CN220855196U - 一种中空轴系导光式激光测风雷达 - Google Patents

Abstract

本实用涉及一种中空轴系导光式激光测风雷达，包括扫描云台、激光箱体，所述扫描云台包括俯仰回转体、方位回转体，所述扫描云台固定安装在所述激光箱体上端面；所述激光箱体包括激光光源、卡式主镜、卡式次镜以及静密封的箱体框架，所述卡式主镜位于激光光源下方，所述卡式次镜位于所述激光光源上方。激光光源、卡式主镜、卡式次镜组成了离轴式卡塞格伦双反射光学系统。本实用激光光学系统像质好、焦距长、光学口径大、无中心遮挡、光能损失小，扫描云台的方位、俯仰回转轴系伺服响应迅速，出射的激光光束稳定精度高，雷达整机可气密，环境适应性极好。

Description

一种中空轴系导光式激光测风雷达

技术领域

本实用涉及激光测风技术领域，尤其是涉及一种中空轴系导光式激光测风雷达。

背景技术

现有的激光测风雷达轴系结构大多为经纬式两轴两框架模式，这种结构形式的优点是激光器可安装在密封性较好的静密封腔内，核心器件工作环境良好，缺点是激光器作为俯仰轴系、方位轴系的负载，其体积和重量对轴系的精度、伺服性能以及整机设备的体积重量影响极大，很难在整机轻小化前提下对激光器的性能做出很大提升。

公开号为CN212675160U，专利名字为“一种二维扫描激光测风雷达”的专利中，其激光测风雷达为经纬仪式轴系结构型式，其俯仰球大小受外形尺寸所限，激光器难以做到超长焦距。公开号为CN212255689U，专利名字为“一种光学双轴扫描系统”的专利中，其中的扫描云台采用了方位、俯仰两块反射镜折光的方案替代了经纬仪式光电的方案，但该专利所采用的转动密封为传统填料式接触密封，不仅回转阻力较大，密封耐久性差，更无法实现对内部空间的气密，且专利的轴系驱动采用蜗轮蜗杆式，存在驱动间隙空回，设备的稳定精度较差。

因此，如何在设备轻小化前提下实现激光器高能化、可靠的气密性、迅捷精准的伺服性能是本领域技术人员亟待解决的难点。

实用新型内容

本实用针对现有技术中存在的技术问题，提供一种中空轴系导光式激光测风雷达。

本实用解决上述技术问题的技术方案如下：一种中空轴系导光式激光测风雷达，包括扫描云台、激光箱体，所述扫描云台包括俯仰回转体、方位回转体，所述扫描云台固定安装在所述激光箱体上端面；

所述激光箱体包括激光光源、卡式主镜、卡式次镜以及静密封的箱体框架，所述卡式主镜位于激光光源下方，所述卡式次镜位于所述激光光源上方。

优选地，上述的中空轴系导光式激光测风雷达，其中所述俯仰回转体包括俯仰力矩电机、俯仰轴、俯仰磁流体密封组件、俯仰反射镜、俯仰座、俯仰头罩，所述俯仰轴与所述俯仰座转动连接，所述俯仰力矩电机用于驱动俯仰轴转动，所述俯仰力矩电机、俯仰轴均位于俯仰座内，所述俯仰反射镜安装在俯仰头罩内部，所述俯仰座与俯仰头罩之间连接有俯仰磁流体密封组件，所述俯仰头罩与所述俯仰轴固定连接。

优选地，上述的中空轴系导光式激光测风雷达，其中所述方位回转体包括方位壳体、方位反射镜、方位轴、方位力矩电机、方位磁流体密封组件，所述方位轴与所述方位壳体转动连接，所述方位反射镜通过方位反射镜座固定安装在方位壳体上侧，所述方位轴上端与俯仰座底部固定连接，所述方位反射镜位于俯仰座内，所述方位轴、方位力矩电机均位于所述方位壳体内，所述方位力矩电机用于驱动方位轴转动，所述方位磁流体密封组件安装在所述方位壳体与所述俯仰座之间，所述方位壳体的底部与所述激光箱体固定连接；所述方位轴、俯仰轴均为中空贯穿结构，所述激光光源的光线经卡式次镜反射至卡式主镜、经卡式主镜反射后穿过方位轴经方位反射镜反射、光线穿过俯仰轴经俯仰反射镜反射至俯仰头罩外部。

优选地，上述的中空轴系导光式激光测风雷达，其中所述俯仰力矩电机的转子固定安装在俯仰轴上，所述俯仰力矩电机的定子固定安装在俯仰座上。

优选地，上述的中空轴系导光式激光测风雷达，其中所述方位壳体包括方位上壳体、方位中壳体、方位下壳体，方位上壳体、方位中壳体、方位下壳体之间静密封固定连接。

优选地，上述的中空轴系导光式激光测风雷达，其中所述方位力矩电机的转子固定安装在方位轴上，所述方位力矩电机的定子固定安装在方位中壳体上。

优选地，上述的中空轴系导光式激光测风雷达，其中所述俯仰头罩上安装有透明的保护窗口，所述俯仰座末端固定安装有俯仰尾盖。

优选地，上述的中空轴系导光式激光测风雷达，其中所述俯仰轴的末端固定有俯仰轴端，所述俯仰头罩通过螺钉固定安装在俯仰轴端的外侧面。

优选地，上述的中空轴系导光式激光测风雷达，其中所述方位轴上端固定有方位轴端，所述方位反射镜座固定安装在方位轴端的上端面。

本实用的有益效果是：

(1)离轴式卡塞格伦双反射激光光学系统具有像质好、焦距长、光学口径大、无中心遮挡、光能损失小的特点，解决了高性能激光光学系统体积和质量大的问题；

(2)方位和俯仰回转轴系的驱动源均采用直流力矩电机，使得轴系旋转迅捷无空回，出射光速稳定精度高；

(3)方位、俯仰轴系的负载仅为各自的反射镜，其回转惯量相对于激光器及其光学系统可忽略，因而转轴的需求驱动力矩较小，有利于扫描系统的轻小化，也大大提升了轴系的伺服响应速度。另一方面，方位、俯仰轴系的负载极小，增大了结构的强度和刚度冗余，提升了扫描云台的抗振、抗冲击性能；

(4)方位和俯仰转动密封采用了磁流体密封，该密封形式回转阻力矩极小，且较好的气密耐压能力和较高的可靠性，可保证设备内部光学器件免受外部水汽、微尘以及霉菌的侵蚀；

本实用所提供的中空轴系导光式激光测风雷达，其激光光学系统像质好、焦距长、光学口径大、无中心遮挡、光能损失小，扫描云台的方位、俯仰回转轴系伺服响应迅速，出射的激光光束稳定精度高，雷达整机可气密，环境适应性极好。

附图说明

图1为本实用的整体结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为俯仰轴系的剖视图；

图4为方位轴系的剖视图；

图5为扫描云台的爆炸图；

图6为图3中A处的局部放大图；

图7为图4中B处的局部放大图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、扫描云台，2、激光箱体，21、激光光源，22、卡式主镜，23、卡式次镜，1101、俯仰反射镜，1102、俯仰发射镜座，1103、保护窗口，1104、俯仰轴端，1105、俯仰磁流体密封组件，1106、俯仰第一角接触球轴承，1107、俯仰力矩电机，1108、俯仰第二角接触球轴承，1109、俯仰角编码器，1110、俯仰座，1111、俯仰密封圈一，1112、俯仰尾盖，1113、俯仰轴，1114、俯仰密封圈二，1115、俯仰密封圈三，1116、俯仰头罩，1117、俯仰密封圈四，1118、俯仰座右端，1201、方位反射镜，1202、方位反射镜座，1203、方位轴端，1204、方位密封圈一，1205、方位上壳体，1206、方位密封圈二，1207、方位力矩电机，1208、方位密封圈三，1209、方位下壳体，1210、方位轴尾转接环，1211、光电滑环，1212、方位角编码器，1213、方位第一角接触球轴承，1214、方位中壳体，1215、方位磁流体密封组件，1216、方位密封圈四，1217、方位第二角接触球轴承，1218、方位轴。

具体实施方式

以下结合附图对本实用的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用，并非用于限定本实用的范围。

如图1－图7所示，一种中空轴系导光式激光测风雷达，包括扫描云台1、激光箱体2，扫描云台1包括俯仰回转体11、方位回转体12。扫描云台1固定安装在激光箱体2上端面。

激光箱体2包括激光光源21、卡式主镜22、卡式次镜23以及静密封的箱体框架，卡式主镜22位于激光光源21下方，卡式次镜23位于激光光源21上方。激光光源21、卡式主镜22、卡式次镜23组成了离轴式卡塞格伦双反射光学系统。

如图3、图5、图6所示，俯仰回转体11包括俯仰力矩电机1107、俯仰轴1113、俯仰磁流体密封组件1105、俯仰反射镜1101、俯仰座1110、俯仰头罩1116等，俯仰轴1113与俯仰座1110转动连接，具体地，俯仰第一角接触球轴承1106和俯仰第二角接触球轴承1108安装在俯仰座1110两端，俯仰轴1113通过两个轴承支撑在俯仰座1110上，可实现相对于俯仰座1110的转动。俯仰第一角接触球轴承1106、俯仰第二角接触球轴承1108选用P4级精度的通用型角接触球轴承，该对角接触轴承采用“背对背”的布局方式消隙预紧，保证轴系回转精度。俯仰力矩电机1107的转子固定安装在俯仰轴1113上，俯仰力矩电机1107的定子固定安装在俯仰座1110上，俯仰力矩电机1107用于驱动俯仰轴1113转动，俯仰角编码器1109的转子固定安装在俯仰轴1113上，定子固定安装在俯仰座1110上，俯仰力矩电机1107、俯仰轴1113、俯仰角编码器1109均位于俯仰座1110内。

俯仰尾盖1112固定安装在俯仰座1110尾部，二者之间通过俯仰密封圈一1111实现静密封。俯仰反射镜1101安装在俯仰头罩1116内部，具体地，俯仰反射镜1101通过RTV硅橡胶固定粘接在俯仰反射镜座1102上，这种反射镜固定方式使得俯仰反射镜1101反射面面型较好，从而保证了激光光束的质量，俯仰反射镜座1102通过螺钉固定安装在俯仰轴端1104的外侧面。俯仰轴1113的末端固定有俯仰轴端1104，俯仰头罩1116通过螺钉固定安装在俯仰轴端1104的外侧面，其安装面之间装有俯仰密封圈三1115，起到静密封作用。保护窗口1103为透明材质，其通过RTV硅橡胶固定粘接在俯仰头罩1116上。

俯仰座1110与俯仰头罩1116之间连接有俯仰磁流体密封组件1105，具体地，俯仰磁流体密封组件1105的导磁环固定安装在俯仰轴端1104上，二者之间通过俯仰密封圈二1114实现静密封，俯仰磁流体密封组件1105极靴环固定安装在俯仰座右端1118外侧，二者之间通过俯仰密封圈四1117实现静密封，从而实现了转动时的动态密封。

如图4、图5、图7所示，方位回转体12包括方位壳体、方位反射镜1201、方位轴1218、方位力矩电机1207、方位磁流体密封组件1215等，方位壳体包括方位上壳体1205、方位中壳体1214、方位下壳体1209，方位上壳体1205、方位中壳体1214、方位下壳体1209之间静密封固定连接。方位轴1218与方位壳体转动连接，具体地，方位上壳体1205与方位中壳体1214通过螺钉紧固连接，其配合面安装有方位密封圈二1206；方位第二角接触球轴承1217安装在方位上壳体1205上，方位第一角接触球轴承1213安装在方位中壳体1214上，方位轴1218通过两个轴承支撑在方位上壳体1205与方位中壳体1214上，可实现相对于两个方位壳体的转动。方位第一角接触球轴承1213、方位第二角接触球轴承1217选用P4级精度的通用型角接触球轴承，该对角接触轴承采用“背对背”的布局方式消隙预紧，保证轴系回转精度。

方位力矩电机1207用于驱动方位轴1218转动，方位力矩电机1207的转子固定安装在方位轴1218上，定子固定安装在方位中壳体1214上；方位角编码器1212的转子固定安装在方位轴1218上，定子固定安装在方位中壳体1214上；方位磁流体密封组件1215安装在方位壳体与俯仰座1110之间，具体地，方位轴1218上端与俯仰座1110底部通过方位轴端1203固定连接，方位磁流体密封组件1215的导磁环固定安装在方位轴端1203上，二者之间通过方位密封圈一1204实现静密封，方位磁流体密封组件1215极靴环固定安装在方位上壳体1205外侧，二者之间通过方位密封圈四1216实现静密封，而方位磁流体密封组件1215的极靴环和导磁环之间为动密封，保证了旋转过程中良好的密封效果。

方位反射镜1201通过方位反射镜座1202固定安装在方位壳体上侧，具体地，方位反射镜1201通过RTV硅橡胶固定粘接在方位反射镜座1202上，这种反射镜固定方式使得方位反射镜1201反射面面型较好，从而保证了激光光束的质量；方位反射镜座1202通过螺钉固定安装在方位轴端1203上端面；方位轴端1203通过螺钉固定安装在方位轴1218的上端面。

方位反射镜1201位于俯仰座1110内，方位轴1218、方位力矩电机1207均位于方位壳体内。方位壳体的底部与激光箱体2固定连接。方位轴尾转接环1210通过螺钉固定在方位轴1218下端，光电滑环1211转动部分与方位轴尾转接环1210通过螺钉固定连接，光电滑环1211定子部分与方位下壳体1209相连；方位下壳体1209与方位中壳体1214通过螺钉固定连接，二者端面装有方位密封圈三1208实现静密封。

方位轴1218、俯仰轴1113均为贯穿式大孔径中空结构，以便轴系内部通光。俯仰回转体11和方位回转体12之间装有O形密封圈静密封紧固连接，方位回转体12的方位壳体与激光箱体2之间装有O形密封圈静密封紧固连接，激光箱体2外部围板均为静密封紧固连接结构，以上所有静密封以及扫描云台的方位、俯仰转动密封组成了激光测风雷达外围密封环节，从而确保了测风雷达内部为一个大容积的连通式封闭区域，可将高纯氮气充入该区域以保证内部光学器件处于较为理性的工作环境。激光箱体2内部的离轴式卡塞格伦双反射光学系统出射激光束与扫描云台1的方位回转轴同轴，方位回转轴与方位反射镜1201镜面法线呈45°夹角且须同时保证激光束经方位反射镜1201反射后的出射光轴与俯仰回转轴同轴，俯仰反射镜1101镜面法线与俯仰回转轴呈45°夹角。在使用时，激光光源21的光线经卡式次镜23反射至卡式主镜22、随后经卡式主镜22反射后穿过方位轴1218经方位反射镜1201反射、光线穿过俯仰轴1113经俯仰反射镜1101反射，穿过保护窗口1103至俯仰头罩1116外部。

在本实用的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用的限制。此外，“第一”、“第二”仅用于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本实用的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用中的具体含义。

以上对本实用的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用的实施范围。凡依本实用申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种中空轴系导光式激光测风雷达，其特征在于：包括扫描云台(1)、激光箱体(2)，所述扫描云台(1)包括俯仰回转体(11)、方位回转体(12)，所述扫描云台(1)固定安装在所述激光箱体(2)上端面；

所述激光箱体(2)包括激光光源(21)、卡式主镜(22)、卡式次镜(23)以及静密封的箱体框架，所述卡式主镜(22)位于激光光源(21)下方，所述卡式次镜(23)位于所述激光光源(21)上方。

2.根据权利要求1所述的中空轴系导光式激光测风雷达，其特征在于：所述俯仰回转体(11)包括俯仰力矩电机(1107)、俯仰轴(1113)、俯仰磁流体密封组件(1105)、俯仰反射镜(1101)、俯仰座(1110)、俯仰头罩(1116)，所述俯仰轴(1113)与所述俯仰座(1110)转动连接，所述俯仰力矩电机(1107)用于驱动俯仰轴(1113)转动，所述俯仰力矩电机(1107)、俯仰轴(1113)均位于俯仰座(1110)内，所述俯仰反射镜(1101)安装在俯仰头罩(1116)内部，所述俯仰座(1110)与俯仰头罩(1116)之间连接有俯仰磁流体密封组件(1105)，所述俯仰头罩(1116)与所述俯仰轴(1113)固定连接。

3.根据权利要求2所述的中空轴系导光式激光测风雷达，其特征在于：所述方位回转体(12)包括方位壳体、方位反射镜(1201)、方位轴(1218)、方位力矩电机(1207)、方位磁流体密封组件(1215)，所述方位轴(1218)与所述方位壳体转动连接，所述方位反射镜(1201)通过方位反射镜座(1202)固定安装在方位壳体上侧，所述方位轴(1218)上端与俯仰座(1110)底部固定连接，所述方位反射镜(1201)位于俯仰座(1110)内，所述方位轴(1218)、方位力矩电机(1207)均位于所述方位壳体内，所述方位力矩电机(1207)用于驱动方位轴(1218)转动，所述方位磁流体密封组件(1215)安装在所述方位壳体与所述俯仰座(1110)之间，所述方位壳体的底部与所述激光箱体(2)固定连接；所述方位轴(1218)、俯仰轴(1113)均为中空贯穿结构，所述激光光源(21)的光线经卡式次镜(23)反射至卡式主镜(22)、经卡式主镜(22)反射后穿过方位轴(1218)经方位反射镜(1201)反射、光线穿过俯仰轴(1113)经俯仰反射镜(1101)反射至俯仰头罩(1116)外部。

4.根据权利要求3所述的中空轴系导光式激光测风雷达，其特征在于：所述俯仰力矩电机(1107)的转子固定安装在俯仰轴(1113)上，所述俯仰力矩电机(1107)的定子固定安装在俯仰座(1110)上。

5.根据权利要求3所述的中空轴系导光式激光测风雷达，其特征在于：所述方位壳体包括方位上壳体(1205)、方位中壳体(1214)、方位下壳体(1209)，方位上壳体(1205)、方位中壳体(1214)、方位下壳体(1209)之间静密封固定连接。

6.根据权利要求5所述的中空轴系导光式激光测风雷达，其特征在于：所述方位力矩电机(1207)的转子固定安装在方位轴(1218)上，所述方位力矩电机(1207)的定子固定安装在方位中壳体(1214)上。

7.根据权利要求3所述的中空轴系导光式激光测风雷达，其特征在于：所述俯仰头罩(1116)上安装有透明的保护窗口(1103)，所述俯仰座(1110)末端固定安装有俯仰尾盖(1112)。

8.根据权利要求3所述的中空轴系导光式激光测风雷达，其特征在于：所述俯仰轴(1113)的末端固定有俯仰轴端(1104)，所述俯仰头罩(1116)通过螺钉固定安装在俯仰轴端(1104)的外侧面。

9.根据权利要求3所述的中空轴系导光式激光测风雷达，其特征在于：所述方位轴(1218)上端固定有方位轴端(1203)，所述方位反射镜座(1202)固定安装在方位轴端(1203)的上端面。