專(zhuān)利名稱(chēng)：微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置，屬于光機(jī)電一體化技術(shù)和MEMS 技術(shù)(Micro-Electro-Mechanical System)令頁(yè)域。
背景技術(shù)：
自主掃描是用于空間非合作目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，主要用于掃描探測(cè)空間某一區(qū) 域中的非合作目標(biāo)航天器，并對(duì)其相對(duì)距離和相對(duì)方位進(jìn)行測(cè)量。 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(lèi)型驅(qū)動(dòng)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(duì)某一區(qū)域的掃描。MEMS微反射鏡具有體積小、質(zhì)量 輕、功耗低、掃描速率快、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，基于MEMS微反射鏡的掃描裝置可取代傳統(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)。
但是，目前的微反射鏡掃描裝置在集成化和模塊化方面還有很多不足，若使系統(tǒng) 的各個(gè)部件分開(kāi)工作，不僅會(huì)給系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，同時(shí)也給微反射鏡掃描系統(tǒng) 本身的布置和它在微納衛(wèi)星上的搭載造成了很大難度，而且會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不夠緊 湊，導(dǎo)致體積的增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過(guò)高度集成的模塊形式，將非合作目標(biāo)探測(cè)裝置中的激光發(fā) 射部分、光學(xué)掃描部分、信號(hào)接收及處理部分集成到一個(gè)模塊盒下，這樣既能滿(mǎn)足微型化非 合作目標(biāo)探測(cè)裝置的性能要求，又減少了外圍的很多電路與結(jié)構(gòu)，達(dá)到減輕重量，減少體積 的目的，體現(xiàn)微光機(jī)電一體化的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。 本發(fā)明的特征在于，含有集成于模塊盒內(nèi)的激光發(fā)射部分、光學(xué)掃描部分以及信 號(hào)接收及處理部分，其中模塊盒，總體尺寸為100mmX35mmX50mm， 激光發(fā)射部分，含有激光器、光闌以及分光鏡，其中 激光器，直徑為6. 5mm，長(zhǎng)為35mm，與所述模塊盒前端平行放置，發(fā)射經(jīng)信號(hào)調(diào)制 后的連續(xù)波激光光束， 光闌，開(kāi)口直徑為2.0mm，與所述模塊盒前端面平行放置，所述光闌開(kāi)口端與所述 激光器左端的距離為5mm， 分光鏡，直徑為12.6mm，與所述模塊盒前端面成45。放置，該分光鏡右側(cè)面中心 和所述光闌開(kāi)口左端的距離為9mm， 光學(xué)掃描部分，含有MEMS微反射鏡及一端開(kāi)口的長(zhǎng)方體容器，其中
MEMS微反射鏡，集成于總體尺寸為28mmX20mmX 18mm的所述長(zhǎng)方體容器中，所述 MEMS微反射鏡鏡面的長(zhǎng)為8mm，寬為7. 5mm，與所述模塊盒的前端成45°放置，該MEMS微反 射鏡的中心與所述分光鏡左側(cè)面中心的距離為22mm，該MEMS微反射鏡具有水平偏轉(zhuǎn)和垂直偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度，該MEMS微反射鏡設(shè)有控制信號(hào)輸入端輸入來(lái)自所述信號(hào)接收及處理部分輸出的控制信號(hào)，使所述MEMS微反射鏡實(shí)現(xiàn)所述兩個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二維掃描，當(dāng)所述分光鏡的透射光射至所述MEMS反射鏡后，經(jīng)反射的二維掃描光束經(jīng)過(guò)所述模塊盒前端預(yù)先開(kāi)設(shè)的窗口輸出，所述二維掃描光束被非合作目標(biāo)反射后，再次經(jīng)過(guò)所述MEMS微反射鏡，并反射到所述分光鏡，經(jīng)所述分光鏡反射的光束，被所述信號(hào)接收及處理部分接收， 所述激光器中心、光闌開(kāi)口中心、分光鏡中心及MEMS微反射鏡中心處于同一高度，且光軸經(jīng)過(guò)同一條水平線(xiàn)， 所述窗口為正方形窗口，邊長(zhǎng)為15mm，窗口中心與所述光軸處于同一高度，且與所述MEMS微反射鏡的中心對(duì)齊，距離為12mm， 信號(hào)接收及處理部分，是設(shè)有一個(gè)光敏元件的一個(gè)信號(hào)處理電路板，長(zhǎng)29mm，寬14mm，所述光敏元件的中心與所述光軸同高，且在垂直方向上與所述分光鏡的左側(cè)面對(duì)齊，距離為13mm，該信號(hào)處理電路板上設(shè)有一個(gè)輸出端，輸出所述非合作目標(biāo)的相對(duì)距離和方位， 所述激光器、光闌、分光鏡和MEMS微反射鏡的各固定支座均與所述模塊盒的底板螺紋連接， 所述信號(hào)處理電路板與所述模塊盒的后側(cè)內(nèi)壁螺紋連接。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是，通過(guò)科學(xué)而巧妙的布置設(shè)計(jì)，將微型化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置的激光發(fā)射部分、光學(xué)掃描部分、信號(hào)接收及處理部分集成設(shè)計(jì)到一起，形成了一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的系統(tǒng)集成模塊。本發(fā)明的最大特點(diǎn)是，通過(guò)系統(tǒng)集成將非合作目標(biāo)探測(cè)裝置中各個(gè)模塊的相對(duì)位置進(jìn)行了設(shè)計(jì)和布置，將激光器、光闌、分光鏡、MEMS微反射鏡和信號(hào)處理電路直接安裝在一個(gè)模塊盒內(nèi)形成一個(gè)系統(tǒng)整體。通過(guò)集成模塊的設(shè)計(jì)，不僅減少了很多結(jié)構(gòu)部分以及電路部分，使成本得以降低，同時(shí)使得微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置各部分的結(jié)構(gòu)更加緊湊，很大幅度的節(jié)省了空間。


圖1為微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置工作原理圖。
圖2為微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖3為微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置俯視圖。
圖4為微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置主視圖。
圖5為信號(hào)處理電路原理框圖。 圖中激光器(l)，光闌(2)，分光鏡(3)，MEMS微反射鏡(4)，窗口 (5)，非合作目標(biāo)(6)，信號(hào)處理電路(7)，光敏元件(8)，模塊盒(9)，排線(xiàn)孔(10)
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明具體技術(shù)方案如下 微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)為一個(gè)模塊盒，其中集成有激光器、光闌、分光鏡、MEMS微反射鏡以及信號(hào)處理電路。 所述激光器發(fā)射經(jīng)信號(hào)調(diào)制后的連續(xù)波激光光束，經(jīng)過(guò)所述光闌和所述分光鏡后
4透射至所述MEMS微反射鏡；所述MEMS微反射鏡反射激光光束實(shí)現(xiàn)二維掃描，并輸出二維偏轉(zhuǎn)角測(cè)量信號(hào)；掃描光束被非合作目標(biāo)反射回來(lái)的光束，再次經(jīng)過(guò)所述MEMS微反射鏡，并反射至所述分光鏡，最后經(jīng)所述分光鏡反射后，形成回波信號(hào)被所述信號(hào)處理電路接收。所述信號(hào)處理電路對(duì)調(diào)制信號(hào)、回波信號(hào)和偏轉(zhuǎn)角測(cè)量信號(hào)進(jìn)行解算處理，得到非合作目標(biāo)的相對(duì)距離和方位信息。 本發(fā)明針對(duì)非合作目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)光機(jī)電一體化的特點(diǎn)，發(fā)明了微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置，工作原理圖如圖l所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置由激光器、光闌、分光鏡、MEMS微反射鏡以及信號(hào)處理電路幾部分共同組成，總體尺寸為100mmX35mmX50mm。這幾部分結(jié)構(gòu)將集成系統(tǒng)分為三個(gè)部分的功能，即激光發(fā)射部分、光學(xué)掃描部分和信號(hào)接收及處理部分。下面對(duì)各部分的原理和設(shè)計(jì)分別加以具體說(shuō)明。
1.激光發(fā)射部分 激光器(1)采用半導(dǎo)體點(diǎn)光源激光器，使用直接調(diào)制法對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，將調(diào)制信號(hào)疊加在偏置電壓上，使得注入電流隨調(diào)制電壓線(xiàn)性變化，從而使激光光強(qiáng)也隨調(diào)制電壓線(xiàn)性變化。 如圖l所示，激光器(l)發(fā)射經(jīng)信號(hào)調(diào)制后的連續(xù)波激光光束，光束經(jīng)過(guò)光闌(2)，由光闌(2)控制光束大小后經(jīng)過(guò)分光鏡(3)，經(jīng)由分光鏡(3)分光后，透射光束射至了MEMS微反射鏡(4)。在圖4所示的主視圖中，激光器(1)中心、光闌(2)開(kāi)口中心、分光鏡(3)中心以及MEMS微反射鏡(4)中心處于同一高度，且光軸位于同一條水平線(xiàn)。
如圖3所示，激光器(1)、光闌(2)、分光鏡(3)和MEMS微反射鏡(4)的固定支座均由兩螺栓與模塊盒(9)底上的螺紋孔相連接，以保證各部件之間的相對(duì)位置。激光器(1)的直徑為6. 5mm，長(zhǎng)為35mm，與模塊盒前端面平行放置。光闌(2)的開(kāi)口直徑為2. Omm，與模塊盒前端面平行放置，其開(kāi)口右端與激光器左端的距離為5mm。分光鏡(3)的直徑為12. 6mm，與模塊盒前端面成45。放置，其右側(cè)面中心和光闌開(kāi)口左端的距離為9mm。 MEMS微反射鏡(4)集成于一個(gè)總體尺寸為28mmX20mmX 18mm的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)中，其中MEMS微反射鏡鏡面的長(zhǎng)為8mm，寬為7. 5mm，與模塊盒前端面成45°放置，其中心與分光鏡左側(cè)面中心的距離為22mm。 2.光學(xué)掃描部分 MEMS微反射鏡(4)具有水平偏轉(zhuǎn)和垂直偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度，能夠分別在兩個(gè)方向上產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，并能夠輸出偏轉(zhuǎn)角測(cè)量信號(hào)至信號(hào)處理電路(7)。同時(shí)控制MEMS微反射鏡(4)兩個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)二維掃描。 如圖1所示，當(dāng)分光鏡(3)的透射光射至MEMS微反射鏡(4)后，二維掃描光束通過(guò)窗口 (5)射出，光束被非合作目標(biāo)(6)反射之后，再次經(jīng)過(guò)MEMS微反射鏡(4)，并反射至分光鏡(3)，最后，經(jīng)分光鏡(3)反射的光束，被信號(hào)處理電路(7)接收。
如圖3所示，窗口 (5)的形狀為長(zhǎng)寬均為15mm的正方形，其中心與光軸處于同一高度，且在垂直方向上與MEMS微反射鏡的中心對(duì)齊，距離為12mm。光敏元件(8)集成于信號(hào)處理電路(7)上，其中心也與光軸同高，且在垂直方向上與分光鏡的左側(cè)面中心對(duì)齊，距離為13mm。 3.信號(hào)接收及處理部分 如圖2所示，信號(hào)處理電路(7)長(zhǎng)29mm、寬14mm，通過(guò)四個(gè)螺栓固定于模塊盒(9)的后側(cè)內(nèi)壁上，保證返回光束能被電路中的光敏元件接收。如圖5所示，光敏元件(8)將接收到的返回光束轉(zhuǎn)換為光電流，經(jīng)過(guò)放大電路得到電壓信號(hào)，并分別經(jīng)過(guò)觸發(fā)電路和濾波電路得到接收信號(hào)和回波信號(hào)，方位解算單元根據(jù)MEMS微反射鏡偏轉(zhuǎn)角測(cè)量信號(hào)和接收信號(hào)的時(shí)間，解算出非合作目標(biāo)的相對(duì)方位信息；距離解算單元根據(jù)回波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的相位差，解算出非合作目標(biāo)的相對(duì)距離信息。信號(hào)處理電路(7)的電源信號(hào)和測(cè)量信號(hào)，用導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)排線(xiàn)孔(10)與外部連接，排線(xiàn)孔(10)的長(zhǎng)為10mm，寬為20mm。
權(quán)利要求
微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置，其特征在于，含有集成于模塊盒內(nèi)的激光發(fā)射部分、光學(xué)掃描部分以及信號(hào)接收及處理部分，其中模塊盒，總體尺寸為100mm×35mm×50mm，激光發(fā)射部分，含有激光器、光闌以及分光鏡，其中激光器，直徑為6.5mm，長(zhǎng)為35mm，與所述模塊盒前端平行放置，發(fā)射經(jīng)信號(hào)調(diào)制后的連續(xù)波激光光束，光闌，開(kāi)口直徑為2.0mm，與所述模塊盒前端面平行放置，所述光闌開(kāi)口端與所述激光器左端的距離為5mm，分光鏡，直徑為12.6mm，與所述模塊盒前端面成45°放置，該分光鏡右側(cè)面中心和所述光闌開(kāi)口左端的距離為9mm，光學(xué)掃描部分，含有MEMS微反射鏡及一端開(kāi)口的長(zhǎng)方體容器，其中MEMS微反射鏡，集成于總體尺寸為28mm×20mm×18mm的所述長(zhǎng)方體容器中，所述MEMS微反射鏡鏡面的長(zhǎng)為8mm，寬為7.5mm，與所述模塊盒的前端成45°放置，該MEMS微反射鏡的中心與所述分光鏡左側(cè)面中心的距離為22mm，該MEMS微反射鏡具有水平偏轉(zhuǎn)和垂直偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度，該MEMS微反射鏡設(shè)有控制信號(hào)輸入端輸入來(lái)自所述信號(hào)接收及處理部分輸出的控制信號(hào)，使所述MEMS微反射鏡實(shí)現(xiàn)所述兩個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二維掃描，當(dāng)所述分光鏡的透射光射至所述MEMS反射鏡后，經(jīng)反射的二維掃描光束經(jīng)過(guò)所述模塊盒前端預(yù)先開(kāi)設(shè)的窗口輸出，所述二維掃描光束被非合作目標(biāo)反射后，再次經(jīng)過(guò)所述MEMS微反射鏡，并反射到所述分光鏡，經(jīng)所述分光鏡反射的光束，被所述信號(hào)接收及處理部分接收，所述激光器中心、光闌開(kāi)口中心、分光鏡中心及MEMS微反射鏡中心處于同一高度，且光軸經(jīng)過(guò)同一條水平線(xiàn)，所述窗口為正方形窗口，邊長(zhǎng)為15mm，窗口中心與所述光軸處于同一高度，且與所述MEMS微反射鏡的中心對(duì)齊，距離為12mm，信號(hào)接收及處理部分，是設(shè)有一個(gè)光敏元件的一個(gè)信號(hào)處理電路板，長(zhǎng)29mm，寬14mm，所述光敏元件的中心與所述光軸同高，且在垂直方向上與所述分光鏡的左側(cè)面對(duì)齊，距離為13mm，該信號(hào)處理電路板上設(shè)有一個(gè)輸出端，輸出所述非合作目標(biāo)的相對(duì)距離和方位，所述激光器、光闌、分光鏡和MEMS微反射鏡的各固定支座均與所述模塊盒的底板螺紋連接，所述信號(hào)處理電路板與所述模塊盒的后側(cè)內(nèi)壁螺紋連接。
全文摘要
微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置屬于微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，含有激光發(fā)射部分、光學(xué)掃描部分和信號(hào)接收和處理部分，并集成在一個(gè)100mm×35mm×50mm的模塊盒內(nèi)，把經(jīng)信號(hào)調(diào)制后的連續(xù)波激光光束經(jīng)光闌、分光鏡后透射到作為光學(xué)掃描部分的MEMS微反射鏡，在對(duì)所述連續(xù)波激光光束進(jìn)行二維掃描后，被非合作目標(biāo)反射回來(lái)的光束再依次經(jīng)過(guò)MEMS微反射鏡、分光鏡反射，由信號(hào)接收和處理部分處理，輸出非合作目標(biāo)的相對(duì)距離和方位信息。本發(fā)明使所述微型集成化非合作目標(biāo)探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)更為緊湊，體積大大縮小。
文檔編號(hào)G01V8/12GK101788688SQ20101011813
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者尤政, 張弛, 曾新, 黃虎 申請(qǐng)人:清華大學(xué)