专利名称：微型集成化非合作目标探测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型集成化非合作目标探测装置，属于光机电一体化技术和MEMS 技术(Micro-Electro-Mechanical System)令页域。
背景技术：
自主扫描是用于空间非合作目标探测的关键技术，主要用于扫描探测空间某一区 域中的非合作目标航天器，并对其相对距离和相对方位进行测量。 随着微机械和MEMS技术的发展，微反射镜扫描成为了一种新型的扫描方式，其基 本原理是微反射镜镜面在静电力、电磁力、电热力、压电力或其它类型驱动力的作用下发生 偏转，从而改变入射光的偏转角，实现对某一区域的扫描。MEMS微反射镜具有体积小、质量 轻、功耗低、扫描速率快、测量精度高等特点，基于MEMS微反射镜的扫描装置可取代传统的 激光扫描机构，更加适用于微型卫星(质量小于20kg)和纳型/皮型卫星(质量小于10kg)。
但是，目前的微反射镜扫描装置在集成化和模块化方面还有很多不足，若使系统 的各个部件分开工作，不仅会给系统各部分的设计带来困难，同时也给微反射镜扫描系统 本身的布置和它在微纳卫星上的搭载造成了很大难度，而且会使整个系统的结构不够紧 凑，导致体积的增大。
发明内容
本发明的目的在于通过高度集成的模块形式，将非合作目标探测装置中的激光发 射部分、光学扫描部分、信号接收及处理部分集成到一个模块盒下，这样既能满足微型化非 合作目标探测装置的性能要求，又减少了外围的很多电路与结构，达到减轻重量，减少体积 的目的，体现微光机电一体化的特点和优势。 本发明的特征在于，含有集成于模块盒内的激光发射部分、光学扫描部分以及信 号接收及处理部分，其中模块盒，总体尺寸为100mmX35mmX50mm， 激光发射部分，含有激光器、光阑以及分光镜，其中 激光器，直径为6. 5mm，长为35mm，与所述模块盒前端平行放置，发射经信号调制 后的连续波激光光束， 光阑，开口直径为2.0mm，与所述模块盒前端面平行放置，所述光阑开口端与所述 激光器左端的距离为5mm， 分光镜，直径为12.6mm，与所述模块盒前端面成45。放置，该分光镜右侧面中心 和所述光阑开口左端的距离为9mm， 光学扫描部分，含有MEMS微反射镜及一端开口的长方体容器，其中
MEMS微反射镜，集成于总体尺寸为28mmX20mmX 18mm的所述长方体容器中，所述 MEMS微反射镜镜面的长为8mm，宽为7. 5mm，与所述模块盒的前端成45°放置，该MEMS微反 射镜的中心与所述分光镜左侧面中心的距离为22mm，该MEMS微反射镜具有水平偏转和垂直偏转两个自由度，该MEMS微反射镜设有控制信号输入端输入来自所述信号接收及处理部分输出的控制信号，使所述MEMS微反射镜实现所述两个方向上的偏转运动，实现二维扫描，当所述分光镜的透射光射至所述MEMS反射镜后，经反射的二维扫描光束经过所述模块盒前端预先开设的窗口输出，所述二维扫描光束被非合作目标反射后，再次经过所述MEMS微反射镜，并反射到所述分光镜，经所述分光镜反射的光束，被所述信号接收及处理部分接收， 所述激光器中心、光阑开口中心、分光镜中心及MEMS微反射镜中心处于同一高度，且光轴经过同一条水平线， 所述窗口为正方形窗口，边长为15mm，窗口中心与所述光轴处于同一高度，且与所述MEMS微反射镜的中心对齐，距离为12mm， 信号接收及处理部分，是设有一个光敏元件的一个信号处理电路板，长29mm，宽14mm，所述光敏元件的中心与所述光轴同高，且在垂直方向上与所述分光镜的左侧面对齐，距离为13mm，该信号处理电路板上设有一个输出端，输出所述非合作目标的相对距离和方位， 所述激光器、光阑、分光镜和MEMS微反射镜的各固定支座均与所述模块盒的底板螺纹连接， 所述信号处理电路板与所述模块盒的后侧内壁螺纹连接。 与现有技术相比，本发明的创新点是，通过科学而巧妙的布置设计，将微型化非合作目标探测装置的激光发射部分、光学扫描部分、信号接收及处理部分集成设计到一起，形成了一个结构紧凑的系统集成模块。本发明的最大特点是，通过系统集成将非合作目标探测装置中各个模块的相对位置进行了设计和布置，将激光器、光阑、分光镜、MEMS微反射镜和信号处理电路直接安装在一个模块盒内形成一个系统整体。通过集成模块的设计，不仅减少了很多结构部分以及电路部分，使成本得以降低，同时使得微型集成化非合作目标探测装置各部分的结构更加紧凑，很大幅度的节省了空间。
图1为微型集成化非合作目标探测装置工作原理图。
图2为微型集成化非合作目标探测装置内部结构图。
图3为微型集成化非合作目标探测装置俯视图。
图4为微型集成化非合作目标探测装置主视图。
图5为信号处理电路原理框图。 图中激光器(l)，光阑(2)，分光镜(3)，MEMS微反射镜(4)，窗口 (5)，非合作目标(6)，信号处理电路(7)，光敏元件(8)，模块盒(9)，排线孔(10)
具体实施例方式
本发明具体技术方案如下 微型集成化非合作目标探测装置，该装置的结构为一个模块盒，其中集成有激光器、光阑、分光镜、MEMS微反射镜以及信号处理电路。 所述激光器发射经信号调制后的连续波激光光束，经过所述光阑和所述分光镜后
4透射至所述MEMS微反射镜；所述MEMS微反射镜反射激光光束实现二维扫描，并输出二维偏转角测量信号；扫描光束被非合作目标反射回来的光束，再次经过所述MEMS微反射镜，并反射至所述分光镜，最后经所述分光镜反射后，形成回波信号被所述信号处理电路接收。所述信号处理电路对调制信号、回波信号和偏转角测量信号进行解算处理，得到非合作目标的相对距离和方位信息。 本发明针对非合作目标探测系统光机电一体化的特点，发明了微型集成化非合作目标探测装置，工作原理图如图l所示，内部结构如图2所示。微型集成化非合作目标探测装置由激光器、光阑、分光镜、MEMS微反射镜以及信号处理电路几部分共同组成，总体尺寸为100mmX35mmX50mm。这几部分结构将集成系统分为三个部分的功能，即激光发射部分、光学扫描部分和信号接收及处理部分。下面对各部分的原理和设计分别加以具体说明。
1.激光发射部分 激光器(1)采用半导体点光源激光器，使用直接调制法对其进行调制，将调制信号叠加在偏置电压上，使得注入电流随调制电压线性变化，从而使激光光强也随调制电压线性变化。 如图l所示，激光器(l)发射经信号调制后的连续波激光光束，光束经过光阑(2)，由光阑(2)控制光束大小后经过分光镜(3)，经由分光镜(3)分光后，透射光束射至了MEMS微反射镜(4)。在图4所示的主视图中，激光器(1)中心、光阑(2)开口中心、分光镜(3)中心以及MEMS微反射镜(4)中心处于同一高度，且光轴位于同一条水平线。
如图3所示，激光器(1)、光阑(2)、分光镜(3)和MEMS微反射镜(4)的固定支座均由两螺栓与模块盒(9)底上的螺纹孔相连接，以保证各部件之间的相对位置。激光器(1)的直径为6. 5mm，长为35mm，与模块盒前端面平行放置。光阑(2)的开口直径为2. Omm，与模块盒前端面平行放置，其开口右端与激光器左端的距离为5mm。分光镜(3)的直径为12. 6mm，与模块盒前端面成45。放置，其右侧面中心和光阑开口左端的距离为9mm。 MEMS微反射镜(4)集成于一个总体尺寸为28mmX20mmX 18mm的长方体结构中，其中MEMS微反射镜镜面的长为8mm，宽为7. 5mm，与模块盒前端面成45°放置，其中心与分光镜左侧面中心的距离为22mm。 2.光学扫描部分 MEMS微反射镜(4)具有水平偏转和垂直偏转两个自由度，能够分别在两个方向上产生偏转，并能够输出偏转角测量信号至信号处理电路(7)。同时控制MEMS微反射镜(4)两个方向上的偏转运动，可以实现二维扫描。 如图1所示，当分光镜(3)的透射光射至MEMS微反射镜(4)后，二维扫描光束通过窗口 (5)射出，光束被非合作目标(6)反射之后，再次经过MEMS微反射镜(4)，并反射至分光镜(3)，最后，经分光镜(3)反射的光束，被信号处理电路(7)接收。
如图3所示，窗口 (5)的形状为长宽均为15mm的正方形，其中心与光轴处于同一高度，且在垂直方向上与MEMS微反射镜的中心对齐，距离为12mm。光敏元件(8)集成于信号处理电路(7)上，其中心也与光轴同高，且在垂直方向上与分光镜的左侧面中心对齐，距离为13mm。 3.信号接收及处理部分 如图2所示，信号处理电路(7)长29mm、宽14mm，通过四个螺栓固定于模块盒(9)的后侧内壁上，保证返回光束能被电路中的光敏元件接收。如图5所示，光敏元件(8)将接收到的返回光束转换为光电流，经过放大电路得到电压信号，并分别经过触发电路和滤波电路得到接收信号和回波信号，方位解算单元根据MEMS微反射镜偏转角测量信号和接收信号的时间，解算出非合作目标的相对方位信息；距离解算单元根据回波信号和调制信号的相位差，解算出非合作目标的相对距离信息。信号处理电路(7)的电源信号和测量信号，用导线通过排线孔(10)与外部连接，排线孔(10)的长为10mm，宽为20mm。
权利要求
微型集成化非合作目标探测装置，其特征在于，含有集成于模块盒内的激光发射部分、光学扫描部分以及信号接收及处理部分，其中模块盒，总体尺寸为100mm×35mm×50mm，激光发射部分，含有激光器、光阑以及分光镜，其中激光器，直径为6.5mm，长为35mm，与所述模块盒前端平行放置，发射经信号调制后的连续波激光光束，光阑，开口直径为2.0mm，与所述模块盒前端面平行放置，所述光阑开口端与所述激光器左端的距离为5mm，分光镜，直径为12.6mm，与所述模块盒前端面成45°放置，该分光镜右侧面中心和所述光阑开口左端的距离为9mm，光学扫描部分，含有MEMS微反射镜及一端开口的长方体容器，其中MEMS微反射镜，集成于总体尺寸为28mm×20mm×18mm的所述长方体容器中，所述MEMS微反射镜镜面的长为8mm，宽为7.5mm，与所述模块盒的前端成45°放置，该MEMS微反射镜的中心与所述分光镜左侧面中心的距离为22mm，该MEMS微反射镜具有水平偏转和垂直偏转两个自由度，该MEMS微反射镜设有控制信号输入端输入来自所述信号接收及处理部分输出的控制信号，使所述MEMS微反射镜实现所述两个方向上的偏转运动，实现二维扫描，当所述分光镜的透射光射至所述MEMS反射镜后，经反射的二维扫描光束经过所述模块盒前端预先开设的窗口输出，所述二维扫描光束被非合作目标反射后，再次经过所述MEMS微反射镜，并反射到所述分光镜，经所述分光镜反射的光束，被所述信号接收及处理部分接收，所述激光器中心、光阑开口中心、分光镜中心及MEMS微反射镜中心处于同一高度，且光轴经过同一条水平线，所述窗口为正方形窗口，边长为15mm，窗口中心与所述光轴处于同一高度，且与所述MEMS微反射镜的中心对齐，距离为12mm，信号接收及处理部分，是设有一个光敏元件的一个信号处理电路板，长29mm，宽14mm，所述光敏元件的中心与所述光轴同高，且在垂直方向上与所述分光镜的左侧面对齐，距离为13mm，该信号处理电路板上设有一个输出端，输出所述非合作目标的相对距离和方位，所述激光器、光阑、分光镜和MEMS微反射镜的各固定支座均与所述模块盒的底板螺纹连接，所述信号处理电路板与所述模块盒的后侧内壁螺纹连接。
全文摘要
微型集成化非合作目标探测装置属于微机电技术领域，其特征在于，含有激光发射部分、光学扫描部分和信号接收和处理部分，并集成在一个100mm×35mm×50mm的模块盒内，把经信号调制后的连续波激光光束经光阑、分光镜后透射到作为光学扫描部分的MEMS微反射镜，在对所述连续波激光光束进行二维扫描后，被非合作目标反射回来的光束再依次经过MEMS微反射镜、分光镜反射，由信号接收和处理部分处理，输出非合作目标的相对距离和方位信息。本发明使所述微型集成化非合作目标探测装置的结构更为紧凑，体积大大缩小。
文档编号G01V8/12GK101788688SQ20101011813
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月4日 优先权日2010年3月4日
发明者尤政, 张弛, 曾新, 黄虎 申请人:清华大学