反射镜1与扩束镜筒8的光束方向之间的夹角为第一预设角度，以便反射镜1反射出垂直水平面向上的光束，复位件4用于在滑动件2滑离支撑座延伸部7时，将夹角从第一预设角度恢复至第二预设角度；其中，第一预设角度与第二预设角度不相同。

本申请实施例对反射镜1的形状不作具体限定，一般情况下设计为圆形，圆形的反射镜1没有棱角，比较安全。本申请实施例对反射镜1与反射镜座3的转动连接的方式也不作具体限定，具体地，反射镜1与反射镜座3之间可以通过轴承9转动连接，活动结构为轴承9，且负载较低，可以长时间连续工作。设置在反射镜1与所述反射镜座3之间的复位件4可以是磁铁、弹簧等，复位件4一方面阻止反射镜1相对反射镜座3转动，另一方面能够保证反射镜1相对水平面倾斜设置，即保证反射镜1与扩束镜筒发射的光束存在一定的夹角，该夹角的度数记为第二预设角度。驱动部件6设于支撑座5上，支撑座5还设有支撑座延伸部7，支撑座延伸部7位于反射镜1的下方，驱动部件6驱动反射镜座3转动带动反射镜1转动，如图2所示，设于反射镜1底面的滑动件2随反射镜1的转动而转动至与支撑座延伸部7抵接，在滑动至支撑座延伸部7的目标位置时，将反射镜1的一侧向上抬起，并克服复位件4的复位力，使反射镜1与扩束镜筒8发射的光束之间的夹角为第一预设角度，以使反射镜1能够将扩束镜筒8发射的光束反射成垂直水平面向上发射的光束；如图3所示，在滑动件2随反射镜1转动而逐渐滑离支撑座延伸部7后，反射镜1与扩束镜筒8发射的光束之间的夹角由第一预设角度恢复至第二预设角度，由于从第一预设角度恢复至第二预设角度，反射镜1与扩束镜筒8发射的光束之间的夹角在不断变化，反射镜1反射出的光束的角度也在不断变化，在恢复至第二预设角度时，这种情况下，驱动部件6驱动反射镜座3旋转会带着扩束镜筒8发射的光束在空中形成一个非圆形的锥面，通过计算，合理选取相关的角度，可以形成其余测风的四波束光束。

本申请实施例所提供的一种激光雷达光学扫描装置，包括：反射镜，反射镜设有滑动件；反射镜座，与反射镜转动连接，反射镜与反射镜座之间设有阻止两者相对转动的复位件；扩束镜筒，设于反射镜的对面；驱动部件，设于支撑座上，用于驱动反射镜座转动以带动反射镜转动，滑动件用于在随反射镜转动而抵接于支撑座延伸部的目标位置时，克服复位件的复位力使反射镜与扩束镜筒的光束方向之间的夹角为第一预设角度，以便反射镜反射出垂直水平面向上的光束，复位件用于在滑动件滑离延伸部时，将夹角从第一预设角度恢复至第二预设角度；其中，第一预设角度与第二预设角度不相同。本申请仅通过单一驱动部件和单一反射镜便可实现多波束固定仰角且带垂直光束的扫描需求，相比双轴扫描类的机构和固定镜筒式的切换光路结构，无需两套伺服电机或光切换器，结构简单，体积小，设备成本相对较低。并且仅需控制反射镜座的旋转，控制简单，驱动部件仅负载反射镜、反射镜座及少量结构件重量，可以使扫描更加快速准确，功耗极低。台阶、滑动件和复位件的设计能够使反射镜在第一预设角度至第二预设角度之间过渡平稳，避免冲击。

基于上述实施例，如图4所示，本申请实施例的支撑座延伸部7为垂直水平面向上延伸的台阶，台阶位于反射镜1的边缘下方；对应地，滑动件2设于反射镜1的底面边缘处，方便滑动件2顺利地与台阶接触。并且台阶的顶面为斜面，对应地，滑动件2为轴承滚轮，轴承滚轮能够顺利地沿着斜面滑动，以防止阻碍反射镜座3带动反射镜1的转动。

基于上述实施例，如图4所示，本申请实施例的支撑座5设有斜面，驱动部件6的底部固设于斜面上。本申请对支撑座5上的斜面与水平面之间的倾斜角度不作具体限定，具体可以根据需要设计相应的倾斜角度。基于此，驱动部件6为伺服电机，伺服电机包括定子601和转子602，定子601固设于斜面上，反射镜座3与转子602连接。本申请实施例中的伺服电机可以为直流无刷有感伺服电机，一般适用于低转速、高精度、快响应的应用环境。该电机内含高精度的绝对值编码器，配合其内置控制算法，电机可做精确定位。在需要动作时，能够以预设的角速度、角加速度、总运动角度运动至目标位置。即伺服电机能够带着反射镜座3及上面的反射镜1，以精确的角度、速度进行旋转。

为更加了解本申请，下面举例说明。本申请实施例中的扩束镜筒8水平方向设置，以向反射镜1发射水平方向的光束。若定义伺服电机旋转的角度为0-360度，台阶的目标位置为0度位置，伺服电机旋转的角度在约0-20度、340度-360度（0度）时，滑动件2与台阶接触。滑动件2在台阶的目标位置时，反射镜1与水平方向的夹角为45度，能够将扩束镜筒8发射的水平方向的光束反射成垂直水平面向上发射的光束。为保证反射镜1能够反射出垂直水平面向上发射的光束，优选地，如图5所示，可以在台阶的目标位置设置定位槽10，以保证滑动件2能够准确抵接该目标位置。随着滑动件2滑动到台阶除目标位置的其他位置，由于抵接的位置不同，反射镜1与水平方向的夹角也会随之变化；当伺服电机旋转的角度在20-340度之间时，滑动件2滑离台阶，反射镜1与水平方向的夹角恢复至第二预设角度。

本申请的装置相当于一个增强型一维转镜，或简化型二维转镜，在结构、控制上比二维转镜简单可靠，也能满足相应的功能需求。

基于上述实施例，本申请实施例中的复位件4为第一磁铁401和第二磁铁402，第一磁铁401设于反射镜1的底面，第二磁铁402相对于第一磁铁401设于反射镜座3的顶面。第一磁铁401和第二磁铁402的磁极可以是相同的，还可以是相反的。以第一磁铁401和第二磁铁402的磁极相同为例，将滑动件2与复位件4分别设于反射镜1与反射镜座3转动连接处的两侧，在滑动件2未与台阶接触时，第一磁铁401和第二磁铁402相斥，使反射镜1与扩束镜筒8的光束方向的夹角为第二预设角度，在滑动件2与台阶的目标位置抵接时，翘起反射镜1设有滑动件2的一侧，克服第一磁铁401和第二磁铁402之间的排斥力，使反射镜1与扩束镜筒8的光束方向的夹角为第一预设角度。以第一磁铁401和第二磁铁402的磁极相反为例，将滑动件2与复位件4设于反射镜1与反射镜座3转动连接处的同一侧，在滑动件2未与台阶接触时，第一磁铁401和第二磁铁402相互吸住，使反射镜1与扩束镜筒8的光束方向的夹角为第二预设角度，在滑动件2与台阶的目标位置抵接时，翘起反射镜1设有滑动件2的一侧，克服第一磁铁401和第二磁铁402之间的吸引力，分开第一磁铁401和第二磁铁402，使反射镜1与扩束镜筒8的光束方向的夹角为第一预设角度。

基于上述实施例，本申请实施例的复位件4为弹簧，弹簧的一端与反射镜1的底面连接，弹簧的另一端与反射镜座3的顶面连接。以滑动件2与弹簧分别设于反射镜1与反射镜座3转动连接处的两侧为例，在滑动件2未与台阶的目标位置接触时，弹簧使反射镜1与扩束镜筒8的光束方向的夹角为第二预设角度，在滑动件2与台阶的目标位置抵接时，翘起反射镜1设有滑动件2的一侧，压缩弹簧，使反射镜1与扩束镜筒8的光束方向的夹角为第一预设角度。以滑动件2与弹簧设于反射镜1与反射镜座3转动连接处的同一侧为例，在滑动件2未与台阶的目标位置接触时，弹簧使反射镜1与扩束镜筒8的光束方向的夹角为第二预设角度，在滑动件2与台阶的目标位置抵接时，翘起反射镜1设有滑动件2的一侧，拉伸弹簧，使反射镜1与扩束镜筒8的光束方向的夹角为第一预设角度。

为更进一步地了解本申请，下面介绍激光雷达光学扫描装置的工作原理。为方便介绍，下面举例说明。复位件4以弹簧管为例，扩束镜筒8设置在反光镜1的对面，且为水平方向设置。弹簧分别连接反射镜1与反射镜座3，反射镜1与反射镜座3的中间通过轴承9转动连接。如图3，在滑动件2没有抵接到支撑座延伸部7上时，弹簧可以保证反射镜1与水平面之间存在一定夹角，记为第二预设角度，即使反射镜1相对水平面倾斜设置，反射镜1的镜面朝上，这时扩束镜筒8发射的水平方向的光束与反射镜1之间的角度也是第二预设角度，反射镜1将这个入射角为第二预设角度的光束进行反射；驱动部件6驱动反射镜座3自转，会带动反射镜1自转，反射镜1上的滑动件2抵接到支撑座延伸部7上时，反射镜1的一侧向上翘起，反射镜1围绕轴承9相对反射镜座3转动，反射镜1的另一侧向下运动，这时反射镜1与水平面之间的角度会发变化，在滑动件2抵接到支撑座延伸部7上的目标位置时，反射镜1与水平面之间的夹角刚好为45度，可以记为第一预设角，这时，扩束镜筒8发射的水平方向的光束被反射，反射镜1将入射角为45度的光束进行反射，反射光束则垂直水平面向上；驱动部件6继续驱动反射镜座3自转，以带动反射镜1转动，滑动件2逐渐滑离支撑座延伸部7，在滑动件2滑离支撑座延伸部7时，在弹簧的复位力的作用下，反射镜1与水平面之间的夹角恢复至第二预设角度。本申请主要依据的是光的反射原理，入射角等于反射角，改变扩束镜筒8发射的光束与反射镜1之间的角度，即入射角的角度，便可以改变反射镜反射出的光束的角度。

以上对本申请所提供的一种激光雷达光学扫描装置进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内 。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种激光雷达光学扫描装置，其特征在于，包括：

反射镜（1），所述反射镜（1）设有滑动件（2）；

反射镜座（3），与所述反射镜（1）转动连接，所述反射镜（1）与所述反射镜座（3）之间设有阻止两者相对转动的复位件（4）；

扩束镜筒（8），设于所述反射镜（1）的对面；

驱动部件（6），设于支撑座（5）上，用于驱动所述反射镜座（3）转动以带动所述反射镜（1）转动，所述滑动件（2）用于在随所述反射镜（1）转动而抵接于支撑座延伸部（7）的目标位置时，克服所述复位件（4）的复位力使所述反射镜（1）与所述扩束镜筒（8）的光束方向之间的夹角为第一预设角度，以便所述反射镜（1）反射出垂直水平面向上的光束，所述复位件（4）用于在所述滑动件（2）滑离所述支撑座延伸部（7）时，将所述夹角从所述第一预设角度恢复至第二预设角度；其中，所述第一预设角度与所述第二预设角度不相同。

2.根据权利要求1所述的激光雷达光学扫描装置，其特征在于，所述支撑座延伸部（7）为垂直水平面向上延伸的台阶，所述台阶位于所述反射镜（1）的边缘下方；对应地，所述滑动件（2）设于所述反射镜（1）的底面边缘处。

3.根据权利要求2所述的激光雷达光学扫描装置，其特征在于，所述台阶的所述目标位置设有定位槽（10）。

4.根据权利要求1所述的激光雷达光学扫描装置，其特征在于，所述复位件（4）为第一磁铁（401）和第二磁铁（402），所述第一磁铁（401）设于所述反射镜（1）的底面，所述第二磁铁（402）相对于所述第一磁铁（401）设于所述反射镜座（3）的顶面。

5.根据权利要求1所述的激光雷达光学扫描装置，其特征在于，所述复位件（4）为弹簧，所述弹簧的一端与所述反射镜（1）的底面连接，所述弹簧的另一端与所述反射镜座（3）的顶面连接。

6.根据权利要求2所述的激光雷达光学扫描装置，其特征在于，所述滑动件（2）为轴承滚轮；对应地，所述台阶的顶面为斜面。

7.根据权利要求1所述的激光雷达光学扫描装置，其特征在于，所述支撑座（5）设有斜面，所述驱动部件（6）的底部固设于所述斜面上。

8.根据权利要求7所述的激光雷达光学扫描装置，其特征在于，所述驱动部件（6）为伺服电机，所述伺服电机包括定子（601）和转子（602），所述定子（601）固设于所述斜面上，所述反射镜座（3）与所述转子（602）连接。

9.根据权利要求1所述的激光雷达光学扫描装置，其特征在于，所述反射镜（1）与所述反射镜座（3）之间通过轴承（9）转动连接。

10.根据权利要求1至9任一项所述的激光雷达光学扫描装置，其特征在于，所述反射镜（1）为圆形。

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