專利名稱：一種微型激光二維掃描測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型激光二維掃描測量系統(tǒng)，屬于光機(jī)電一體化技術(shù)和MEMS技術(shù) (Micro-Electro-Mechanical System)令頁域。
背景技術(shù)：
自主掃描是用于空間目標(biāo)探測的關(guān)鍵技術(shù)，主要用于掃描探測空間某一區(qū)域中的目標(biāo)航 天器，并對其相對距離和相對方位進(jìn)行測量。自主掃描技術(shù)可分為衛(wèi)星本體掃描、吊艙跟蹤 掃描和反射鏡二維空間掃描等方式，其中衛(wèi)星本體掃描增加了衛(wèi)星姿態(tài)控制的復(fù)雜性，吊艙 跟蹤掃描在重量、功耗和體積等方面相對較大，而反射鏡二維空間掃描更適合于微小衛(wèi)星的 使用。
傳統(tǒng)的反射鏡掃描方式有轉(zhuǎn)鏡掃描和振鏡掃描，多采用電機(jī)驅(qū)動。轉(zhuǎn)鏡掃描又稱旋轉(zhuǎn)多 面體棱鏡掃描，其工作原理為激光束投射到一個高速旋轉(zhuǎn)的多面體棱鏡上，多面體棱鏡將入 射的激光束反射并隨其偏轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描。這種掃描方式對多面體的加工精度要求高，光學(xué)部分 調(diào)整復(fù)雜，掃描電機(jī)的均勻性要求嚴(yán)格，且存在半徑差和塔形誤差，影響了掃描精度。
振鏡主要由電磁驅(qū)動部分和位置傳感器兩部分組成，振鏡掃描的工作原理是通過控制反 射鏡的反射角度，從而達(dá)到激光束的偏轉(zhuǎn)，并通過位置傳感器反映振鏡的偏轉(zhuǎn)角度和掃描位 置。掃描振鏡的反射面繞中心軸擺動，不存在半徑差和塔形誤差，與多面轉(zhuǎn)鏡相比有較高的 掃描精度。但是振鏡的掃描驅(qū)動電路采用伺服系統(tǒng)，控制較為復(fù)雜，掃描頻率偏低，并且體 積和功耗相對較大。
目前，隨著微機(jī)械和MEMS技術(shù)的發(fā)展，微反射鏡掃描成為了一種新型的掃描方式，其基 本原理是微反射鏡鏡面在靜電力、電磁力、電熱力、壓電力或其它類型驅(qū)動力的作用下發(fā)生 偏轉(zhuǎn)，從而改變?nèi)肷涔獾钠D(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)對某一區(qū)域的掃描。微反射鏡具有體積小、質(zhì)量輕、 功耗低、掃描速率快、測量精度高等特點(diǎn)，可取代傳統(tǒng)的激光掃描機(jī)構(gòu)，更加適用于微型衛(wèi) 星(質(zhì)量小于20kg)和納型/皮型衛(wèi)星(質(zhì)量小于10kg)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微型激光二維掃描測量系統(tǒng)，能夠取代傳統(tǒng)的激光掃描機(jī)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)相對距離和方位的測量，具有體積小、功耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提供的一種微型激光二維掃描測量系統(tǒng)，如圖1所示，其特征在于所述微型激 光二維掃描測量系統(tǒng)由激光器、微型二維掃描鏡、測距模塊、測角模塊和控制器組成。所述 激光器發(fā)射經(jīng)信號調(diào)制后的連續(xù)波激光光束至所述微型二維掃描鏡和所述測距模塊；所述微 型二維掃描鏡在外加電壓驅(qū)動下產(chǎn)生二維偏轉(zhuǎn)，反射激光光束實(shí)現(xiàn)二維掃描，并能對二維偏 轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量和輸出；所述測距模塊接收所述激光器發(fā)射的光束和被目標(biāo)反射的光束，對兩 路光束采用相位式測距法解算被測目標(biāo)的相對距離并輸出；所述測角模塊對所述微型二維掃 描鏡的偏轉(zhuǎn)角測量信號和所述測距模塊的接收信號進(jìn)行處理，解算被測目標(biāo)的相對方位并輸 出；所述控制器是一個微處理器，對所述各個部分的工作狀態(tài)進(jìn)行指令控制，完成數(shù)據(jù)交換， 提取并輸出被測目標(biāo)的相對距離和方位信息。
本發(fā)明的特征在于，該系統(tǒng)含有激光器、微型二維掃描鏡、測距模塊、測角模塊、以 及由微處理器構(gòu)成的控制器，其中
激光器，設(shè)有控制信號輸入端，與所述控制器的啟動控制信號輸出端相連，該激光器的 輸出是經(jīng)信號調(diào)制后的連續(xù)波激光光束，該激光光束首先經(jīng)過分光鏡分為兩個部分透射部 分經(jīng)過反射鏡后形成發(fā)射光束，反射部分經(jīng)過所述微型二維掃描鏡，對被測目標(biāo)進(jìn)行二維掃 描，被被測目標(biāo)反射回來的光束再次經(jīng)過該微型二維掃描鏡反射到所述分光鏡，在透射該分 光鏡后形成反射光束；
激光二維掃描鏡，由受所述控制器控制的壓電陶瓷、與該壓電陶瓷的側(cè)向縱向粘貼的受 激塊、在該受激塊上端向上的中央部位與所述受激塊連成一體的柔性梁、與該柔性梁頂部連 成一體的二維反射鏡片、以及縱向的連接在該柔性梁上的壓阻傳感器組成，所述壓阻傳感器 由從下到上連接在該柔性梁上的第一惠斯通電橋(B)和第二惠斯通電橋(T)組成，其中第 一惠斯通電橋(B)，由Rm、 RB2、 RB3、 RB4各電阻橋接而成，用于測量所述二維反射鏡片繞x軸 彎曲時的偏轉(zhuǎn)角^，所述X軸是指垂直于該柔性梁的方向，所述^為
其中J為柔性梁的長度，單位為mm;力為柔性梁的厚度，單位為mm; f為作為柔性梁材 質(zhì)的硅的楊氏模量，單位為GPa; K為該第一惠斯通電橋(B)的輸入電壓，下同；K為該第
一惠斯通電橋(B)的輸出電壓；第二惠斯通電橋(T)，由Rt,、 RT2、 RT3、 RT4各電阻橋接而成， 用于測量所述二維反射鏡片繞y軸扭曲時的偏轉(zhuǎn)角^，所述y軸是指該柔性梁的軸向，所述
^為
。0.64a:./.rr
t^丁 二 ，
其中A為柔性梁的寬度，單位為mm; G為硅的剪切模量，單位為GPa;"和W為該柔性 梁的矩形橫截面的扭轉(zhuǎn)系數(shù)，為設(shè)定值；K為該第二惠斯通電橋(T)的輸出電壓；其中，RB1、 RB" RB,、 RM各電阻以及Rn、 RT2、 Rra、 RT4各電阻分別滿足以下關(guān)系式
2K2 S = fl2 =及 =及34 5 2.5A:Q ，
測距模塊，含有互相依從串接的第一光電傳感器(A)、第一帶通濾波器、第一混頻器 以及第一低通濾波器，依從串接的第二光電傳感器(B)、第二帶通濾波器、第二混頻器以及 第二低通濾波器，此外，還有一個受所述控制器控制的鑒相器，該鑒相器的兩個輸入端分別
與所述第一低通濾波器、第二低通濾波器的輸出端相連，所述第一光電傳感器(A)的輸入信 號是所述的發(fā)射光束，所述第二光電傳感器(B)的輸入信號是所述的反射光束，所述鑒相器 輸出的是所述被測目標(biāo)相對于該系統(tǒng)的距離A
—4;r/
其中么和A分別為發(fā)射光束和反射光束的相位，c為光速，/為光束的調(diào)制頻率； 測角模塊，由依從串接的A/D轉(zhuǎn)換器及預(yù)置有所述參數(shù)入力、& K.、 "、 W、 6、 ^的 單片機(jī)組成，該A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號是所述第一惠斯通電橋(B)的輸出電壓K以及第二惠 斯通電橋(T)的輸出電壓^，而該單片機(jī)設(shè)有兩個輸入端 一個是控制信號輸入端，與所述 控制器的控制信號輸出端相連，另一個是所述反射光束的接收信號，與所述第二光電傳感器 (B)的輸出端相連，所述單片機(jī)輸被測冃標(biāo)的相對方位角^^) = 2^^)，俯仰角^=2《々)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用了基于MEMS技術(shù)的微型二維掃描鏡，集成了激光測距模塊，實(shí)現(xiàn) 了掃描測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微型化，能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行二維掃描，并采用了相位式激光測距法，具 有測量目標(biāo)相對距離和方位的功能。與傳統(tǒng)的激光掃描機(jī)構(gòu)相比，本發(fā)明有以下特點(diǎn)1)系 統(tǒng)采用一體化集成技術(shù)，具有對目標(biāo)二維掃描測量的功能，具有體積小、功耗低、集成度高 等優(yōu)點(diǎn)；2)微型二維掃描鏡采用MEMS技術(shù)，反射鏡片能夠在壓電驅(qū)動下產(chǎn)生二維諧振，實(shí) 現(xiàn)對激光光束的高速掃描；3)采用相位式激光測距法，通過對發(fā)射光束和反射光束的處理，
能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)相對距離的測量；4)微型二維掃描鏡中集成了壓阻傳感器，能夠?qū)Ψ瓷溏R片的 二維偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量，根據(jù)接收到的反射光束信號，能夠獲得目標(biāo)的相對方位。
圖1為微型激光二維掃描測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2為微型激光二維掃描測量系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)原理圖3為微型二維掃描鏡的結(jié)構(gòu)示意圖4為壓阻傳感器設(shè)計(jì)示意圖5為壓電傳感器的惠斯頓電橋連接圖6為微型二維掃描鏡與測角模塊的設(shè)計(jì)原理圖7為測距模塊的設(shè)計(jì)原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明各部分的原理和設(shè)計(jì)分別加以具體說明。
1. 系統(tǒng)工作原理及光路設(shè)計(jì)
激光光束的發(fā)射和接收通過光路設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。激光器由控制模塊啟動工作， 激光器的輸出光束首先經(jīng)過分光鏡2分為兩個部分，透射部分經(jīng)過反射鏡3后被光電傳感器 A接收，形成內(nèi)光路。反射部分經(jīng)過微型二維掃描鏡l，對被測目標(biāo)進(jìn)行二維掃描，被目標(biāo)物 體反射回來的光束再次經(jīng)過微型二維掃描鏡1反射，并透射分光鏡2后，被光電傳感器B接 收，形成探測光束出射和返回共軸的系統(tǒng)。測距模塊將這兩路激光光束進(jìn)行對比，采用相位 式測距法解算出目標(biāo)的相對距離信息；并將該反射光束的接收信號發(fā)送至測角模塊，根據(jù)反 射光速接收的時間點(diǎn)所對應(yīng)微型二維掃描鏡l的偏轉(zhuǎn)角，可以解算出目標(biāo)的相對方位信息。
2. 微型二維掃描鏡及測角模塊
圖3所示為微型二維掃描鏡1的整體結(jié)構(gòu)，由二維反射鏡片ll、柔性梁15、受激塊12 和壓電陶瓷13組成，其中受激塊12與壓電陶瓷13用環(huán)氧樹脂粘結(jié)，二維反射鏡片ll與受 激塊12之間通過柔性梁連接。
微型二維掃描鏡1的二維反射鏡片11具有繞x軸彎曲和繞y軸扭轉(zhuǎn)的兩個自由度，并且 兩個方向的運(yùn)動具有不同的諧振頻率。當(dāng)壓電陶瓷13以繞x軸彎曲方向的諧振頻率驅(qū)動二維 反射鏡片ll時，二維反射鏡片ll將在繞x軸彎曲方向上產(chǎn)生諧振；當(dāng)壓電陶瓷13以繞y軸
扭轉(zhuǎn)方向的諧振頻率驅(qū)動二維反射鏡片11時，二維反射鏡片11將在繞y軸扭轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生
諧振；當(dāng)同時以兩個運(yùn)動方向上的諧振頻率驅(qū)動二維反射鏡片ll時，二維反射鏡片ll將同
時在繞x軸彎曲和繞y軸扭轉(zhuǎn)的方向上產(chǎn)生諧振，實(shí)現(xiàn)大角度二維掃描，二維反射鏡片ll的 兩個轉(zhuǎn)動角度均為10° ，掃描光束可達(dá)到20° X20°的掃描范圍，掃描頻率為1幀/秒。
壓電陶瓷13驅(qū)動二維反射鏡片11產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，使得柔性梁15發(fā)生變形，柔性梁15上集 成了壓阻傳感器14，如4所示。壓阻傳感器14采用如圖5所示的惠斯頓電橋連接圖， 惠斯頓電橋電路B用于二維反射鏡片ll繞x軸彎曲偏轉(zhuǎn)角^的測量，作為測角信號的輸出 電壓K與彎曲偏轉(zhuǎn)角^的關(guān)系用下式表示
其中J為柔性梁的長度，力為柔性梁的厚度，單位均為mm; f為硅的楊氏模量，單位為 GPa; K為電橋的輸入電壓，與電橋輸出電壓K的單位均為V;彎曲偏轉(zhuǎn)角^的單位為rad; 惠斯頓電橋電路T用于測量二維反射鏡片繞y軸扭曲偏轉(zhuǎn)角^，作為測角信號的輸出電壓 K與扭曲偏轉(zhuǎn)角^的關(guān)系式如下
。0.64a-/《
其中力為柔性梁的寬度，單位為ram; f為硅的剪切模量，單位為GPa;電橋輸出電壓^ 的單位為V;扭曲偏轉(zhuǎn)角^的單位為rad; c和》為矩形截面柔性梁的扭轉(zhuǎn)系數(shù)設(shè)定值。
圖6所示為微型二維掃描鏡與測角模塊的設(shè)計(jì)原理圖。壓電陶瓷驅(qū)動二維反射鏡片產(chǎn)生 轉(zhuǎn)動，使得柔性梁發(fā)生變形，柔性梁上集成了壓阻傳感器，將柔性梁的變形轉(zhuǎn)換為兩個方向 的測角信號，該測角信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)反射光 束的接收信號所對應(yīng)的時間點(diǎn)，讀取該時刻的測量角度，解算出目標(biāo)相對方位信息表示如下:
(^，^) = 2[&(,),6>r(f)]，
其中^和^分別為目標(biāo)的相對方位角和俯仰角，系統(tǒng)測角精度為o. r。
3.激光器及測距模塊
激光器采用銅殼封裝的可調(diào)焦距的半導(dǎo)體點(diǎn)光源激光器，工作波長為650nm，功率為 50mW。采用直接調(diào)制法對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行調(diào)制，將調(diào)制電壓疊加在偏置電壓上，使得注入 電流隨調(diào)制電壓線性變化，從而使激光光強(qiáng)也隨調(diào)制電壓線性變化。半導(dǎo)體激光器采用15kHz 的調(diào)制信號由激光調(diào)制電路驅(qū)動，發(fā)射強(qiáng)度為15kHz正弦變化的發(fā)射光束，經(jīng)過系統(tǒng)光路和 被測目標(biāo)反射后，分別由光電傳感器A和光電傳感器B接收發(fā)射光束和反射光束。
圖7所示為測距模塊的設(shè)計(jì)原理圖。兩路光束的調(diào)制信號之間有一個帶有距離信息的相 位差，兩個光電傳感器分別將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)由前置放大、隔直、帶通濾 波后，分別與某一頻率的正弦波本振參考信號混頻，再經(jīng)由低通濾波后，產(chǎn)生了兩個低頻率 且相位差保持不變的正弦信號。這兩路正弦信號通過數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行鑒相，根據(jù)相位差換算 出被測目標(biāo)的相對距離信息表示如下
其中A和么分別為發(fā)射光束和反射光束的相位，c為光束傳播的速度，/為光束的調(diào)制 頻率。系統(tǒng)最大測量距離為10km，測距精度為3m。
權(quán)利要求
1.一種微型激光二維掃描測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)含有激光器、微型二維掃描鏡、測距模塊、測角模塊、以及由微處理器構(gòu)成的控制器，其中激光器，設(shè)有控制信號輸入端，與所述控制器的啟動控制信號輸出端相連，該激光器的輸出是經(jīng)信號調(diào)制后的連續(xù)波激光光束，該激光光束首先經(jīng)過分光鏡分為兩個部分透射部分經(jīng)過反射鏡后形成發(fā)射光束，反射部分經(jīng)過所述微型二維掃描鏡，對被測目標(biāo)進(jìn)行二維掃描，被被測目標(biāo)反射回來的光束再次經(jīng)過該微型二維掃描鏡反射到所述分光鏡，在透射該分光鏡后形成反射光束；激光二維掃描鏡，由受所述控制器控制的壓電陶瓷、與該壓電陶瓷的側(cè)向縱向粘貼的受激塊、在該受激塊上端向上的中央部位與所述受激塊連成一體的柔性梁、與該柔性梁頂部連成一體的二維反射鏡片、以及縱向的連接在該柔性梁上的壓阻傳感器組成，所述壓阻傳感器由從下到上連接在該柔性梁上的第一惠斯通電橋(B)和第二惠斯通電橋(T)組成，其中第一惠斯通電橋(B)，由RB1、RB2、RB3、RB4各電阻橋接而成，用于測量所述二維反射鏡片繞x軸彎曲時的偏轉(zhuǎn)角θB，所述x軸是指垂直于該柔性梁的方向，所述θB為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>θ</mi> <mi>B</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>1.45</mn><mi>l</mi><mo>·</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>B</mi></msub> </mrow> <mrow><mi>h</mi><mo>·</mo><mi>E</mi><mo>·</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math></maths>其中l(wèi)為柔性梁的長度，單位為mm；h為柔性梁的厚度，單位為mm；E為作為柔性梁材質(zhì)的硅的楊氏模量，單位為GPa；Vi為該第一惠斯通電橋(B)的輸入電壓，下同；VB為該第一惠斯通電橋(B)的輸出電壓；第二惠斯通電橋(T)，由RT1、RT2、RT3、RT4各電阻橋接而成，用于測量所述二維反射鏡片繞y軸扭曲時的偏轉(zhuǎn)角θT，所述y軸是指該柔性梁的軸向，所述θT為<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>θ</mi> <mi>T</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>0.64</mn><mi>α</mi><mo>·</mo><mi>l</mi><mo>·</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>T</mi></msub> </mrow> <mrow><mi>β</mi><mo>·</mo><mi>b</mi><mo>·</mo><mi>G</mi><mo>·</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math></maths>其中b為柔性梁的寬度，單位為mm；G為硅的剪切模量，單位為GPa；α和β為該柔性梁的矩形橫截面的扭轉(zhuǎn)系數(shù)，為設(shè)定值；VT為該第二惠斯通電橋(T)的輸出電壓；其中，RB1、RB2、RB3、RB4各電阻以及RT1、RT2、RT3、RT4各電阻分別滿足以下關(guān)系式2kΩ≤RB1＝RB2＝RB3＝RB4≤2.5kΩ，2kΩ≤RT1＝RT2＝RT3＝RT4≤2.5kΩ；測距模塊，含有互相依從串接的第一光電傳感器(A)、第一帶通濾波器、第一混頻器以及第一低通濾波器，依從串接的第二光電傳感器(B)、第二帶通濾波器、第二混頻器以及第二低通濾波器，此外，還有一個受所述控制器控制的鑒相器，該鑒相器的兩個輸入端分別與所述第一低通濾波器、第二低通濾波器的輸出端相連，所述第一光電傳感器(A)的輸入信號是所述的發(fā)射光束，所述第二光電傳感器(B)的輸入信號是所述的反射光束，所述鑒相器輸出的是所述被測目標(biāo)相對于該系統(tǒng)的距離D<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>c</mi><mo>·</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>φ</mi><mi>B</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>φ</mi><mi>A</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mn>4</mn><mi>πf</mi> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math></maths>其中φA和φB分別為發(fā)射光束和反射光束的相位，c為光速，f為光束的調(diào)制頻率；測角模塊，由依從串接的A/D轉(zhuǎn)換器及預(yù)置有所述參數(shù)l、h、E、Vi、α、β、b、G的單片機(jī)組成，該A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號是所述第一惠斯通電橋(B)的輸出電壓VB以及第二惠斯通電橋(T)的輸出電壓VT，而該單片機(jī)設(shè)有兩個輸入端一個是控制信號輸入端，與所述控制器的控制信號輸出端相連，另一個是所述反射光束的接收信號，與所述第二光電傳感器(B)的輸出端相連，所述單片機(jī)輸被測目標(biāo)的相對方位角ψB(t)＝2θB(t)，俯仰角ψT＝2θT(t)。
全文摘要
一種微型激光二維掃描測量系統(tǒng)屬于激光測量技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于在微型二維掃描鏡的基礎(chǔ)上，構(gòu)成了一個由激光器、該微型二維掃描鏡、測距模塊、測角模塊以及控制器組成的一種用于測定被測目標(biāo)距離、方位角、俯仰角的微型激光二維掃描系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、掃描速率快、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，其最大測量距離為10km，測距精度為3m，測角范圍為20°×20°，測角精度為0.1°。
文檔編號G01S17/00GK101344591SQ20081011867
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月22日
發(fā)明者政 尤, 弛 張, 張高飛, 齊煒胤 申請人:清華大學(xué)