[发明专利]一种微型激光二维扫描测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型激光二维扫描测量系统，属于光机电一体化技术和MEMS技术(Micro-Electro-Mechanical System)领域。

背景技术

自主扫描是用于空间目标探测的关键技术，主要用于扫描探测空间某一区域中的目标航天器，并对其相对距离和相对方位进行测量。自主扫描技术可分为卫星本体扫描、吊舱跟踪扫描和反射镜二维空间扫描等方式，其中卫星本体扫描增加了卫星姿态控制的复杂性，吊舱跟踪扫描在重量、功耗和体积等方面相对较大，而反射镜二维空间扫描更适合于微小卫星的使用。

传统的反射镜扫描方式有转镜扫描和振镜扫描，多采用电机驱动。转镜扫描又称旋转多面体棱镜扫描，其工作原理为激光束投射到一个高速旋转的多面体棱镜上，多面体棱镜将入射的激光束反射并随其偏转进行扫描。这种扫描方式对多面体的加工精度要求高，光学部分调整复杂，扫描电机的均匀性要求严格，且存在半径差和塔形误差，影响了扫描精度。

振镜主要由电磁驱动部分和位置传感器两部分组成，振镜扫描的工作原理是通过控制反射镜的反射角度，从而达到激光束的偏转，并通过位置传感器反映振镜的偏转角度和扫描位置。扫描振镜的反射面绕中心轴摆动，不存在半径差和塔形误差，与多面转镜相比有较高的扫描精度。但是振镜的扫描驱动电路采用伺服系统，控制较为复杂，扫描频率偏低，并且体积和功耗相对较大。

目前，随着微机械和MEMS技术的发展，微反射镜扫描成为了一种新型的扫描方式，其基本原理是微反射镜镜面在静电力、电磁力、电热力、压电力或其它类型驱动力的作用下发生偏转，从而改变入射光的偏转角，实现对某一区域的扫描。微反射镜具有体积小、质量轻、功耗低、扫描速率快、测量精度高等特点，可取代传统的激光扫描机构，更加适用于微型卫星(质量小于20kg)和纳型/皮型卫星(质量小于10kg)。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型激光二维扫描测量系统，能够取代传统的激光扫描机构，实现对目标相对距离和方位的测量，具有体积小、功耗低、集成度高等优点。

本发明提供的一种微型激光二维扫描测量系统，如图1所示，其特征在于：所述微型激光二维扫描测量系统由激光器、微型二维扫描镜、测距模块、测角模块和控制器组成。所述激光器发射经信号调制后的连续波激光光束至所述微型二维扫描镜和所述测距模块；所述微型二维扫描镜在外加电压驱动下产生二维偏转，反射激光光束实现二维扫描，并能对二维偏转角进行测量和输出；所述测距模块接收所述激光器发射的光束和被目标反射的光束，对两路光束采用相位式测距法解算被测目标的相对距离并输出；所述测角模块对所述微型二维扫描镜的偏转角测量信号和所述测距模块的接收信号进行处理，解算被测目标的相对方位并输出；所述控制器是一个微处理器，对所述各个部分的工作状态进行指令控制，完成数据交换，提取并输出被测目标的相对距离和方位信息。

本发明的特征在于，该系统含有：激光器、微型二维扫描镜、测距模块、测角模块、以及由微处理器构成的控制器，其中：

激光器，设有控制信号输入端，与所述控制器的启动控制信号输出端相连，该激光器的输出是经信号调制后的连续波激光光束，该激光光束首先经过分光镜分为两个部分：透射部分经过反射镜后形成发射光束，反射部分经过所述微型二维扫描镜，对被测目标进行二维扫描，被被测目标反射回来的光束再次经过该微型二维扫描镜反射到所述分光镜，在透射该分光镜后形成反射光束；

激光二维扫描镜，由受所述控制器控制的压电陶瓷、与该压电陶瓷的侧向纵向粘贴的受激块、在该受激块上端向上的中央部位与所述受激块连成一体的柔性梁、与该柔性梁顶部连成一体的二维反射镜片、以及纵向的连接在该柔性梁上的压阻传感器组成，所述压阻传感器由从下到上连接在该柔性梁上的第一惠斯通电桥(B)和第二惠斯通电桥(T)组成，其中第一惠斯通电桥(B)，由R_B1、R_B2、R_B3、R_B4各电阻桥接而成，用于测量所述二维反射镜片绕x轴弯曲时的偏转角θ_B，所述x轴是指垂直于该柔性梁的方向，所述θ_B为：