多普勒激光雷达单镜光学扫描器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种多普勒激光雷达单镜光学扫描器，包括：光电编码器、电动机、减速器、支撑架、外壳顶套、外壳底座、联轴器、上小轴承压环、上小轴承、主动齿轮、下小轴承、下小轴承压环、大轴承顶压环、上大轴承、从动齿轮、下大轴承、大轴承底压环、过零传感器、楔形透镜、楔形压环和透镜压环。本发明使用单块高折射率楔形透镜实现固定俯仰角偏折，通过动力机构将楔形透镜转动使得发射光束绕其光轴做锥形扫描，实现多普勒激光雷达发射光束的固定俯仰角扫描。
【专利说明】多普勒激光雷达单镜光学扫描器
[0001]所属领域
[0002]本发明涉及激光雷达，特别是一种多普勒激光雷达单镜光学扫描器。
【背景技术】
[0003]多普勒激光雷达是一种晴空测量风场的有效手段。要获得风场矢量，在测量过程中需要将发射光束做多个方向扫描以获取不同方向的径向风速，从而利用多径向风速合成风场矢量。通常光束扫描的装置有双镜光学扫描器，它通过两个扫描镜分别绕着垂直轴和水平轴旋转实现方位和俯仰角扫描。缺点是光路折叠导致光束波前易畸变，体积、质量占用资源大，在较小的资源平台上不适用。
【发明内容】
[0004]本发明主要目的在于解决多普勒激光雷达的快速、连续光束扫描问题，提供一种多普勒激光雷达单镜光学扫描器。该光学扫描器利用单透镜，将光束偏折一定的倾角，并绕光轴做一维旋转实现固定倾角的锥形扫描。其优点是光学波前畸变小，无光路折叠，体积小，满足光束扫描和波前质量控制要求。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]—种多普勒激光雷达单镜光学扫描器，其特点在于，包括:光电编码器、电动机、减速器、支撑架、外壳顶套、外壳底座、联轴器、上小轴承压环、上小轴承、主动齿轮、下小轴承、下小轴承压环、大轴承顶压环、上大轴承、从动齿轮、下大轴承、大轴承底压环、过零传感器、楔形透镜、楔形压环和透镜压环；
[0007]上述各部件的连接关系如下:
[0008]所述的光电编码器固定在所述的电动机的顶端，该电动机的传动轴下端与所述的减速器连接，该减速器固定在所述的支撑架上，该支撑架固定在所述的外壳顶套上；
[0009]所述的主动齿轮的转动轴上下两端分别与所述的上小轴承和下小轴承连接，并通过所述的上小轴承压环与下小轴承压环分别压紧，所述的从动齿轮的转动轴上下两端分别与所述的上大轴承和下大轴承连接，并通过所述的大轴承顶压环与大轴承底压环分别压紧；
[0010]所述的外壳顶套的内部具有环形槽，供所述的上小轴承压环、上小轴承、大轴承顶压环和上大轴承嵌入，所述的外壳底座的内部具有环形槽，供所述的主动齿轮、下小轴承、下小轴承压环、下小轴承、从动齿轮、下大轴承和大轴承底压环嵌入，所述的外壳顶套和外壳底座上下固定连接；
[0011]在所述的外壳底座的侧壁上设有通孔，所述的过零传感器穿过该通孔固定在外壳底座的内壁上，所述的大轴承底压环的外沿设有一突起，所述的从动齿轮内部为中空圆柱形，且内壁上设有凸台，供所述的楔形透镜放置，该楔形透镜上由下至上依次放置所述的楔形压环和透镜压环；
[0012]所述的光电编码器、电动机和过零传感器分别外接驱动控制器，所述的减速器经设置在所述的支撑架内部的联轴器与所述的主动齿轮相连。
[0013]所述的主动齿轮和从动齿轮通过齿轮啮合带动所述的楔形透镜转动。
[0014]所述的楔形透镜使用高折射率材料，面型精度在扫描光束波长的四分之一以内。
[0015]所述的楔形压环和楔形透镜的楔角相同。
[0016]所述的光电编码器的分辨率在1000线以上，主动齿轮和从动齿轮的传动比在1:4?1:10之间，以保证光束指向控制精度和转动速率。
[0017]在所述的外壳顶套和外壳底座的圆周的上均布有多个沉孔固定位，通过螺钉将所述的外壳底座和外壳顶套连接，共同构成整个扫描器的外壳。
[0018]在所述的外壳顶套和外壳底座的外壁上设有多个固定沉孔固定位。
[0019]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0020]I)将光束通过楔形透镜折转一固定角度形成固定俯仰角，实现固定俯仰角的锥形扫描。
[0021]2)体积小，质量轻，耗电量小降低了对系统资源的需求。、
[0022]3)运行稳定，性能优越。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1.多普勒激光雷达单镜光学扫描器的结构示意图。
[0024]图2.传动机构图。
[0025]图3.多普勒激光雷达单镜光学扫描器剖视图。
[0026]图4.多普勒激光雷达单镜光学扫描器原理图。
[0027]图中:1光电编码器，2电动机，3减速器，4支撑架，5、沉孔固定位，6外壳顶套，7外壳底座，8联轴器，9上小轴承压环，10上小轴承，11主动齿轮，12下小轴承，13下小轴承压环，14、大轴承顶压环，15上大轴承，16从动齿轮，17下大轴承，18大轴承底压环，19过零传感器，20固定沉孔固定位21楔形透镜，22楔形压环，23透镜压环，24入射光束，25旋转对称轴，26光线扫描轨迹，27出射光线。
【具体实施方式】
[0028]下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
[0029]一种多普勒激光雷达光学扫描器装置，主要包括支撑固定系统、光学扫描镜、动力传动系统、角度传感四部分组成:
[0030]支撑固定系统包含:支撑架4，固定位沉孔5，外壳顶套6，外壳底座7，9上小轴承压环，下小轴承压环13，大轴承顶压环14，大轴承底压环18，楔形压环22，透镜压环23，固定位沉孔固定20。
[0031]光学扫描镜主要由21楔形镜组成。
[0032]动力传动系统由电动机2，减速器3，联轴器8，10上小轴承,下小轴承12，11主动齿轮，15上大轴承、下大轴承17，16从动齿轮组成。
[0033]角度传感由光电编码器1，过零传感器19两个元件组成。
[0034]支撑架4顶端固定着减速器3，底端通过6个M4螺钉固定在外壳顶套6上。外壳顶套6和外壳底座7通过均布于圆周的若干固定位沉孔5使用螺钉连接。外壳底座7的下边缘布有若干个固定位沉孔用于和外部的结构件紧固。上、下小轴承10、12内边缘通过过盈公差配合对称安装在主动齿轮11的转动轴两端，然后利用上小轴承压环9和下小轴承压环13内螺纹分别从主动齿轮11转动轴的两端旋进、压紧。上下大轴承15、17内边缘通过公差过盈配合对称安装在从动齿轮16的转动轴两端，然后利用大轴承顶压环14和大轴承底压环18内螺纹从转动轴两端旋进、压紧，保证纵向无串动。外壳顶套6和外壳底座7内部铣有两种半径的环形槽，通过公差过盈配合固定小轴承10、12和大轴承15、17的外边缘，以保证其径向无平移。在大轴承底压环18的外沿铣出一个半圆柱形0.5mm的突起，用于拨动过零传感器19。从动齿轮每转动一周，该突起将拨动一下过零传感器，用于确认扫描光束转动方向的归零。楔形透镜21的楔角和楔形压环22的楔角相同，两者配合并被透镜压环23通过外螺纹固定在从动齿轮的内部。
[0035]多普勒激光雷达单镜光学扫描器装配过程如下:
[0036]首先将动力传动系统中的一对上下小轴承10、12安装到王动齿轮11两端，利用力矩扳手将上小轴承压环9、下小轴承压环13将轴承紧固；其次将一对上下大轴承15、17和从动齿轮16组装，并用大轴承顶压环14，大轴承底压环18将分别大轴承15、17紧固。然后分别将小齿轮的上的一对小轴承和大齿轮上的一对大轴承压入外壳底座7对应的内凹槽中。再者将外壳顶套6从上往下把大小轴承压入其内部凹槽，并向下压紧直至与外壳底座7无缝隙，用螺钉通过固定位沉孔5将外壳底座7和外壳顶套6紧固连接。接下来将减速器3通过螺钉固定于支撑架4上，并用联轴器将主动齿轮的转动轴和减速器转动轴连接压紧。最后将电机和编码器固定于减速器上。这样完成了装配。工作过程中，首先将光电编码器I接上电源，电动机2接入驱动控制器，将编码器的信号线和过零传感器19的信号线接入驱动控制器。开机启动后，系统首先初始化，其过程是扫描器转动一周，过零传感器19发送零点位置信号至驱动控制器，这样系统建立了惯性坐标系和“O”度位置。多普勒激光雷达的激光源发射一束准直的激光束24，该激光入射到楔形透镜21并被偏折一个设计角度，形成出射光线27。随着电机的转动，传动系统带动楔形透镜绕着旋转对称轴25转动。该出射光线，在空间上将形成锥形扫描区域，在地面上形成一个圆环状光线扫描轨迹。这样就完成了光束的扫描。
【权利要求】
1.一种多普勒激光雷达单镜光学扫描器,其特征在于,包括：光电编码器（I)、电动机(2)、减速器（3)、支撑架（4)、外壳顶套￠)、外壳底座（7)、联轴器（8)、上小轴承压环（9)、上小轴承（10)、主动齿轮（11)、下小轴承（12)、下小轴承压环（13)、大轴承顶压环（14)、上大轴承（15)、从动齿轮（16)、下大轴承（17)、大轴承底压环（18)、过零传感器（19)、楔形透镜（21)、楔形压环(22)和透镜压环(23)； 上述各部件的连接关系如下： 所述的光电编码器（I)固定在所述的电动机（2)的顶端，该电动机（2)的传动轴下端与所述的减速器（3)连接，该减速器（3)固定在所述的支撑架（4)上，该支撑架（4)固定在所述的外壳顶套（6)上； 所述的主动齿轮（11)的转动轴上下两端分别与所述的上小轴承（10)和下小轴承（12)连接，并通过所述的上小轴承压环（9)与下小轴承压环（13)分别压紧，所述的从动齿轮(16)的转动轴上下两端分别与所述的上大轴承（15)和下大轴承（17)连接，并通过所述的大轴承顶压环（14)与大轴承底压环（18)分别压紧； 所述的外壳顶套￠)的内部具有环形槽，供所述的上小轴承压环（9)、上小轴承（10)、大轴承顶压环（14)和上大轴承（15)嵌入，所述的外壳底座（7)的内部具有环形槽，供所述的主动齿轮（11)、下小轴承（12)、下小轴承压环（13)、下小轴承（12)、从动齿轮（16)、下大轴承（17)和大轴承底压环（18)嵌入，所述的外壳顶套（6)和外壳底座（7)上下固定连接； 在所述的外壳底座（7)的侧壁上设有通孔，所述的过零传感器（19)穿过该通孔固定在外壳底座（7)的内壁上，所述的大轴承底压环（18)的外沿设有一突起，所述的从动齿轮（16)内部为中空圆柱形，且内壁上设有凸台，供所述的楔形透镜（21)放置，该楔形透镜(21)上由下至上依次放置所述的楔形压环（22)和透镜压环（23)； 所述的光电编码器（I)、电动机（2)和过零传感器（19)分别外接驱动控制器，所述的减速器（3)经设置在所述的支撑架（4)内部的联轴器（8)与所述的主动齿轮（11)相连。
2.根据权利要求I所述的多普勒激光雷达单镜光学扫描器，其特征在于，所述的主动齿轮（11)和从动齿轮（16)通过齿轮啮合带动所述的楔形透镜（21)转动。
3.根据权利要求I所述的多普勒激光雷达单镜光学扫描器，其特征在于，所述的楔形透镜（21)使用高折射率材料，面型精度在扫描光束波长的四分之一以内。
4.根据权利要求I所述的多普勒激光雷达单镜光学扫描器，其特征在于，所述的楔形压环（22)和楔形透镜（21)的楔角相同。
5.根据权利要求I所述的多普勒激光雷达单镜光学扫描器，其特征在于，所述的光电编码器的分辨率在1000线以上，主动齿轮（11)和从动齿轮（16)的传动比在1:4?1:10之间，以保证光束指向控制精度和转动速率。
6.根据权利要求I所述的多普勒激光雷达单镜光学扫描器，其特征在于，在所述的外壳顶套（6)和外壳底座（7)的圆周的上均布有多个沉孔固定位（5)，通过螺钉将所述的外壳底座和外壳顶套连接，共同构成整个扫描器的外壳。
7.根据权利要求I所述的多普勒激光雷达单镜光学扫描器，其特征在于，在所述的外壳顶套（6)和外壳底座（7)的外壁上设有多个固定沉孔固定位（20)。
【文档编号】G02B26/10GK104166235SQ201410427264
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】毕德仓, 刘丹, 陈卫标, 刘继桥, 竹孝鹏, 朱小磊 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所