一种阵列式激光扫描器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种阵列式激光扫描器，它包括成底座、控制驱动系统和阵列布置的若干个子镜；所述若干个子镜按照相同的朝向排列，均固定在底座上；各相邻子镜之间留有间距，使相邻子镜在倾斜时不相互碰到；所述控制驱动系统与所述N个子镜中的压电驱动器连接，用于实现对反射镜偏转角度的开环控制。本发明能够通过多光束扫描的方式将多个小扫描场拼接为大扫描场同时保证扫描角度和扫描频率，每个子镜也能独立扫描，实现多目标探测。本发明大幅度提高了空间利用率，提升扫描角度。具有驱动速度快，控制精度高，没有机械磨损，机构紧凑，空间利用率高，稳定性好的特点，并且体积小，重量轻，刚度高，特别适合卫星和无人机成像激光雷达应用。
【专利说明】一种阵列式激光扫描器
【技术领域】
[0001]本发明属于光束控制领域，具体涉及一种阵列式激光扫描器。
【背景技术】
[0002]激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别:向目标发射激光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。同微波雷达相比，激光雷达的优点是分辩率高，成像清晰，测量精度高，隐蔽性好，抗干扰能力强和体积小。成像激光雷达是激光雷达的一种，它不仅可以对目标进行测距，而且可以成像，获得目标的三维信息，在民用和军事领域具有广泛的用途。
[0003]激光扫描器是成像激光雷达中一个十分重要的器件，它的扫描角度、扫描频率、扫描分辨率和精度直接影响激光雷达的成像范围、成像帧频、成像分辨率和精度。传统的成像激光雷达多使用转台式反射镜扫描器、多面转镜扫描器、检流计式振镜扫描器等。转台式反射镜扫描器反射镜面大，控制精确，但是扫描频率低。多面转镜转速高，但是扫描线性度不高。检流计式振镜多用于激光加工，高频扫描时线性度不高。另外一个问题是，以上的扫描器在高速扫描时具有很大的转动惯量，这种大转动惯量主要由电机的转子等产生。如果激光雷达用于卫星等空间飞行器的时候，大转动惯量会严重影响卫星的姿态。其他基于折射、衍射、电光效应和声光效应的扫描器通常光学传输效率低于反射式的扫描器，会降低激光雷达的探测距离。快速控制反射镜是一种新型的激光扫描器，主要有压电陶瓷和音圈电机两种驱动方式。压电陶瓷驱动的快速控制反射镜往往具有扫描频率快，精度高的特点，但是扫描角度太小；音圈电机驱动的快速控制反射镜扫描角度很大，但是扫描频率较小，扫描精度较差。
[0004]为了得到同时具有大的成像范围、高成像帧频、高成像分辨率和精度的成像激光雷达，就需要一种同时拥有大扫描角度、高扫描频率、高扫描分辨率和精度的激光扫描器。目前，并没有一种激光扫描器能同时满足以上需求。现有的激光扫描器只能实现单光束扫描和单目标探测，实现多光束扫描和多目标探测就需要多个激光扫描器，这会大大增加系统的复杂程度。目前，也没有能够实现多光束扫描和多目标探测的激光扫描器。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种阵列式激光扫描器，该扫描器采用压电陶瓷作为驱动源，具有多个子镜，能够通过多光束扫描的方式将多个小扫描场拼接为大扫描场同时保证扫描角度和扫描频率，每个子镜也能独立扫描，实现多目标探测。
[0006]本发明提供的阵列式激光扫描器，其特征在于，它包括底座、控制驱动系统和阵列布置的若干个子镜；所述若干个子镜按照相同的朝向排列，均固定在底座上；各相邻子镜之间留有间距，使相邻子镜在倾斜时不相互碰到；所述控制驱动系统与所述N个子镜中的压电驱动器连接，用于实现对反射镜偏转角度的开环控制。
[0007]作为上述技术方案的改进，所述子镜均包括子镜反射镜片、第一至第三压电驱动器、子镜底座和支架；第一至第三压电驱动器品字形固定在子镜底座上的三个凹槽内，各压电驱动器的顶端与支架相连，所述子镜反射镜片与所述支架的中心处连接。
[0008]作为上述技术方案的进一步改进，所述支架为T形，位于中心的凸台将支架隔开为三个分开的矩形平台，凸台和三个矩形平台构成所述支架；三个压电驱动器顶端中心连接成一个三角形Λ ABC，每个三角形顶点与其对应的一个矩形平台的矩形中心点在同一个竖直线上，三个压电驱动器的品字形排列方式由Λ ABC唯一确定。
[0009]作为上述技术方案的更进一步改进，其特征在于，所述第一至第三压电驱动器均包括二维柔性铰链、压电陶瓷和位移放大机构；压电陶瓷紧密嵌入椭圆形位移放大机构中空部分，二维柔性铰链位于位移放大机构上端中心处，所述压电陶瓷在两端输入电压时，有轴向的伸长位移，使得位移放大机构产生竖直方向的收缩位移，并使二维柔性铰链向下移动。
[0010]本发明的技术效果体现在:本发明提供的阵列式激光扫描器，通过多光束扫描，既能将每个子镜扫描角度拼接起来实现大范围高频率扫描，又能通过子镜单独工作的方式实现多目标扫描成像，每个子镜采用三压电陶瓷驱动，空间利用率高，扫描范围大，相对于同类产品，在相同尺寸条件上，子镜的二维扫描角度大大超过同类产品，阵列式激光扫描器既能实现大扫描角度和高扫描频率扫描，也能实现较小范围多目标扫描，角度控制精确，结构紧凑，由于使用了柔性铰链结构，反射镜在偏转运动中无摩擦损耗，使其工作寿命长，无需润滑，可免维护。本发明装置能够大大提升成像激光雷达的成像性能。
[0011]总之，本发明提供的阵列式激光扫描器，其扫描器的子镜采用三个压电驱动器驱动，大幅度提高了空间利用率，提升扫描角度。整个扫描器具有驱动速度快，控制精度高，没有机械磨损，机构紧凑，空间利用率高，稳定性好的特点，并且体积小，重量轻，刚度高，特别适合卫星和无人机成像激光雷达应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明实施例整体结构示意图(控制驱动系统在图1中省略)；
[0013]图2为子镜整体结构示意图；
[0014]图3为子镜爆炸视图；
[0015]图4为支架等轴测图；
[0016]图5为压电驱动器不意图；
[0017]图6为子镜二维倾斜示意图；
[0018]图7为阵列式激光扫描器各个子镜拥有相同倾斜状态工作示意图；
[0019]图8为阵列式激光扫描器各个子镜拥有不同倾斜状态工作示意图；
[0020]图9为发明开环控制驱动系统示意图；
[0021]图10为迟滞补偿算法示意图；
[0022]图11为其他形式的阵列扫描器；
【具体实施方式】[0023]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0024]下面以子镜数量为八个说明本发明提供的阵列式激光扫描器的结构。参照图1，本实例包括第一至第八子镜I?8，底座9，以及控制驱动系统。
[0025]第一至第八子镜I?8按照相同的朝向排成两行，每行四个，固定在底座9上。其中，第一至第四子镜1、2、3、4按相同朝向依次排列成第一行，相邻子镜间距1mm，第五至第八子镜5、6、7、8按照与第一行子镜相同的朝向依次排列成第二行，相邻子镜间距为1mm，两行之间的相邻子镜(I与5，2与6，3与7，4与8)间距也为1mm。本实例中选择子镜相互间距为Imm是综合考虑系统尺寸，加工装配等因素得出的优选值，原则上子镜最小相互间距要保证相邻子镜在倾斜时不要相互碰到。子镜相互间距也不能太大，太大会影响整个系统的整体性。用户在使用时，可以酌情处理。
[0026]控制驱动系统与第一至第八子镜的压电驱动器连接，用于实现对反射镜偏转角度的开环控制。
[0027]如图2、图3、图4所示，每个子镜的结构相同，现以第一子镜I为例说明其结构。设第一至第四子镜1、2、3、4排列的方向为X轴方向，与之垂直的方向为y轴方向。
[0028]每个子镜由子镜反射镜片10,第一至第三压电驱动器11、12、13,子镜底座14和支架15组成。三个压电驱动器11、12、13呈品字形固定在子镜底座14上的三个凹槽内，顶端与支架15相连，子镜反射镜片10与支架15中心的凸台15a连接。
[0029]子镜底座14上的三个凹槽与y轴平行，宽度相同，略大于三个压电驱动器的宽度，深度为0.5mm?2mm(优选Imm),用以固定第一至第三压电驱动器11、12、13。T形支架15可以分为4部分，中心的凸台15a将支架隔开为15b，15c, 15d三个分开的矩形平台。三个压电驱动器11、12、13顶端(底端)中心连接成一个三角形，三角形顶点分别与支架15上15b、15d、15c的矩形中心点A、C、B三点在同一个竖直线上，三个压电驱动器的品字形排列方式由Λ ABC唯一确定。Λ ABC为等腰三角形，D为AB中点，AC与χ轴平行，BD与y轴平行，BD=AD=⑶。Λ ABC确定后，支架15的参数以及子镜底座15上的凹槽位置也随之确定。
[0030]如图5所示，第一子镜I的第一至第三压电驱动器11、12、13结构相同，现以第一压电驱动器11来说明其结构。
[0031]第一压电驱动器11包括二维柔性铰链11a、压电陶瓷Ilb和位移放大机构11c。压电陶瓷Ilb紧密嵌入椭圆形位移放大机构Ilc中空部分，二维柔性铰链Ila位于位移放大机构Ilc上端中心处，为便于装配，本发明实施例中，Ila和Ilc设计成一体结构。给压电陶瓷Ilb两端输入电压，压电陶瓷Ilb就会有轴向的伸长位移(图5箭头所示)这种伸长作用在位移放大机构Ilc上,就会产生竖直方向的收缩位移，由于Ilc底端固定在子镜底座14上，因此这种收缩位移主要表现为二维柔性铰链Ila向下移动。压电陶瓷Ilb的伸长位移与驱动电压成正比，一旦位移放大机构Ilc结构确定，二维柔性铰链Ila的向下位移与压电陶瓷的伸长位移成正比，因此二维柔性铰链Ila向下移动的位移可由压电陶瓷驱动电压精确控制。
[0032]本发明采用三个压电驱动器配合的方式实现二维倾斜。结合图3、图4、图6，以第一子镜I来说明子镜二维倾斜的原理。子镜反射镜片10固定在支架15的凸台上，因此子镜反射镜片10的倾斜状态(也是第一子镜I的倾斜状态)与支架15的倾斜状态一致。当给三个压电驱动器(具体为11、12、13)通上电压时，三个压电驱动器会有向下的位移(分别
为a、b、c如图6所不),则第一子镜I支架15的χ轴偏转角度
【权利要求】
1.一种阵列式激光扫描器，其特征在于，它包括成底座、控制驱动系统和阵列布置的若干个子镜；所述若干个子镜按照相同的朝向排列，均固定在底座上；各相邻子镜之间留有间距，使相邻子镜在倾斜时不相互碰到；所述控制驱动系统与所述N个子镜中的压电驱动器连接，用于实现对反射镜偏转角度的开环控制。
2.根据权利要求1所述的阵列式激光扫描器，其特征在于，所述子镜均包括子镜反射镜片、第一至第三压电驱动器、子镜底座和支架；第一至第三压电驱动器品字形固定在子镜底座上的三个凹槽内，各压电驱动器的顶端与支架相连，所述子镜反射镜片与所述支架的中心处连接。
3.根据权利要求2所述的阵列式激光扫描器，其特征在于，所述支架为T形，位于中心的凸台将支架隔开为三个分开的矩形平台，凸台和三个矩形平台构成所述支架；三个压电驱动器顶端中心连接成一个三角形Λ ABC，每个三角形顶点与其对应的一个矩形平台的矩形中心点在同一个竖直线上，三个压电驱动器的品字形排列方式由Λ ABC唯一确定。
4.根据权利要求3所述的阵列式激光扫描器，其特征在于，所述ΛABC为等腰三角形，D为AB中点，AC与X轴平行，BD与y轴平行，BD=AD=CD。
5.根据权利要求2至4中任一所述的阵列式激光扫描器，其特征在于，所述第一至第三压电驱动器均包括二维柔性铰链、压电陶瓷和位移放大机构；压电陶瓷紧密嵌入椭圆形位移放大机构中空部分，二维柔性铰链位于位移放大机构上端中心处，所述压电陶瓷在两端输入电压时，有轴向的伸长位移，使得位移放大机构产生竖直方向的收缩位移，并使二维柔性铰链向下移动。
【文档编号】G02B26/12GK103543526SQ201310456195
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】陈巍, 赖建军, 陈四海, 罗栋, 李鹏, 赵灿兵 申请人:华中科技大学