CN1189626A - 二维偏转平面镜扫描仪 - Google Patents

Abstract

一种二维偏转平面镜扫描仪,主要用于航空遥感测量。如机载激光雷达,三维成像扫描仪,激光扫描测距仪,机载激光扫海测深等领域。它包括构成遥感器发射源的激光器,与激光器输出光束的光轴成α角置放的二维偏转平面镜构件和构成遥感器接收系统的接收望远镜系统、光栏、滤光片、光电接收器和信号处理系统。它具有的特点是扫点均匀、包容面积大、效率高而且直观、线性好、后处理方便,可以实时准确地测定目标所处的位置。

Description

二维偏转平面镜扫描仪

本发明是一种用激光器作为遥感器发射源的二维偏转平面镜扫描仪。主要用于航空遥感测量。例如机载激光雷达、机载激光扫描测距、三维成像扫描、机载激光扫海测深等领域。

已有技术：

1)旋转线性扫描仪：它是一面与光轴成45°角的反射镜绕轴旋转完成物方扫描的系统(见中科院上海技术物理所沈鸣明、杨存武发明的热红外多光谱扫描仪，能源出版社1989年出版的航空遥感实用系统与应用第102页)。这种扫描结构利用率很低，只有当镜面对地的有限角度内(60°或90°)才能作测量，而大部份时间镜面扫向机舱内部或顶部，这时就无法测量。在主动测量时，功率源必须压缩在有限扫描角度内工作，工作期间重复频率要求4～6倍的提高，这显然是不利的。

2)圆扫描系统：这种扫描系统中反射镜法线与转轴成一定夹角(例如7.5°角)，反射镜在转动时形成±7.5°的偏摆，如果发射源与接收器都是水平放置的，而转轴与水平成45°角设置，则旋转扫描结果是一个±15°的圆锥体，在远离飞机的地面上就是一个圆，当飞机前进时形成一个前进着的螺旋线[见Stephen P.Haimbach，HilaryC Mesick，OPTICAL VATHYMETRY FOR THE U.SNAVY：AFIELD MEASUREMENTPROGRAM214/SPIE VOL 925 Ocean Optics IX(1988)]。这种螺旋状分布的测量点阵很不均匀，后处理麻烦，不直观，也不够理想。

3)振镜扫描结构：这种扫描结构常见于小光束扫描，很难同时包容发射，接收两束通光口径。由于运动体的方向正负交替变化会产生冲击振动，尺寸小好解决，尺寸大就困难了。特别是偏转幅度要求大时，速度要求快时就更难实现。振镜摆动实现了直线性往复扫描，随着载体的运动形成之字形扫描，沿之字形曲线做测量、测量点仍是不均匀的点阵分布。

4)对比文献，专刊号为RV2010280-C1，(940330)GO2B26/10介绍了一种压电晶体驱动的两座标扫描器，这种扫描器只适用于频率很高的振动扫描状态，而且其结构复杂，扫描角度也不可能做大。

5)对比文献专利号为EP 0354 028A1(900207)G11B7/00中介绍了一种发光扫描记录器是用来对发光源发光过程进行记录的一个扫描光学机械装置，或者说此装置是已有技术1使用情况的一个逆转应用记录机构。

6)对比文献专利号：US 5150250(920922)GO2B26/10采用机电光调制器的图象输出扫描光学系统，用于文件拷贝及复制设备中。其发明重点在于机电光调制器的制做上，扫描机构并无什么创新。

本发明的目的是提出一种新的二维偏转平面镜扫描仪，使遥感器的发射、接收光束通过本扫描仪并与飞机前进速度合成后，在地面上得到一个直线性好、均匀点阵分布的有一定宽度的测量条带。它能克服已有技术1的扫描效率低的问题，使遥感器始终处在对地测量状态。同时它又能克服已有技术2圆扫描的测点不均匀、不直观的缺点，为数据后处理带来方便。它又能解决已有技术3振镜扫描尺寸和摆幅不能做大的局限以及扫描线疏密不均匀的问题，为航空遥感增添一种用途广的较理想的扫描仪。

本发明的扫描仪含有作为遥感器8的发射光源的激光器1，在与激光器1输出光束的光轴(也是遥感器8的光轴)成角α的位置上置有构成二维偏转平面镜构件7的贴附于偏转板71一侧表面上的平面反射镜711，沿着平面反射镜711反射光束前进的光路上依次装有遥感器8接收系统的接收望远镜系统2，光栏3，滤光片4，光电接收器5以及信号处理系统6，如图1所示。

上面说的二维偏转平面镜构件7含有偏转板71，在偏转板71的一侧表面上贴附有平面反射镜711，在偏转板71的另一侧表面的中心位置上固定有球铰链72，在固定有球铰链72的偏转板71的同侧表面上成XY两垂直方向的轴上分别固定有两根拉簧77、78，拉簧77、78和球绞链72的另一端固定在固定支架714上，由凸轮73和75、顶杆74和76构成的两组凸轮顶杆机构分别沿着X轴和Y轴方向作用在偏转板71上，两个凸轮73和75的转轴连到同一驱动电机79上，也就是说两凸轮73、75的转动统一由驱动电机79带动，驱动电机79的瞬时角度值由测角码盘710来测量。如图2所示。

上面所说的角α通常选择为α＝30°～60°。

上面所说的贴附于偏转板71一侧表面上的平面反射镜711，由于它的镜面与遥感器8的光轴成α角置放，并且它要包容发射和接收的全部光束，所以它的尺寸要足够大，有可能大到350毫米(横向)×500毫米(纵向)左右。

凸轮73为对称的渐开线和渐收线构成的外曲面，它的长径b₁与短径α₁之差θ₁(θ₁＝b₁-a₁)控制了平面反射镜711横向(X方向)的偏转角，如图3-1所示。当遥感器8对地面扫描宽幅要求±15°时

O为偏转板71X轴与Y轴的交点；A为顶杆74作用在偏转板71X轴上的作用点；OA为顶杆74作用在偏转板71X轴上的力臂长度，当OA＝100毫米时θ₁＝26.8毫米。

顶杆74的顶端装有滚动轴承712，凸轮73的曲面通过滚动轴承712压在顶杆74上，顶杆74的运动量应满足凸轮73变量θ₁的要求。

顶杆76的顶端装有滚动轴承713，凸轮75的曲面通过滚动轴承713压在顶杆76上，顶杆76的运动量应满足凸轮75变量θ₂的要求。

凸轮75是由两个相同的渐开线曲面所构成，它的长径b₂与短径a₂之差θ₂(θ₂＝b₂-a₂)控制了平面反射镜711纵向(Y方向)的偏转量，如图3-2所示。若当机载遥感器8在500米远处地面的扫描线纵向行距要求10米间隔时， ${\mathrm{\θ}}_2/\mathrm{OB}=\frac{1}{2}\left(\frac{10}{500}\right)=0.01$

其中B为顶杆76作用在偏转板71Y轴上的作用点，OB为顶杆76作用在偏转板Y轴上的力臂长度，当OB＝200毫米时θ₂＝2毫米。OA和OB的长度可由设计者根据结构情况选定。

两个拉簧77与78是使带有平面反射镜711的偏转板71X轴、Y轴分别紧紧地贴在两个杆顶凸轮机构上。

驱动电机79的转速与系统要求扫描的速度有关，由飞行高度、扫描角、发射源的工作重复频率、测量点的间隔要求来确定。例如当航高500米、扫描角±15°、激光重复频率每秒189次，测量点间隔要求10米时，驱动电机79的转速应为3.5转/秒。凸轮73使偏转板71在X轴的横向上往返共7次偏摆，凸轮75使偏转板71在Y轴的纵向上每秒7次先逐渐对扫描点做后向平直修正(低消飞机前进的影响)，最后在横向扫描极限处作一个前向跳变。

710为测角码盘，测角码盘710可以给出两凸轮73、75的准确位置，也就是说测角码盘710可以测定扫描平面反射镜711所摆动的瞬间位置，用此测量出的信号控制激光器1的发射，也就可以得出遥感器8的准确测量点，这一点在数据后处理、和做测量定位及斜距修正时非常有用。

本发明的优点：

1)扫点均匀、直观、线性好，后处理方便。

2)效率高，没有间断及停测问题。

3)可包容的扫描光通面积大。

4)测点的分布可以通过对两凸轮面型的适当修正，达到更理想的测点分布条带。

5)驱动电机与两凸轮的工作角都与测角码盘的测量值相对应，激光器的发射时刻可以用测角码盘的角度值信号来设定并控制，无论激光发射的重复频率怎样选定，都可以通过测角码盘角信号值确定激光探测点的座标位置，这为数据处理和斜距修正带来方便。

6)本发明的扫描仪也可以用于地面其他场合，当需要对远距离的一个大尺寸目标进行逐点快速探测时反射导光、扫描出需要的点阵。

附图说明：

图1为本发明的扫描仪结构示意图。

图2为本发明扫描仪中二维偏转平面镜构件7的结构示意图。

图3为凸轮结构及扫描结果示意图。其中

图3-1为凸轮73的结构示意图；

图3-2为凸轮75的结构示意图；

图3-3为实施例中扫描结果示意图

最佳实施例：

在机载激光扫海测深系统中应用是最具体的一个实例。用于这样一种遥感实际需要：飞机航高500米，航速70米/秒，从飞机上遥测海洋(测地面也可以)。测量的频率为189次/秒，遥感器8的瞬间视场为10毫孤度左右(地面或海面的测点直径φ5米)，由于探测弱信号的需要，接收望远镜的有效通光口径需φ200毫米以上，遥感器8发射，接收总通光口径φ300毫米以上，测量中机载遥感器8需要对正下方±15°的地下范围(约宽270米)进行点阵测量，航测结果最好是一个相互间隔10米，均匀点阵分布的地面条带。为达到以上各项要求，扫描仪就很重要了，因为遥感器8体积重量大，不可能直接作每秒7次的整体快速±15°角的摇动，必需水平安置妥当，让光路通过平面反射镜711瞄准地面、把平面反射镜711设计为扫描仪来达到所要求的测量结果。

选择偏转板71上的平面反射镜711的镜面与激光器1光轴(即遥感器8的光轴)的角度α＝45°

凸轮73的长轴b₁与短轴a₁差θ₁＝b₁-a₁＝26.8毫米如图3-1所示，凸轮75的长轴b₂与短轴a₂之差θ₂＝b₂-a₂＝2毫米，如图3-2所示。平面反射镜711的尺寸为350毫米(X方向)×500毫米(Y方向)，驱动电机79的转速为3.5转/秒。

将凸轮75的径向突变，改进为c、d、e线所示的斜面，就可以消除机构的冲击振动，见图3-2。下面计算一下消冲击区所占的范围及其对扫描结果的影响。

偏转板71带动平面反射镜711往返横扫7次/秒，每扫一次激光器1工作27个测点(激光器重复频率189次/秒)，每测点占的凸轮角度为180°/27＝6.7°，其中24个点为有效线性区，(约160°凸轮转角)，3个点为边缘过渡区(约20°凸轮转角，c、d、e斜线部分)，见图3-2所示。

对应于远处测量点的扫描结果如图3-3所示。飞机航高H＝500米，扫描±15°，占宽268米。横扫一次激光发射测量27点，恰好相当间隔10米，中间240米是线性的，测量有效，两边缘各15米是过渡区，测量供参考。在过渡区20°范围内顶杆76消除了冲击，扫描线平滑地完成向前10米的平移。

其实验情况如表1所示。表1.扫描运动部件的动作与光束在远处扫描结果关系

Claims (6)

1.一种二维偏转平面镜扫描仪，含有以激光器(1)作为发射源的遥感器(8)。在遥感器(8)内连接在信号处理系统(6)之前的光电探测器(5)之前，依次有滤光片(4)，光栏(3)和接收望远镜系统(2)，其特征在于与遥感器(8)的发射源激光器(1)输出光束的光轴成角α的位置上、置有构成二维偏转平面镜构件(7)的贴附于偏转板(71)一侧表面上的平面反射镜(711)；沿着平面反射镜(711)反射光束前进的光路上依次装着构成遥感器(8)的接收望远镜系统(2)，光栏(3)、滤光片(4)、光电接收器(5)和信号处理系统(6)。

2.根据权利要求1的一种平面镜扫描仪，其特征在于二维偏转平面镜构件(7)含有偏转板(71)，在偏转板(71)的一侧表面上贴附有平面反射镜(711)；在偏转板(71)的另一侧表面的中心位置上固定有球铰链(72)，球铰链(72)的另一端固定于固定支架(714)上，在固定球铰链(72)的偏传板(71)的同一侧表面上成XY两垂直方向上分别固定有两根拉簧(77)、(78)，拉簧(71)、(78)的另一端固定于固定支架(714)上，并在XY两垂直方向上分别固定有构成两组凸轮顶杆机构的凸轮(73)、(75)和顶杆(74)、(76)；两凸轮(73)、(75)的转轴连到同一驱动电机(79)上；有测角码盘(710)实时测定驱动电机(79)的瞬时角度值。

3.根据权利要求2的一种平面镜扫描仪，其特征在于凸轮(73)是置于顶杆(74)顶端有滚动轴承(712)的部位上。

4.根据权利要求2的一种平面镜扫描仪，其特征在于凸轮(75)是置于顶杆(76)顶端有滚动轴承(713)的部位上。

5.根据权利要求2的一种平面镜扫描仪。其特征在于凸轮(73)的外曲面是由对称的渐开线和渐收线所构成。

6.根据权利要求2的一种平面镜扫描仪，其特征在于凸轮(75)的外曲面是由两个相同的渐开线曲面所构成。

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