一种同步扫描旋转双棱镜装置及其一维扫描方法与流程

本发明属于光束指向扫描控制技术领域，具体涉及一种一维同步扫描旋转双棱镜装置及其一维扫描方法。

背景技术：

目前光束扫描的控制方式主要有万向架式、快速反射镜式、旋转双棱镜式三种。

其中旋转双棱镜通过两棱镜的共轴独立旋转调整光束或视轴指向，与传统的万向架式相比，具有精度高、结构紧凑、动态性能好等优点，旋转双棱镜光束指向控制系统已成为传统万向架的有益补充。

旋转双棱镜光束指向控制系统由一对共轴相邻排列的折射棱镜组成，两棱镜的顶角和材料相同，能绕共同轴独立旋转。光束平行系统转轴入射，两棱镜通过折射改变光束传播方向，然后通过改变两棱镜的转角使出射光束在一定偏转角范围内实现任意指向调整。

现有旋转双棱镜光束指向控制系统多采用两片棱镜独立驱动和角度测量的技术方案。该技术方案可以实现二维扫描，但也存在以下缺点：需要两个电机和两个测角传感器，成本较高、体积和重量较大、可靠性较低；逆向解算难以得到解析解，控制过程复杂；两个棱镜独立控制，其不同步会引入额外的误差。

技术实现要素：

针对现有的电控旋转双棱镜中两个棱镜独立控制导致的成本高、体积重量较大、可靠性较低、解算复杂等缺点，本发明通过增加机械同步结构，实现了两个棱镜同步反向等幅转动，可以控制光束指向在一维方向上扫描。

为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种同步扫描旋转双棱镜装置，包括外壳支撑结构以及通过两个棱镜支撑结构共轴排列在外壳支撑结构内的第一楔形棱镜和第二楔形棱镜，所述的第一楔形棱镜和第二楔形棱镜折射率和楔角相同；还包括一个测角传感器和一个电机，所述的测角传感器由固定在外壳支撑结构上的读数头以及固定在第一楔形棱镜上的圆光栅组成，圆光栅与第一棱镜或第二棱镜固连并一起转动，所述的读数头与圆光栅之间通过轴承支撑，所述的电机由固定在外壳支撑结构上的定子以及固定在第二楔形棱镜上的转子组成；还包括通过轴系对称固定安装在外壳支撑结构内的一对或多对锥形齿轮，每对两个，所述的棱镜支撑结构上设置有与锥形齿轮啮合的传动齿，锥形齿轮通过与棱镜支撑结构的传动齿接触而实现传动的目的。

进一步，所述的锥形齿轮有四个，均匀分布在第一楔形棱镜和第二楔形棱镜之间的圆周上，以实现相同折射率和楔角的第一楔形棱镜和第二楔形棱镜同步反向等幅旋转，实现光束在一维方向的扫描。

本发明还公开了一种同步扫描旋转双棱镜装置的一维扫描方法，包括如下步骤：

步骤1，定义第一楔形棱镜和第二楔形棱镜的折射率均为n，顶角均为α，对平行z轴逆向入射光束的偏折角度表示为ψ＝α(n-1)，则平行z轴逆向入射光束经过第一楔形棱镜折射后的第一阶段出射光束，其平面矢量表示起始于o点，末端将随着第二楔形棱镜的旋转，沿着以ψ为半径的圆周运动，落点记为o′；第一阶段出射光束继续经过第二楔形棱镜折射后的第二阶段出射光束，其平面矢量表示起始于o’，末端随着第二楔形棱镜的旋转，沿着以ψ为半径的圆周运动；

步骤2，通过测角传感器测量第一楔形棱镜围绕z轴旋转的角度θ1，根据θ1＝-θ2＝θ得到第二楔形棱镜围绕z轴旋转的角度θ2，定义出射光束起始于x轴正向的方位角为θ，起始于z轴负向的俯仰角为φ，则俯仰角φ的偏折矢量在δx、δy轴上的投影分量分别为：

φx＝ψcosθ1+ψcosθ2＝2ψcosθ

φy＝ψsinθ1+ψsinθ2＝0

当出射光束的偏折矢量φ在δy轴上的投影分量为0时可确定是在x轴上的一维扫描；

步骤3，根据棱镜转角θ控制出射光束在δx轴上的投影分量，扫描的幅度为2ψ，通过控制棱镜转角θ的时间特性来对扫描的时间特性进行调制，根据以下公式计算出射光束的偏折角φ和方位角θ：

由于出射光束俯仰角φ的偏折矢量在δx轴上的投影分量与转角θ的余弦成正比，根据以下反向解析公式，可计算得到出射光束目标偏折角度所需的棱镜旋转角度

本发明的有益效果是：本发明装置通过电机驱动第二楔形棱镜转动，并通过偶数(2～8)个同步锥面齿轮传动到第一楔形棱镜，以实现相同折射率和楔角的两个折射棱镜的同步反向等幅旋转，第一楔形棱镜和第二楔形棱镜的转动角度通过带轴承的测角传感器进行测量和反馈；本发明仅用一个电机和一个测角传感器即可实现两个楔形棱镜的驱动和位置反馈，仅有一个控制量和反馈量，控制简单方便，具有简洁的正向和反向解析。

本发明与现有的旋转双棱镜相比，具有以下有益效果：

1，采用机械方式实现同步扫描，精度和可靠性高；

2，减少了电机和测角传感器数量，较小成本；

3，减少了控制量数量，具有简洁的正向解析解和反向解析解。

附图说明

图1是传统旋转双棱镜光束指向控制的工作原理示意图；

图2是利用中心算法推算偏折角和方位角的原理示意图；

图3是本发明装置的主视图；

图4是本发明装置的后视图；

图5是本发明装置的侧视图；

图6是本发明装置的俯视图。

各附图标记为：1—测角传感器，1-1—读数头，1-2—圆光栅，2—第一楔形棱镜，3—第二楔形棱镜，4—电机，4-1—定子，4-2—转子，5～8—锥形齿轮，9—轴系，10—外壳支撑结构，11—棱镜支撑结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

旋转双棱镜工作原理及光束指向解算

旋转双棱镜由一对共轴相邻排列的折射棱镜组成，通过调整第一楔形棱镜2和第二楔形棱镜3的各自转角，实现出射光束在一定的偏角范围内空间指向的任意改变。图1描绘了旋转双棱镜光束指向控制的工作原理。

解算入射、出射光束空间指向与两块棱镜转角之间的数学关系，是应用旋转双棱镜的基本前提。该数学关系分为“正向问题”和“反向问题”两个层次。正向问题是给定入射光束空间指向与两块棱镜转角，求解出射光束空间指向；反向问题是给定入射、出射光束空间指向，求解满足该光束位置关系的两块棱镜各自转角。

近轴近似方法能够简单粗略的解算正反向问题。一级近轴近似方法将棱镜作为顶角较小的光楔。

棱镜π1和棱镜π2具有相同的折射率n和顶角α，对平行z轴逆向入射光束的偏折角度ψ表示为

ψ＝α(n-1)(1)

图2描述了如何利用中心算法，解算光束经过旋转双棱镜后的空间指向。

平行z轴逆向入射光束经过棱镜π1折射后的第一阶段出射光束，其平面矢量表示起始于o点，末端将随着棱镜π1的旋转，沿着以ψ为半径的圆周运动，落点记为o′。

第一阶段出射光束继续经过棱镜π2折射后的第二阶段出射光束，其平面矢量表示起始于0’，末端随着棱镜π2的旋转，沿着以ψ为半径的圆周运动。θ1和θ2分别为棱镜π1，以及棱镜π2围绕z轴旋转的角度。每一组棱镜的转角都能够被相应的电机驱动调整并被被相应测角传感器测量。

入射光束逆z轴方向射入，出射光束以起始于x轴正向的方位角θ和起始于z轴负向的俯仰角φ表示。

由图2可知，偏折矢量φ在δx、δy轴上的投影分量分别为：

φx＝ψcosθ1+ψcosθ2(2)

φy＝ψsinθ1+ψsinθ2(3)

由公式(2)和(3)，得到出射光束的偏折角φ和方位角θ计算公式为：

由公式(4)和(5)可知，旋转双棱镜控制出射光束指向需要分别控制和测量两个棱镜的转角θ1和θ2，且θ1和θ2的控制与测量是相互独立的。因此，一般的旋转双棱镜至少需要两个电机和两个测角传感器。

旋转双棱镜用于扫描模式，通过控制两个棱镜的转角θ1和θ2，使出射光束运动轨迹覆盖整个扫描视场，并周期性的来回运动，其要求一个周期所耗费的时间需要尽可能的短。扫描模式的形成过程中，两组棱镜始终同步转动，而非一组棱镜等待另一组棱镜转动到某一位置后再同步转动。虽然后者理论上能够使出射光束运动轨迹绘画出任何形状，也许更为适应目标运动特性，但是棱镜转角的“额外调整”或者“额外等待”却不可避免的增加了设备调整时间，降低了目标搜索效率。但对独立控制的两片棱镜提出同步转动的要求，显著增加了控制难度，减低了控制精度。

一维扫描原理

在某些应用场景中，只需要出射光束在一维方向扫描，这种情况下可以明显简化旋转双棱镜的控制装置和解算算法。

根据公式(2)、(3)，如果θ1＝-θ2＝θ可使得：

φx＝ψcosθ1+ψcosθ2=2ψcosθ(6)

φy＝ψsinθ1+ψsinθ2＝0(7)

也就是说此时的出射光束的偏折矢量φ在δy轴上的投影分量始终为0，在δx轴上的投影分量仅与棱镜转角θ有关。此时出射光束指向在图1所示的x轴上来回扫描，扫描的幅度为2ψ，扫描的时间特性可以通过控制棱镜转角θ的时间特性来进行调制。

根据图2中的定义，θ1＝-θ2的物理意义是，两片棱镜在每一个时刻的转动方向相反，转角的绝对值相等。

根据公式(6)出射光束的偏折矢量φ在δx轴上的投影分量与转角θ的余弦成正比，根据这一公式，可以方便的得到反向解析解：

根据公式(8)可以快速简洁的计算出出射光束目标偏折角度所需的棱镜旋转角度θ。

带同步机构的旋转双棱镜装置

如图4至图6所示，作为具体的一个实施例，本发明装置通过电机4驱动第二楔形棱镜3转动，并通过四个同步锥面齿轮5～8传动到第一楔形棱镜2，以实现相同折射率和楔角的两个折射棱镜的同步反向等幅旋转，第一楔形棱镜2和第二楔形棱镜3的转动角度通过带轴承的测角传感器1进行测量和反馈；这样仅用一个电机4和一个测角传感器1即可实现两个楔形棱镜的驱动和位置反馈，仅有一个控制量和反馈量，控制简单方便，具有简洁的正向和反向解析。

锥形齿轮5通过轴系9固定安装在外壳支撑结构10上，不随棱镜转动。其它锥形齿轮6～8安装形式类似；为提高精度，锥形齿轮采用对称布置，数量可以根据实际情况增减，最少不低于两个，锥形齿轮5～8通过与棱镜支撑结构11的齿轮接触而实现传动的目的。

测角传感器1由读数头1-1和圆光栅1-2组成，读数头1-1固定安装到外壳支撑结构10，圆光栅1-2与第一楔形棱镜2固连并一起转动，读数头1-1与圆光栅1-2之间通过轴承支撑。电机4由定子4-1和转子4-2组成，定子4-1固定安装到外壳支撑结构10，转子4-2与第二楔形棱镜3固连并一起转动。

本实施例通过4个对称均布的锥面齿轮实现两片棱镜的同步反向转动，第一楔形棱镜2和第二楔形棱镜3之间的支撑结构依次设计了四个锥面齿轮，并同时与锥面齿轮的四个轴系接触，电机4带动第二楔形棱镜3及其支撑结构旋转，并通过锥面齿轮5～8传动至第一楔形棱镜2，使其反向同步转动；第一楔形棱镜2和第二楔形棱镜3的转角通过测角传感器1进行测量；由于锥面齿轮5～8的位置固定，第一楔形棱镜2和第二楔形棱镜3在转动过程中的转角能够保持反向且绝对值相等；扫描模式下，为消除空回对精度的影响，控制第一楔形棱镜2和第二楔形棱镜3只朝一个方向连续旋转，出射光束在一维方向来回扫描。

本发明可以达到以下目的：

1，优化同步方式，提高同步精度；

2，减少电机和测角传感器数量，降低成本提高可靠性；

3，减少控制量和反馈量数量，获得正向解算和逆向解算的解析解，简化光束指向的解算控制量。

以上描述的带同步机构的旋转双棱镜装置通过齿轮机械传动的方式，实现了两个棱镜的同步反向等幅旋转，同时还实现了减少电机和测角传感器数量的目的。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。