专利名称：基于激光扫描光纤耦合系统的激光雷达发射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光雷达发射装置，特别涉及一种基于激光扫描光纤耦合系统的激光雷达发射装置。
背景技术：
激光雷达是一种以激光器为辐射源的主动式现代光学遥感设备，是传统雷达技术 和现代激光技术相结合的产物。由于激光雷达工作波长很短，与微波雷达相比相差三个数 量级，而且激光又是单色的相干光，因而激光雷达呈现极高的分辨率和抗干扰能力，广泛应 用于环境监测、军事工程、科学研究和国民经济等领域。随着激光成像技术的发展，激光雷 达在飞行器制导、直升机防撞、目标三位重建和地形地貌测量等方面亦成为新的研究热点。激光成像雷达发射装置的核心技术之一就是激光扫描技术，其主要功能是发射测 量激光脉冲和接受脉冲遇到障碍物或目标后所发射的回波。激光扫描技术目前主要分为机 械扫描、非机械扫描和全息光栅扫描。其中非机械扫描主要指电光扫描和声光扫描，，一般 利用电光器件和声光器件作为调制器，对输出的激光信号进行强度调制，用于偏转器的电 光器件和声光器件被称作电光扫描器和声光扫描器。电光扫描的基本原理是利用偏转器材 料折射率变化的电光效应实现偏转。数宇电光偏转器根据不同的数字信号“0”或“1”，加载 不同的电压，改变偏转器的折射率，控制出射光点置于两个光点位置中的一个位置上。如果 用η个电光偏转器串接，就有2η个光点位置。当η个调制器获得快速的数字信号电压，出 射点在扫描线的2η个位置上不断移动，从而获得所需的扫描线。数宇电光偏转器比普通线 性扫描器具有更大的灵活性，此外电光偏转技术可以实现连续非数字的模拟偏转，但电光 偏转器普遍电路复杂，价格昂贵，又由于偏转器是由多个电光器件串接起来，光能的利用率 低。声光扫描的偏转原理是利用激光束在折射率周期性变化的声光材料中的衍射现象。在 声光偏转巾，载频的频率是变化的，经过声光偏转器，出射光束的衍射角随着加载的载频的 变化而变化，声光扫描器的效率较高，但是扫描速度相对较慢。全息光栅扫描是以全息术为 基础的激光扫描，它的出现是激光扫描技术的一大发展，它类似于通常的多面镜扫描，孺要 一个机械运动去改变激光光束的偏转，应用光学衍射原理工作，全息光栅扫描虽视场大，效 率高，惯性小，但受其自身衍射效率较低的影响，导致整个扫描系统透过率低。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供基于激光扫描光纤耦合系统 的激光雷达发射装置本发明技术方案如下一种基于激光扫描光纤耦合系统的激光雷达发射装置，包括光电编码器、无刷直 流电机、反射镜、控制子系统、脉冲光纤激光器、准直器、传能光纤，光电编码器和反射镜分 别连接在无刷直流电机的转轴上，和该转轴处于同一轴线上的准直器连接到脉冲光纤激光 器的尾纤上，传能光纤的一端端面围绕这一轴线均勻摆成圆形并固定，其另一端端面并列放置并固定成光纤面板，控制子系统分别和脉冲光纤激光器、无刷直流电机、光电编码器电连接，所述的控制子系统包括带有霍尔传感器的电机驱动器和现场可编程门阵列，现场可 编程门阵列以下简称FPGA，光电编码器将无刷直流电机的增量信号和绝对位置信息，发送 给电机驱动器和FPGA，电机驱动器控制无刷直流电机勻速运动，FPGA判断并控制输出信号 触发脉冲光纤激光器。还包括会聚透镜、五维调整架，每一根传能光纤的两端面各放置一个会聚透镜，准 直器、传能光纤和会聚透镜均由所述五维调整架夹持。光电编码器为每转至少能分辨8192个位置点的混合型旋转编码器；无刷直流电 机最高转速3600r/min ；脉冲光纤激光器为每秒触发一次，发出一个脉宽纳秒量级、波长处 于红外波段的激光脉冲，并且接收到触发信号到发出激光脉冲的延时是一个常数的激光 器；传能光纤为两端镀增透膜，且芯径为600um的特种塑料光纤，数量为90根。所述会聚透镜为放大倍率为40的显微物镜。本发明所具有的有益效果一、原理简单、扫描范围大，扫描范围> 士 16°、空间 布局紧凑、易于安装、抗震性能强；二、综合效率高，激光器从发射到光学系统后的总效率为 0. 81。


图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的中发射装置运转控制原理示意图；图3为本发明中光纤及相关设备固定示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。如图1、图2、图3所示，本发明包括光电编码器1、无刷直流电机2、反射镜3、控制 子系统4、脉冲光纤激光器5、准直器6、传能光纤7，反射镜3以约15°的倾角固定在无刷直 流电机2的转轴的一端，转轴的另一端通过柔性轴联器连接光电编码器1，和该转轴处于同 一轴线上的准直器6连接到脉冲光纤激光器5的尾纤上，也就是说，光电编码器1、无刷直流 电机2的转轴、反射镜3、准直器6在空间上是同轴的，传能光纤7共90根，每两根之间间隔 4°围绕准直器6所在的轴线均勻摆成圆形并固定，90根传能光纤7的末端并列放置，固定 成为“一字型阵列”的光纤面板12，在反射镜3到每根传能光纤7的光路上，靠近光纤的端 面处，各放置一个会聚透镜10，并且使会聚透镜10的聚焦点处位于传能光纤7的端面处，在 传能光纤7的另一端也放置一个会聚透镜10作为发射透镜，同样也使会聚透镜10的聚焦 点位于传能光纤7的端面处，为了便于精确调器件的位置和角度，实现高效率的激光脉冲 耦合，准直器6、传能光纤7、会聚透镜10均有五维调整架11夹持。控制子系统4分别和脉 冲光纤激光器5、无刷直流电机2、光电编码器1电连接，所述的控制子系统(4)包括带有霍 尔传感器的电机驱动器8、光电编码器1和现场可编程门阵列9，现场可编程门阵列以下简 称FPGA，光电编码器1将无刷直流电机2的增量信号和绝对位置信息，发送给电机驱动器8 和FPGA9，电机驱动器8控制无刷直流电机2勻速运动，FPGA9判断并控制输出信号触发脉 冲光纤激光器5。
光电编码器1应当是能够同时输出增量正弦信号和绝对位置值信息的混合型旋 转编码器，并且每转至少能分辨8192个位置点，例如德国Heidenhain公司的ECNl 113512 型混合光电编码器。无刷直流电机2应当是功率大、体积小的电机，最高转速> 3600r/min，例如瑞士 Maxon公司的EC40I 50W 24V的三相无刷直流电机。脉冲光纤激光器5为每秒触发一次，发出一个脉宽纳秒量级、波长处于红外波段 的激光脉冲，并且接收到触发信号到发出激光脉冲的延时是一个常数的激光器，例如法国 Keopsys 公司的 KPS-0EM-KUTL-1550-004-030-07-02-C0L 脉冲型光纤激光器。传能光纤7为两端镀增透膜，且芯径为600um的特种塑料光纤。会聚透镜为放大倍率为40的显微物镜。 如图2所示，本发明的工作方式，运转时，FPGA9控制电机驱动器8驱动无刷直流电 机2转动，光电编码器1实时读取无刷直流电机2转动的增量信号和绝对位置信息，并将该 信号和信息通过线缆分别传送给电机驱动器8和FPG A9，电机驱动器8利用自带的霍尔传感 器并根据接收到的增量信号实时判断无刷直流电机2是否勻速转动，并将反馈信息发送给 无刷直流电机2，构成闭环反馈来实现无刷直流电机2的勻速运动，同时，FPGA9根据接收到 的绝对位置信息和内部程序中存储的以标定准确的90根传能光纤7的位置值做出比较，判 断反射镜3所处的倾斜角能否把脉冲光纤激光器5发出的激光脉冲反射到某根传能光纤7 中，如不能，FPGA9不动作，如能，FPGA9立即输出一个幅值5V、脉宽IOOus的方波触发信号 给脉冲光纤激光器5，使其发出一个激光脉冲，该激光脉冲经准直器6准直，再经过反射镜 3反射，然后经过会聚透镜耦合进入传能光纤7，最后进入“一字型阵列”的光纤面板12中， 再经过会聚透镜射向空间，随着无刷直流电机2以3600r/min勻速转动，激光脉冲依次进入 90根传能光纤7中，实现激光雷达发射装置的扫描、发射功能。 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术方案作任何形式 上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修 饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
权利要求
一种基于激光扫描光纤耦合系统的激光雷达发射装置，包括光电编码器(1)、无刷直流电机(2)、反射镜(3)、控制子系统(4)、脉冲光纤激光器(5)、准直器(6)、传能光纤(7)，其特征在于，光电编码器(1)和反射镜(3)分别连接在无刷直流电机(2)的转轴上，和该转轴处于同一轴线上的准直器(6)连接到脉冲光纤激光器(5)的尾纤上，传能光纤(7)的一端端面围绕这一轴线均匀摆成圆形并固定，其另一端端面并列放置并固定成光纤面板(12)，控制子系统(4)分别和脉冲光纤激光器(5)、无刷直流电机(2)、光电编码器(1)电连接，所述的控制子系统(4)包括带有霍尔传感器的电机驱动器(8)和现场可编程门阵列(9)，现场可编程门阵列以下简称FPGA，光电编码器(1)将无刷直流电机(2)的增量信号和绝对位置信息，发送给电机驱动器(8)和FPGA(9)，电机驱动器(8)控制无刷直流电机(2)匀速运动，FPGA(9)判断并控制输出信号触发脉冲光纤激光器(5)。
2.根据权利要求1所述的基于激光扫描光纤耦合系统的激光雷达发射装置，其特征在 于，还包括会聚透镜(10)、五维调整架(11)，每一根传能光纤(7)的两端面各放置一个会聚 透镜(10)，准直器(6)、传能光纤(7)和会聚透镜(10)均由所述五维调整架(11)夹持。
3.根据权利要求1所述的基于激光扫描光纤耦合系统的激光雷达发射装置，其特征在 于，光电编码器(1)为每转至少能分辨8192个位置点的混合型旋转编码器；无刷直流电机 (2)最高转速彡3600r/min ；脉冲光纤激光器(5)为每秒触发一次，发出一个脉宽纳秒量级、 波长处于红外波段的激光脉冲，并且接收到触发信号到发出激光脉冲的延时是一个常数的 激光器；传能光纤(7)为两端镀增透膜，且芯径为600um的特种塑料光纤，数量为90根。
4.根据权利要求2所述的基于激光扫描光纤耦合系统的激光雷达发射装置，其特征在 于，所述会聚透镜(10)为放大倍率为40的显微物镜。
全文摘要
一种基于激光扫描光纤耦合系统的激光雷达发射装置，光电编码器和反射镜分别连接在无刷直流电机的转轴上，和该转轴处于同一轴线上的准直器连接到脉冲光纤激光器的尾纤上，传能光纤的一端端面围绕这一轴线均匀摆成圆形并固定，其另一端端面并列放置并固定成光纤面板，控制子系统分别和脉冲光纤激光器、无刷直流电机、光电编码器电连接，所述的控制子系统包括带有霍尔传感器的电机驱动器和现场可编程门阵列简称FPGA。本发明所具有的有益效果一、原理简单、扫描范围大，扫描范围≥±16°、空间布局紧凑、易于安装、抗震性能强；二、综合效率高，激光器从发射到光学系统后的总效率为0.81。
文档编号G01S7/481GK101819270SQ20101014960
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月19日 优先权日2010年4月19日
发明者李学成, 赵宝泉 申请人:天津宝成新宇电子科技有限公司