專利名稱：基于激光掃描光纖耦合系統(tǒng)的激光雷達發(fā)射裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光雷達發(fā)射裝置，特別涉及一種基于激光掃描光纖耦合系統(tǒng)的激光雷達發(fā)射裝置。
背景技術：
激光雷達是一種以激光器為輻射源的主動式現代光學遙感設備，是傳統(tǒng)雷達技術 和現代激光技術相結合的產物。由于激光雷達工作波長很短，與微波雷達相比相差三個數 量級，而且激光又是單色的相干光，因而激光雷達呈現極高的分辨率和抗干擾能力，廣泛應 用于環(huán)境監(jiān)測、軍事工程、科學研究和國民經濟等領域。隨著激光成像技術的發(fā)展，激光雷 達在飛行器制導、直升機防撞、目標三位重建和地形地貌測量等方面亦成為新的研究熱點。激光成像雷達發(fā)射裝置的核心技術之一就是激光掃描技術，其主要功能是發(fā)射測 量激光脈沖和接受脈沖遇到障礙物或目標后所發(fā)射的回波。激光掃描技術目前主要分為機 械掃描、非機械掃描和全息光柵掃描。其中非機械掃描主要指電光掃描和聲光掃描，，一般 利用電光器件和聲光器件作為調制器，對輸出的激光信號進行強度調制，用于偏轉器的電 光器件和聲光器件被稱作電光掃描器和聲光掃描器。電光掃描的基本原理是利用偏轉器材 料折射率變化的電光效應實現偏轉。數宇電光偏轉器根據不同的數字信號“0”或“1”，加載 不同的電壓，改變偏轉器的折射率，控制出射光點置于兩個光點位置中的一個位置上。如果 用η個電光偏轉器串接，就有2η個光點位置。當η個調制器獲得快速的數字信號電壓，出 射點在掃描線的2η個位置上不斷移動，從而獲得所需的掃描線。數宇電光偏轉器比普通線 性掃描器具有更大的靈活性，此外電光偏轉技術可以實現連續(xù)非數字的模擬偏轉，但電光 偏轉器普遍電路復雜，價格昂貴，又由于偏轉器是由多個電光器件串接起來，光能的利用率 低。聲光掃描的偏轉原理是利用激光束在折射率周期性變化的聲光材料中的衍射現象。在 聲光偏轉巾，載頻的頻率是變化的，經過聲光偏轉器，出射光束的衍射角隨著加載的載頻的 變化而變化，聲光掃描器的效率較高，但是掃描速度相對較慢。全息光柵掃描是以全息術為 基礎的激光掃描，它的出現是激光掃描技術的一大發(fā)展，它類似于通常的多面鏡掃描，孺要 一個機械運動去改變激光光束的偏轉，應用光學衍射原理工作，全息光柵掃描雖視場大，效 率高，慣性小，但受其自身衍射效率較低的影響，導致整個掃描系統(tǒng)透過率低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術中存在的問題，提供基于激光掃描光纖耦合系統(tǒng) 的激光雷達發(fā)射裝置本發(fā)明技術方案如下一種基于激光掃描光纖耦合系統(tǒng)的激光雷達發(fā)射裝置，包括光電編碼器、無刷直 流電機、反射鏡、控制子系統(tǒng)、脈沖光纖激光器、準直器、傳能光纖，光電編碼器和反射鏡分 別連接在無刷直流電機的轉軸上，和該轉軸處于同一軸線上的準直器連接到脈沖光纖激光 器的尾纖上，傳能光纖的一端端面圍繞這一軸線均勻擺成圓形并固定，其另一端端面并列放置并固定成光纖面板，控制子系統(tǒng)分別和脈沖光纖激光器、無刷直流電機、光電編碼器電連接，所述的控制子系統(tǒng)包括帶有霍爾傳感器的電機驅動器和現場可編程門陣列，現場可 編程門陣列以下簡稱FPGA，光電編碼器將無刷直流電機的增量信號和絕對位置信息，發(fā)送 給電機驅動器和FPGA，電機驅動器控制無刷直流電機勻速運動，FPGA判斷并控制輸出信號 觸發(fā)脈沖光纖激光器。還包括會聚透鏡、五維調整架，每一根傳能光纖的兩端面各放置一個會聚透鏡，準 直器、傳能光纖和會聚透鏡均由所述五維調整架夾持。光電編碼器為每轉至少能分辨8192個位置點的混合型旋轉編碼器；無刷直流電 機最高轉速3600r/min ；脈沖光纖激光器為每秒觸發(fā)一次，發(fā)出一個脈寬納秒量級、波長處 于紅外波段的激光脈沖，并且接收到觸發(fā)信號到發(fā)出激光脈沖的延時是一個常數的激光 器；傳能光纖為兩端鍍增透膜，且芯徑為600um的特種塑料光纖，數量為90根。所述會聚透鏡為放大倍率為40的顯微物鏡。本發(fā)明所具有的有益效果一、原理簡單、掃描范圍大，掃描范圍> 士 16°、空間 布局緊湊、易于安裝、抗震性能強；二、綜合效率高，激光器從發(fā)射到光學系統(tǒng)后的總效率為 0. 81。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的中發(fā)射裝置運轉控制原理示意圖；圖3為本發(fā)明中光纖及相關設備固定示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明包括光電編碼器1、無刷直流電機2、反射鏡3、控制 子系統(tǒng)4、脈沖光纖激光器5、準直器6、傳能光纖7，反射鏡3以約15°的傾角固定在無刷直 流電機2的轉軸的一端，轉軸的另一端通過柔性軸聯器連接光電編碼器1，和該轉軸處于同 一軸線上的準直器6連接到脈沖光纖激光器5的尾纖上，也就是說，光電編碼器1、無刷直流 電機2的轉軸、反射鏡3、準直器6在空間上是同軸的，傳能光纖7共90根，每兩根之間間隔 4°圍繞準直器6所在的軸線均勻擺成圓形并固定，90根傳能光纖7的末端并列放置，固定 成為“一字型陣列”的光纖面板12，在反射鏡3到每根傳能光纖7的光路上，靠近光纖的端 面處，各放置一個會聚透鏡10，并且使會聚透鏡10的聚焦點處位于傳能光纖7的端面處，在 傳能光纖7的另一端也放置一個會聚透鏡10作為發(fā)射透鏡，同樣也使會聚透鏡10的聚焦 點位于傳能光纖7的端面處，為了便于精確調器件的位置和角度，實現高效率的激光脈沖 耦合，準直器6、傳能光纖7、會聚透鏡10均有五維調整架11夾持。控制子系統(tǒng)4分別和脈 沖光纖激光器5、無刷直流電機2、光電編碼器1電連接，所述的控制子系統(tǒng)(4)包括帶有霍 爾傳感器的電機驅動器8、光電編碼器1和現場可編程門陣列9，現場可編程門陣列以下簡 稱FPGA，光電編碼器1將無刷直流電機2的增量信號和絕對位置信息，發(fā)送給電機驅動器8 和FPGA9，電機驅動器8控制無刷直流電機2勻速運動，FPGA9判斷并控制輸出信號觸發(fā)脈 沖光纖激光器5。
光電編碼器1應當是能夠同時輸出增量正弦信號和絕對位置值信息的混合型旋 轉編碼器，并且每轉至少能分辨8192個位置點，例如德國Heidenhain公司的ECNl 113512 型混合光電編碼器。無刷直流電機2應當是功率大、體積小的電機，最高轉速> 3600r/min，例如瑞士 Maxon公司的EC40I 50W 24V的三相無刷直流電機。脈沖光纖激光器5為每秒觸發(fā)一次，發(fā)出一個脈寬納秒量級、波長處于紅外波段 的激光脈沖，并且接收到觸發(fā)信號到發(fā)出激光脈沖的延時是一個常數的激光器，例如法國 Keopsys 公司的 KPS-0EM-KUTL-1550-004-030-07-02-C0L 脈沖型光纖激光器。傳能光纖7為兩端鍍增透膜，且芯徑為600um的特種塑料光纖。會聚透鏡為放大倍率為40的顯微物鏡。 如圖2所示，本發(fā)明的工作方式，運轉時，FPGA9控制電機驅動器8驅動無刷直流電 機2轉動，光電編碼器1實時讀取無刷直流電機2轉動的增量信號和絕對位置信息，并將該 信號和信息通過線纜分別傳送給電機驅動器8和FPG A9，電機驅動器8利用自帶的霍爾傳感 器并根據接收到的增量信號實時判斷無刷直流電機2是否勻速轉動，并將反饋信息發(fā)送給 無刷直流電機2，構成閉環(huán)反饋來實現無刷直流電機2的勻速運動，同時，FPGA9根據接收到 的絕對位置信息和內部程序中存儲的以標定準確的90根傳能光纖7的位置值做出比較，判 斷反射鏡3所處的傾斜角能否把脈沖光纖激光器5發(fā)出的激光脈沖反射到某根傳能光纖7 中，如不能，FPGA9不動作，如能，FPGA9立即輸出一個幅值5V、脈寬IOOus的方波觸發(fā)信號 給脈沖光纖激光器5，使其發(fā)出一個激光脈沖，該激光脈沖經準直器6準直，再經過反射鏡 3反射，然后經過會聚透鏡耦合進入傳能光纖7，最后進入“一字型陣列”的光纖面板12中， 再經過會聚透鏡射向空間，隨著無刷直流電機2以3600r/min勻速轉動，激光脈沖依次進入 90根傳能光纖7中，實現激光雷達發(fā)射裝置的掃描、發(fā)射功能。 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明的技術方案作任何形式 上的限制，凡是依據本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修 飾，均仍屬于本發(fā)明的技術方案的范圍內。
權利要求
一種基于激光掃描光纖耦合系統(tǒng)的激光雷達發(fā)射裝置，包括光電編碼器(1)、無刷直流電機(2)、反射鏡(3)、控制子系統(tǒng)(4)、脈沖光纖激光器(5)、準直器(6)、傳能光纖(7)，其特征在于，光電編碼器(1)和反射鏡(3)分別連接在無刷直流電機(2)的轉軸上，和該轉軸處于同一軸線上的準直器(6)連接到脈沖光纖激光器(5)的尾纖上，傳能光纖(7)的一端端面圍繞這一軸線均勻擺成圓形并固定，其另一端端面并列放置并固定成光纖面板(12)，控制子系統(tǒng)(4)分別和脈沖光纖激光器(5)、無刷直流電機(2)、光電編碼器(1)電連接，所述的控制子系統(tǒng)(4)包括帶有霍爾傳感器的電機驅動器(8)和現場可編程門陣列(9)，現場可編程門陣列以下簡稱FPGA，光電編碼器(1)將無刷直流電機(2)的增量信號和絕對位置信息，發(fā)送給電機驅動器(8)和FPGA(9)，電機驅動器(8)控制無刷直流電機(2)勻速運動，FPGA(9)判斷并控制輸出信號觸發(fā)脈沖光纖激光器(5)。
2.根據權利要求1所述的基于激光掃描光纖耦合系統(tǒng)的激光雷達發(fā)射裝置，其特征在 于，還包括會聚透鏡(10)、五維調整架(11)，每一根傳能光纖(7)的兩端面各放置一個會聚 透鏡(10)，準直器(6)、傳能光纖(7)和會聚透鏡(10)均由所述五維調整架(11)夾持。
3.根據權利要求1所述的基于激光掃描光纖耦合系統(tǒng)的激光雷達發(fā)射裝置，其特征在 于，光電編碼器(1)為每轉至少能分辨8192個位置點的混合型旋轉編碼器；無刷直流電機 (2)最高轉速彡3600r/min ；脈沖光纖激光器(5)為每秒觸發(fā)一次，發(fā)出一個脈寬納秒量級、 波長處于紅外波段的激光脈沖，并且接收到觸發(fā)信號到發(fā)出激光脈沖的延時是一個常數的 激光器；傳能光纖(7)為兩端鍍增透膜，且芯徑為600um的特種塑料光纖，數量為90根。
4.根據權利要求2所述的基于激光掃描光纖耦合系統(tǒng)的激光雷達發(fā)射裝置，其特征在 于，所述會聚透鏡(10)為放大倍率為40的顯微物鏡。
全文摘要
一種基于激光掃描光纖耦合系統(tǒng)的激光雷達發(fā)射裝置，光電編碼器和反射鏡分別連接在無刷直流電機的轉軸上，和該轉軸處于同一軸線上的準直器連接到脈沖光纖激光器的尾纖上，傳能光纖的一端端面圍繞這一軸線均勻擺成圓形并固定，其另一端端面并列放置并固定成光纖面板，控制子系統(tǒng)分別和脈沖光纖激光器、無刷直流電機、光電編碼器電連接，所述的控制子系統(tǒng)包括帶有霍爾傳感器的電機驅動器和現場可編程門陣列簡稱FPGA。本發(fā)明所具有的有益效果一、原理簡單、掃描范圍大，掃描范圍≥±16°、空間布局緊湊、易于安裝、抗震性能強；二、綜合效率高，激光器從發(fā)射到光學系統(tǒng)后的總效率為0.81。
文檔編號G01S7/481GK101819270SQ20101014960
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權日2010年4月19日
發(fā)明者李學成, 趙寶泉 申請人:天津寶成新宇電子科技有限公司