一種基于光纖網(wǎng)絡的月球車用激光點陣器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光纖網(wǎng)絡的月球車用激光點陣器,由主備份兩只尾纖輸出型激光器、控制電路、兩路驅動電路、兩路溫控電路、光纖分束器,16個光纖準直器和機殼組成。主備兩只激光器發(fā)出的光經(jīng)2×16型光纖分束器,兩路激光先合2為1,再分成16束,每束激光經(jīng)過安裝在機殼上的光纖準直器進行光學準直。通過調整光纖準直器在機殼上的安裝位置和出射方向,可以生成不同分布特征的激光點陣。本發(fā)明實現(xiàn)了輕小型月球車用激光點陣器,能生成能量密度高且均勻的激光點陣,解決了激光點陣器高可靠性和復雜航天環(huán)境適應性等瓶頸問題。
【專利說明】一種基于光纖網(wǎng)絡的月球車用激光點陣器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于月球車設計領域,具體地,涉及一種基于光纖網(wǎng)絡的月球車用激光點陣器。
【背景技術】
[0002]為了實現(xiàn)滿足要求的激光點陣,目前的技術方案主要為不分光和分光兩種方案。不分光方案米用多只激光器輸出,每只激光器輸出的激光經(jīng)準直后出射形成一個光斑,16個點陣則需要16只激光器。該方案需要較大的空間布置16只激光器和相應的驅動和溫控電路,并且沒有冗余和備份。
[0003]分光方案將一只激光器輸出的激光分成若干束,每束經(jīng)光纖準直器準直之后輸出形成一個光斑,分光方式主要采用透鏡陣列和光柵分光的方式實現(xiàn)。該方案采用的透鏡和光柵分光,光學零件體積大,且均勻度較差,并且激光在自由空間傳輸,相互串擾,抗干擾能力不夠。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明主要解決的技術問題是:克服現(xiàn)有光柵系統(tǒng)或是棱鏡系統(tǒng)分光不足的缺陷,提供一種基于光纖網(wǎng)絡的月球車用激光點陣器。本發(fā)明實現(xiàn)了輕小型月球車用激光點陣器,在嚴格的體積、重量和功耗要求下產(chǎn)生具有特定分布的激光點陣,產(chǎn)生的激光點陣作為相機含有特征分布的標志點,可以用于月球車及其他地外行星探測器自主避障,也可以用于目標特征的獲取與識別。
[0005]本發(fā)明采用的技術方案包括:
[0006]一種基于光纖網(wǎng)絡的月球車用激光點陣器,包括:主尾纖輸出型激光器和備份尾纖輸出型激光器、控制電路、第一驅動電路、第二驅動電路、第一溫控電路、第二溫控電路、光纖分束器,16個光纖準直器、以及機殼,其中,主尾纖輸出型激光器和備份尾纖輸出型激光器、控制電路、第一驅動電路、第二驅動電路、第一溫控電路、第二溫控電路、光纖分束器,以及16個光纖準直器均裝配在機殼中;第一驅動電路和第一溫控電路控制主尾纖輸出型激光器的工作;第二驅動電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器的工作;上電后,第一驅動電路和第一溫控電路工作,控制主尾纖輸出型激光器發(fā)光;控制電路采集主尾纖輸出型激光器內的光電探測器的輸出信號,并將該輸出信號與控制電路內部預設的信號進行比較,判斷主尾纖輸出型激光器是否正常工作,如果正常,則不做任何處理;如果不正常,則切換至第二驅動電路和第二溫控電路,由第二驅動電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器發(fā)光;主尾纖輸出型激光器或備份尾纖輸出型激光器發(fā)出的光經(jīng)光纖分束器分成16束,每束光經(jīng)過一個光纖準直器準直后照射到月面上。
[0007]進一步地,其特征在于,光纖準直器的金屬結構材料選用低膨脹合金4J32B。
[0008]進一步地,定義16個光纖準直器的激光光軸與機殼底面之間的夾角為俯仰角,16個光纖準直器的激光光軸與機殼前表面之間的夾角為方位角,則:第一光纖準直器的俯仰角為41.91°,第二和第八光纖準直器的俯仰角為42.29°,第九和第十六光纖準直器的俯仰角為47.32°,第三至第七光纖準直器的俯仰角為42.43°,第十至十五光纖準直器的俯仰角為47.49° ;第一至十六光纖準直器的方位角依次為43.03° ,51.05°,61.60°,74.87 °,90°,-74.87 °,-61.60 °,-51.05 °,40.84 °,50.28 °,63.51°,80.57。, -80.66° , -63.51° ,-50.28° 和-40.84。。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0010]1、本發(fā)明選用尾纖輸出的激光器作為光源,激光器輸出光纖與光纖分束器輸入端光纖熔接,激光器輸出的激光在光纖分束器中傳輸,光纖分束器輸出端光纖用陶瓷插針與光纖準直器連接,激光經(jīng)透鏡準直輸出,光傳播全程為封閉環(huán)境,光束質量不受外界環(huán)境干擾,可靠性高。
[0011]2、整機采用主備份設計,可以提高系統(tǒng)的可靠性。
[0012]3、采取寬溫遲滯型溫控設計,減小系統(tǒng)所需的功耗。
[0013]4、通過各部分的協(xié)同作用,可以最小化系統(tǒng)體積、重量和功耗,并保證光功率的均勻和系統(tǒng)的可靠性。產(chǎn)品通過了各種環(huán)境下的性能測試、航天力學環(huán)境試驗和航天熱環(huán)境試驗考核,并在CE-3月球車的避障探測中成功應用,在其他行星探測器的避障探測以及目標特征識別等領域中,可以直接進行技術移植,具有很好的推廣前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的組成圖;
[0015]圖2為本發(fā)明的設備簡圖;
[0016]圖3a-圖3c為光纖盤繞方向示意圖;
[0017]圖4為本發(fā)明的主備份切換原理圖;
[0018]圖5為本發(fā)明的溫控電路原理圖;
[0019]圖6為本發(fā)明的驅動電路原理圖;
[0020]圖7為本發(fā)明的激光出射方向示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面將結合附圖和具體實施例對根據(jù)本發(fā)明的基于光纖網(wǎng)絡的月球車用激光點陣器做進一步詳細的說明。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的激光點陣器可用于月球車,在嚴格的體積、重量和功耗要求下產(chǎn)生具有特定分布的高亮度激光點陣,可以用于月球車及其他地外行星探測器自主避障,也可以用于目標特征的獲取與識別。
[0023]該基于光纖網(wǎng)絡的月球車用激光點陣器,由主備份兩只尾纖輸出型激光器、控制電路、第一和第二驅動電路、第一和第二溫控電路、光纖分束器,16個光纖準直器和機殼組成。主備兩只尾纖輸出型激光器發(fā)出的光經(jīng)2X 16型光纖分束器,先合2為I,再分成16束,每束激光經(jīng)過安裝在機殼上的光纖準直器進行光學準直。通過調整準直器在機殼上的安裝位置和出射方向,可以生成不同分布特征的激光點陣。尾纖輸出型激光器采用恒流源精密控制實現(xiàn)光功率穩(wěn)定輸出,采取獨特的寬溫遲滯型溫控設計,顯著減小系統(tǒng)功耗。
[0024]具體地,如圖1、圖2和圖4所示,第一驅動電路和第一溫控電路控制主尾纖輸出型激光器的工作;第二驅動電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器的工作;上電后,第一驅動電路和第一溫控電路工作,控制主尾纖輸出型激光器發(fā)光;控制電路采集主尾纖輸出型激光器內的光電探測器的輸出信號,并將該輸出信號與控制電路內部預設的信號進行比較,判斷主尾纖輸出型激光器是否正常工作,如果正常,則不做任何處理;如果不正常,則切換至第二驅動電路和第二溫控電路,由第二驅動電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器發(fā)光;主尾纖輸出型激光器或備份尾纖輸出型激光器發(fā)出的光經(jīng)光纖分束器分成16束,每束光經(jīng)過一個光纖準直器準直后照射到月面上。
[0025]本發(fā)明實現(xiàn)了輕小型月球車用激光點陣器,能生成能量密度高且均勻的激光點陣,解決了激光點陣器高可靠性和復雜航天環(huán)境適應性等瓶頸問題。
[0026]選用2X16型熔融拉錐式光纖分束器進行分光。主備兩只激光器發(fā)出的光經(jīng)2 X 16型光纖分束器合為I束后再分成16束。分束器的分光效率(輸出功率和與輸入功率之比)優(yōu)于90%,能量均勻性(16束輸出激光最大功率與最小功率之比)優(yōu)于1.3。光纖為柔性材料,可以在空間中自由盤繞,各部組件空間布置更加靈活,大大降低所需空間。
[0027]選用尾纖輸出型激光器作為光源,激光器輸出光纖與光纖分束器輸入端的光纖熔接,激光器輸出的激光在光纖分束器中傳輸,最后經(jīng)陶瓷插針輸出,經(jīng)透鏡準直輸出,光傳播全程為封閉環(huán)境,光束質量不受外界環(huán)境干擾,可靠性高。
[0028]為了適應月球車用及地外行星探測復雜高低溫環(huán)境,光纖準直器的金屬結構材料選用低膨脹合金4J32B。
[0029]如圖3a_圖3c所示,光纖為柔性材料,可以在空間中自由盤繞,光纖盤繞采用環(huán)形盤繞和“8”字形盤繞相結合的方式,局部通過結構進行固定,大大減小系統(tǒng)所需空間。
[0030]考慮到在寬溫范圍實現(xiàn)高精度溫控需要較大的功率消耗,如圖5所示,本發(fā)明采取寬溫遲滯型溫控設計,僅在極端溫度條件下啟動溫控工作。溫控電路通過尾纖輸出型激光器中的熱敏電阻監(jiān)測其LD (半導體二極管)的工作溫度,將溫度信號轉化為電信號,并進行判斷和運算處理。當LD的溫度低于+15°C時,溫控電路對尾纖輸出型激光器內集成的TEC(半導體制冷器)加反向偏置電流,對LD加熱;當LD的溫度高于+36°C時,溫控電路對尾纖輸出型激光器內集成的TEC加正向偏置電流,對LD制冷降溫。溫控電路采用PID算法控制TEC的輸出功率,實現(xiàn)LD的溫度控制。這種溫控電路設計采用較小的溫控功率實現(xiàn)了LD的主動溫度。
[0031]如圖6所示,由于LD的輸出光功率與電流近似于線性關系,其驅動必須采用恒流源設計。系統(tǒng)一次供電為5.5V,為了提高驅動電源的效率,此處采用BUCK型開關降壓電路,首先將一次供電電壓降到2V ;然后采用功率晶體管、電流控制電路和取樣電阻,將上級BUCK開關型電壓源路轉化為電流源,電流反饋和電流控制功能實現(xiàn)LD驅動源的恒流、穩(wěn)流輸出設計。針對LD專門做一系列的防護措施:限流控制完成LD的過流保護措施,延時保護功能使LD避免靜電電荷積累和電壓沖擊,軟啟動功能避免在開機過程中形成的對LD浪涌電流沖擊,電壓反饋監(jiān)測LD上工作電壓,對LD進行過壓保護。
[0032]在根據(jù)本發(fā)明的月球車用激光點陣器中,定義16個光纖準直器的激光光軸與機殼底面之間的夾角為俯仰角,16個光纖準直器的激光光軸與機殼前表面之間的夾角為方位角,則:第一光纖準直器的俯仰角為41.91°,第二和第八光纖準直器的俯仰角為42.29°,第九和第十六光纖準直器的俯仰角為47.32°,第三至第七光纖準直器的俯仰角為42.43°,第十至十五光纖準直器的俯仰角為47.49° ;第一至十六光纖準直器的方位角依次為 43.03。,51.05° ,61.60° ,74.87° ,90° , -74.87° , -61.60° , -51.05° ,40.84°,50.28。,63.51° ,80.57° , -80.66° , -63.51° , -50.28° 和-40.84。。
[0033]如圖2所示,激光板12僅用于尾纖輸出型激光器的安裝和固定,驅動溫控板11包括所有的電路。機殼10為前后兩部分,前面部分用于固定尾纖輸出型激光器6和7、光纖準直器9和光纖分束器8,后半部分用于固定驅動控制板11,前后兩部分扣合,用螺釘連接形成一個整體。
[0034]在此,需要說明的是,本說明書中未詳細描述的內容,是本領域技術人員通過本說明書中的描述以及現(xiàn)有技術能夠實現(xiàn)的,因此,不做贅述。
[0035]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例,并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。對于本領域的技術人員來說,在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下,可以對本發(fā)明做出若干的修改和替換,所有這些修改和替換都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于光纖網(wǎng)絡的月球車用激光點陣器,其特征在于,包括:主尾纖輸出型激光器和備份尾纖輸出型激光器、控制電路、第一驅動電路、第二驅動電路、第一溫控電路、第二溫控電路、光纖分束器,16個光纖準直器、以及機殼,其中,主尾纖輸出型激光器和備份尾纖輸出型激光器、控制電路、第一驅動電路、第二驅動電路、第一溫控電路、第二溫控電路、光纖分束器,以及16個光纖準直器均裝配在機殼中; 第一驅動電路和第一溫控電路控制主尾纖輸出型激光器的工作;第二驅動電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器的工作; 上電后,第一驅動電路和第一溫控電路工作,控制主尾纖輸出型激光器發(fā)光;控制電路采集主尾纖輸出型激光器內的光電探測器的輸出信號,并將該輸出信號與控制電路內部預設的信號進行比較,判斷主尾纖輸出型激光器是否正常工作,如果正常,則不做任何處理;如果不正常,則切換至第二驅動電路和第二溫控電路,由第二驅動電路和第二溫控電路控制備份尾纖輸出型激光器發(fā)光; 主尾纖輸出型激光器或備份尾纖輸出型激光器發(fā)出的光經(jīng)光纖分束器分成16束,每束光經(jīng)過一個光纖準直器準直后照射到月面上。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于光纖網(wǎng)絡的月球車用激光點陣器,其特征在于,光纖準直器的金屬結構材料選用低膨脹合金4J32B。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于光纖網(wǎng)絡的月球車用激光點陣器,其特征在于,定義16個光纖準直器的激光光軸與機殼底面之間的夾角為俯仰角,16個光纖準直器的激光光軸與機殼前表面之間的夾角為方位角,則:第一光纖準直器的俯仰角為41.91° ,第二和第八光纖準直器的俯仰角為42.29°,第九和第十六光纖準直器的俯仰角為47.32°,第三至第七光纖準直器的俯仰角為42.43°,第十至十五光纖準直器的俯仰角為47.49° ; 第一至十六光纖準直器的方位角依次為43.03 °,51.05 °,61.60 °,.74.87 °,90 °,-74.87 °,-61.60 °,-51.05 °,40.84 °,50.28 °,63.51 °,.80.57。, -80.66° , -63.51° ,-50.28° 和-40.84。。
【文檔編號】G02B27/09GK104375274SQ201410601965
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權日:2014年10月30日
【發(fā)明者】王春輝, 張慧, 李明山, 鄭永超, 李旭, 王遨游 申請人:北京空間機電研究所