一種基于光纖網(wǎng)絡(luò)的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光纖網(wǎng)絡(luò)的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器，由主備份兩只尾纖輸出型激光器、控制電路、兩路驅(qū)動(dòng)電路、兩路溫控電路、光纖分束器，16個(gè)光纖準(zhǔn)直器和機(jī)殼組成。主備兩只激光器發(fā)出的光經(jīng)2×16型光纖分束器，兩路激光先合2為1，再分成16束，每束激光經(jīng)過(guò)安裝在機(jī)殼上的光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行光學(xué)準(zhǔn)直。通過(guò)調(diào)整光纖準(zhǔn)直器在機(jī)殼上的安裝位置和出射方向，可以生成不同分布特征的激光點(diǎn)陣。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了輕小型月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器，能生成能量密度高且均勻的激光點(diǎn)陣，解決了激光點(diǎn)陣器高可靠性和復(fù)雜航天環(huán)境適應(yīng)性等瓶頸問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于光纖網(wǎng)絡(luò)的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于月球車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于光纖網(wǎng)絡(luò)的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器。

【背景技術(shù)】
[0002]為了實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足要求的激光點(diǎn)陣，目前的技術(shù)方案主要為不分光和分光兩種方案。不分光方案米用多只激光器輸出，每只激光器輸出的激光經(jīng)準(zhǔn)直后出射形成一個(gè)光斑，16個(gè)點(diǎn)陣則需要16只激光器。該方案需要較大的空間布置16只激光器和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和溫控電路，并且沒(méi)有冗余和備份。
[0003]分光方案將一只激光器輸出的激光分成若干束，每束經(jīng)光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直之后輸出形成一個(gè)光斑，分光方式主要采用透鏡陣列和光柵分光的方式實(shí)現(xiàn)。該方案采用的透鏡和光柵分光，光學(xué)零件體積大，且均勻度較差，并且激光在自由空間傳輸，相互串?dāng)_，抗干擾能力不夠。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有光柵系統(tǒng)或是棱鏡系統(tǒng)分光不足的缺陷，提供一種基于光纖網(wǎng)絡(luò)的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了輕小型月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器，在嚴(yán)格的體積、重量和功耗要求下產(chǎn)生具有特定分布的激光點(diǎn)陣，產(chǎn)生的激光點(diǎn)陣作為相機(jī)含有特征分布的標(biāo)志點(diǎn)，可以用于月球車(chē)及其他地外行星探測(cè)器自主避障，也可以用于目標(biāo)特征的獲取與識(shí)別。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括:
[0006]一種基于光纖網(wǎng)絡(luò)的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器，包括:主尾纖輸出型激光器和備份尾纖輸出型激光器、控制電路、第一驅(qū)動(dòng)電路、第二驅(qū)動(dòng)電路、第一溫控電路、第二溫控電路、光纖分束器，16個(gè)光纖準(zhǔn)直器、以及機(jī)殼，其中，主尾纖輸出型激光器和備份尾纖輸出型激光器、控制電路、第一驅(qū)動(dòng)電路、第二驅(qū)動(dòng)電路、第一溫控電路、第二溫控電路、光纖分束器，以及16個(gè)光纖準(zhǔn)直器均裝配在機(jī)殼中；第一驅(qū)動(dòng)電路和第一溫控電路控制主尾纖輸出型激光器的工作；第二驅(qū)動(dòng)電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器的工作；上電后，第一驅(qū)動(dòng)電路和第一溫控電路工作，控制主尾纖輸出型激光器發(fā)光；控制電路采集主尾纖輸出型激光器內(nèi)的光電探測(cè)器的輸出信號(hào)，并將該輸出信號(hào)與控制電路內(nèi)部預(yù)設(shè)的信號(hào)進(jìn)行比較，判斷主尾纖輸出型激光器是否正常工作，如果正常，則不做任何處理；如果不正常，則切換至第二驅(qū)動(dòng)電路和第二溫控電路，由第二驅(qū)動(dòng)電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器發(fā)光；主尾纖輸出型激光器或備份尾纖輸出型激光器發(fā)出的光經(jīng)光纖分束器分成16束，每束光經(jīng)過(guò)一個(gè)光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后照射到月面上。
[0007]進(jìn)一步地，其特征在于，光纖準(zhǔn)直器的金屬結(jié)構(gòu)材料選用低膨脹合金4J32B。
[0008]進(jìn)一步地，定義16個(gè)光纖準(zhǔn)直器的激光光軸與機(jī)殼底面之間的夾角為俯仰角，16個(gè)光纖準(zhǔn)直器的激光光軸與機(jī)殼前表面之間的夾角為方位角，則:第一光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為41.91°，第二和第八光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為42.29°，第九和第十六光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為47.32°，第三至第七光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為42.43°，第十至十五光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為47.49° ;第一至十六光纖準(zhǔn)直器的方位角依次為43.03° ,51.05°，61.60°，74.87 °，90°，-74.87 °，-61.60 °，-51.05 °，40.84 °，50.28 °，63.51°，80.57。, -80.66° , -63.51° ,-50.28° 和-40.84。。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0010]1、本發(fā)明選用尾纖輸出的激光器作為光源，激光器輸出光纖與光纖分束器輸入端光纖熔接，激光器輸出的激光在光纖分束器中傳輸，光纖分束器輸出端光纖用陶瓷插針與光纖準(zhǔn)直器連接，激光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直輸出，光傳播全程為封閉環(huán)境，光束質(zhì)量不受外界環(huán)境干擾，可靠性高。
[0011]2、整機(jī)采用主備份設(shè)計(jì)，可以提高系統(tǒng)的可靠性。
[0012]3、采取寬溫遲滯型溫控設(shè)計(jì)，減小系統(tǒng)所需的功耗。
[0013]4、通過(guò)各部分的協(xié)同作用，可以最小化系統(tǒng)體積、重量和功耗，并保證光功率的均勻和系統(tǒng)的可靠性。產(chǎn)品通過(guò)了各種環(huán)境下的性能測(cè)試、航天力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)和航天熱環(huán)境試驗(yàn)考核，并在CE-3月球車(chē)的避障探測(cè)中成功應(yīng)用，在其他行星探測(cè)器的避障探測(cè)以及目標(biāo)特征識(shí)別等領(lǐng)域中，可以直接進(jìn)行技術(shù)移植，具有很好的推廣前景。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明的組成圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的設(shè)備簡(jiǎn)圖；
[0016]圖3a-圖3c為光纖盤(pán)繞方向示意圖；
[0017]圖4為本發(fā)明的主備份切換原理圖；
[0018]圖5為本發(fā)明的溫控電路原理圖；
[0019]圖6為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路原理圖；
[0020]圖7為本發(fā)明的激光出射方向示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)根據(jù)本發(fā)明的基于光纖網(wǎng)絡(luò)的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的激光點(diǎn)陣器可用于月球車(chē)，在嚴(yán)格的體積、重量和功耗要求下產(chǎn)生具有特定分布的高亮度激光點(diǎn)陣，可以用于月球車(chē)及其他地外行星探測(cè)器自主避障，也可以用于目標(biāo)特征的獲取與識(shí)別。
[0023]該基于光纖網(wǎng)絡(luò)的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器，由主備份兩只尾纖輸出型激光器、控制電路、第一和第二驅(qū)動(dòng)電路、第一和第二溫控電路、光纖分束器,16個(gè)光纖準(zhǔn)直器和機(jī)殼組成。主備兩只尾纖輸出型激光器發(fā)出的光經(jīng)2X 16型光纖分束器,先合2為I,再分成16束，每束激光經(jīng)過(guò)安裝在機(jī)殼上的光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行光學(xué)準(zhǔn)直。通過(guò)調(diào)整準(zhǔn)直器在機(jī)殼上的安裝位置和出射方向，可以生成不同分布特征的激光點(diǎn)陣。尾纖輸出型激光器采用恒流源精密控制實(shí)現(xiàn)光功率穩(wěn)定輸出，采取獨(dú)特的寬溫遲滯型溫控設(shè)計(jì)，顯著減小系統(tǒng)功耗。
[0024]具體地，如圖1、圖2和圖4所示，第一驅(qū)動(dòng)電路和第一溫控電路控制主尾纖輸出型激光器的工作；第二驅(qū)動(dòng)電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器的工作；上電后，第一驅(qū)動(dòng)電路和第一溫控電路工作，控制主尾纖輸出型激光器發(fā)光；控制電路采集主尾纖輸出型激光器內(nèi)的光電探測(cè)器的輸出信號(hào)，并將該輸出信號(hào)與控制電路內(nèi)部預(yù)設(shè)的信號(hào)進(jìn)行比較，判斷主尾纖輸出型激光器是否正常工作，如果正常，則不做任何處理；如果不正常，則切換至第二驅(qū)動(dòng)電路和第二溫控電路，由第二驅(qū)動(dòng)電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器發(fā)光；主尾纖輸出型激光器或備份尾纖輸出型激光器發(fā)出的光經(jīng)光纖分束器分成16束，每束光經(jīng)過(guò)一個(gè)光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后照射到月面上。
[0025]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了輕小型月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器，能生成能量密度高且均勻的激光點(diǎn)陣，解決了激光點(diǎn)陣器高可靠性和復(fù)雜航天環(huán)境適應(yīng)性等瓶頸問(wèn)題。
[0026]選用2X16型熔融拉錐式光纖分束器進(jìn)行分光。主備兩只激光器發(fā)出的光經(jīng)2 X 16型光纖分束器合為I束后再分成16束。分束器的分光效率(輸出功率和與輸入功率之比)優(yōu)于90%，能量均勻性(16束輸出激光最大功率與最小功率之比)優(yōu)于1.3。光纖為柔性材料，可以在空間中自由盤(pán)繞，各部組件空間布置更加靈活，大大降低所需空間。
[0027]選用尾纖輸出型激光器作為光源，激光器輸出光纖與光纖分束器輸入端的光纖熔接，激光器輸出的激光在光纖分束器中傳輸，最后經(jīng)陶瓷插針輸出，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直輸出，光傳播全程為封閉環(huán)境，光束質(zhì)量不受外界環(huán)境干擾，可靠性高。
[0028]為了適應(yīng)月球車(chē)用及地外行星探測(cè)復(fù)雜高低溫環(huán)境，光纖準(zhǔn)直器的金屬結(jié)構(gòu)材料選用低膨脹合金4J32B。
[0029]如圖3a_圖3c所示，光纖為柔性材料，可以在空間中自由盤(pán)繞，光纖盤(pán)繞采用環(huán)形盤(pán)繞和“8”字形盤(pán)繞相結(jié)合的方式，局部通過(guò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，大大減小系統(tǒng)所需空間。
[0030]考慮到在寬溫范圍實(shí)現(xiàn)高精度溫控需要較大的功率消耗，如圖5所示，本發(fā)明采取寬溫遲滯型溫控設(shè)計(jì)，僅在極端溫度條件下啟動(dòng)溫控工作。溫控電路通過(guò)尾纖輸出型激光器中的熱敏電阻監(jiān)測(cè)其LD (半導(dǎo)體二極管)的工作溫度，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并進(jìn)行判斷和運(yùn)算處理。當(dāng)LD的溫度低于+15°C時(shí)，溫控電路對(duì)尾纖輸出型激光器內(nèi)集成的TEC(半導(dǎo)體制冷器)加反向偏置電流，對(duì)LD加熱；當(dāng)LD的溫度高于+36°C時(shí)，溫控電路對(duì)尾纖輸出型激光器內(nèi)集成的TEC加正向偏置電流，對(duì)LD制冷降溫。溫控電路采用PID算法控制TEC的輸出功率，實(shí)現(xiàn)LD的溫度控制。這種溫控電路設(shè)計(jì)采用較小的溫控功率實(shí)現(xiàn)了LD的主動(dòng)溫度。
[0031]如圖6所示，由于LD的輸出光功率與電流近似于線(xiàn)性關(guān)系，其驅(qū)動(dòng)必須采用恒流源設(shè)計(jì)。系統(tǒng)一次供電為5.5V，為了提高驅(qū)動(dòng)電源的效率，此處采用BUCK型開(kāi)關(guān)降壓電路，首先將一次供電電壓降到2V ;然后采用功率晶體管、電流控制電路和取樣電阻，將上級(jí)BUCK開(kāi)關(guān)型電壓源路轉(zhuǎn)化為電流源，電流反饋和電流控制功能實(shí)現(xiàn)LD驅(qū)動(dòng)源的恒流、穩(wěn)流輸出設(shè)計(jì)。針對(duì)LD專(zhuān)門(mén)做一系列的防護(hù)措施:限流控制完成LD的過(guò)流保護(hù)措施，延時(shí)保護(hù)功能使LD避免靜電電荷積累和電壓沖擊，軟啟動(dòng)功能避免在開(kāi)機(jī)過(guò)程中形成的對(duì)LD浪涌電流沖擊，電壓反饋監(jiān)測(cè)LD上工作電壓，對(duì)LD進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。
[0032]在根據(jù)本發(fā)明的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器中，定義16個(gè)光纖準(zhǔn)直器的激光光軸與機(jī)殼底面之間的夾角為俯仰角，16個(gè)光纖準(zhǔn)直器的激光光軸與機(jī)殼前表面之間的夾角為方位角，則:第一光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為41.91°，第二和第八光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為42.29°，第九和第十六光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為47.32°，第三至第七光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為42.43°，第十至十五光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為47.49° ;第一至十六光纖準(zhǔn)直器的方位角依次為 43.03。,51.05° ,61.60° ,74.87° ,90° , -74.87° , -61.60° , -51.05° ,40.84°，50.28。,63.51° ,80.57° , -80.66° , -63.51° , -50.28° 和-40.84。。
[0033]如圖2所示，激光板12僅用于尾纖輸出型激光器的安裝和固定，驅(qū)動(dòng)溫控板11包括所有的電路。機(jī)殼10為前后兩部分，前面部分用于固定尾纖輸出型激光器6和7、光纖準(zhǔn)直器9和光纖分束器8，后半部分用于固定驅(qū)動(dòng)控制板11，前后兩部分扣合，用螺釘連接形成一個(gè)整體。
[0034]在此，需要說(shuō)明的是，本說(shuō)明書(shū)中未詳細(xì)描述的內(nèi)容，是本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)本說(shuō)明書(shū)中的描述以及現(xiàn)有技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的，因此，不做贅述。
[0035]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，可以對(duì)本發(fā)明做出若干的修改和替換，所有這些修改和替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖網(wǎng)絡(luò)的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器，其特征在于，包括:主尾纖輸出型激光器和備份尾纖輸出型激光器、控制電路、第一驅(qū)動(dòng)電路、第二驅(qū)動(dòng)電路、第一溫控電路、第二溫控電路、光纖分束器，16個(gè)光纖準(zhǔn)直器、以及機(jī)殼，其中，主尾纖輸出型激光器和備份尾纖輸出型激光器、控制電路、第一驅(qū)動(dòng)電路、第二驅(qū)動(dòng)電路、第一溫控電路、第二溫控電路、光纖分束器，以及16個(gè)光纖準(zhǔn)直器均裝配在機(jī)殼中； 第一驅(qū)動(dòng)電路和第一溫控電路控制主尾纖輸出型激光器的工作；第二驅(qū)動(dòng)電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器的工作； 上電后，第一驅(qū)動(dòng)電路和第一溫控電路工作，控制主尾纖輸出型激光器發(fā)光；控制電路采集主尾纖輸出型激光器內(nèi)的光電探測(cè)器的輸出信號(hào)，并將該輸出信號(hào)與控制電路內(nèi)部預(yù)設(shè)的信號(hào)進(jìn)行比較，判斷主尾纖輸出型激光器是否正常工作，如果正常，則不做任何處理；如果不正常，則切換至第二驅(qū)動(dòng)電路和第二溫控電路，由第二驅(qū)動(dòng)電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器發(fā)光； 主尾纖輸出型激光器或備份尾纖輸出型激光器發(fā)出的光經(jīng)光纖分束器分成16束，每束光經(jīng)過(guò)一個(gè)光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后照射到月面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖網(wǎng)絡(luò)的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器，其特征在于，光纖準(zhǔn)直器的金屬結(jié)構(gòu)材料選用低膨脹合金4J32B。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖網(wǎng)絡(luò)的月球車(chē)用激光點(diǎn)陣器，其特征在于，定義16個(gè)光纖準(zhǔn)直器的激光光軸與機(jī)殼底面之間的夾角為俯仰角，16個(gè)光纖準(zhǔn)直器的激光光軸與機(jī)殼前表面之間的夾角為方位角，則:第一光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為41.91° ,第二和第八光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為42.29°，第九和第十六光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為47.32°，第三至第七光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為42.43°，第十至十五光纖準(zhǔn)直器的俯仰角為47.49° ； 第一至十六光纖準(zhǔn)直器的方位角依次為43.03 °，51.05 °，61.60 °，.74.87 °，90 °，-74.87 °，-61.60 °，-51.05 °，40.84 °，50.28 °，63.51 °，.80.57。, -80.66° , -63.51° ,-50.28° 和-40.84。。
【文檔編號(hào)】G02B27/09GK104375274SQ201410601965
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】王春輝, 張慧, 李明山, 鄭永超, 李旭, 王遨游 申請(qǐng)人:北京空間機(jī)電研究所