激光雷达水平成像视场俯仰角的自适应补偿装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种激光雷达水平成像视场俯仰角的自适应补偿装置，包括：一金属框；一转台，固定于所述金属框上；一转轴，一端通过转台一固定点与转台固定，配置为可以绕该固定点转动，另一端的上部配置为放置激光器，用于转动时调整激光器成像视场俯仰角；一热膨胀杆，上端固定于所述金属框上，下端与所述转轴相抵，其中，所述热膨胀杆的热膨胀系数大于所述金属框的热膨胀系数；一弹簧，两端分别固定于转轴所述另一端的下部和金属框之间。其中所述的金属框和热膨胀杆具有较大的热膨胀系数差，在温度变化时热膨胀杆的形变可以用来推动转轴，进而推动转轴上激光器所发射的激光束朝着俯仰角位移的反方向转动，自适应地补偿温度梯度造成的热光漂移。

An Adaptive Compensation Device for Pitch Angle of Horizontal Imaging Field of View of Lidar

The invention discloses an adaptive compensation device for the elevation angle of the field of view of laser radar horizontal imaging, which includes a metal frame, a turntable fixed on the metal frame, a rotating axis, one end fixed with the turntable through a fixed point of the turntable, which is configured to rotate around the fixed point, and the upper part of the other end is configured to place a laser for adjusting the elevation of the field of view of the laser imaging when rotating. The upper end of the thermal expansion rod is fixed on the metal frame, and the lower end is opposite to the rotating shaft, in which the thermal expansion coefficient of the thermal expansion rod is greater than the thermal expansion coefficient of the metal frame; and a spring is fixed between the lower part of the other end of the rotating shaft and the metal frame, respectively. The metal frame and the thermal expansion rod have large thermal expansion coefficient difference, and the deformation of the thermal expansion rod can be used to drive the rotating shaft when the temperature changes, and then drive the laser beam emitted on the rotating shaft to rotate in the opposite direction of the pitch displacement, so as to compensate the thermal-optical drift caused by the temperature gradient adaptively.

【技术实现步骤摘要】
激光雷达水平成像视场俯仰角的自适应补偿装置
本专利技术属于激光测量应用
，涉及一种利用不同金属热膨胀系数之差补偿激光光束在具有温度梯度的介质中传播引起的热漂移的装置。
技术介绍
近年来，激光雷达被广泛适用于铁路方面来对铁轨出现的落石等障碍物进行实时监测。为了探测进入铁轨表面的小型如不小于五厘米见方的障碍物，激光雷达要求被放置在离开钢轨只有几厘米的平面里扫描平面铁路表面里扫描，并且要求全年24小时持续工作，因此雷达需要承受高温或者寒冷等各种恶劣天气的影响，尤其是夏天酷暑的高温天气，激光在铁轨表面传输时，由于铁轨表面温度高，大气折射率低，而高出铁轨表面的空气温度低，大气折射率高，因此激光雷达的激光光束会在传输过程中向铁轨上方漂移，当传输距离足够远时，激光向上的漂移量也足够大，如果铁轨上出现障碍物，激光则可能打不到障碍物上，因此出现漏报的危险。另一方面，当温度降低，激光光束向下漂移，有可能扫到钢轨，可能导致误报。现有技术公开了一种通过双光束法对光学成像由于温度的变化引起的光学镜头焦距的微小变化进行补偿的方法，与本专利技术不同的是该技术是针对遥感成像优化的光学设计，校正沿着光传播方向由于受热引起的焦点微小位移，解决的是成像质量的问题，而本专利技术则是高温工作状态下，激光束在俯仰角有效视场的热光偏转及其校正装置，解决的是由于热光漂移造成盲区，无法成像的问题。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种激光雷达水平成像视场俯仰角的自适应补偿装置，包括：一金属框；一转台，固定于所述金属框上；一转轴，一端通过转台一固定点与转台固定，配置为可以绕该固定点转动，另一端的上部配置为放置激光器，用于转动时调整激光器成像视场俯仰角；一热膨胀杆，上端固定于所述金属框上，下端与所述转轴相抵，其中，所述热膨胀杆的热膨胀系数大于所述金属框的热膨胀系数；一弹簧，两端分别固定于转轴所述另一端的下部和金属框之间。在进一步的方案中，所述的金属框平面配置为与所述激光器的发射方向平行。在进一步的方案中，所述的转台为矩形，其相邻两边固定在所述金属框的相邻两边之上，转台中心设有一圆形卡槽，用于放置所述的转轴。在进一步的方案中，所述的转轴包括：一圆盘，其半径与所述的转台中心的圆形卡槽相同，嵌卡于该卡槽之内，所述圆盘可以绕其圆心转动；一矩形条，配置在圆盘的下端，其一个表面与所述的热膨胀杆相抵，另一表面与弹簧相抵；一矩形块，配置在圆盘的上端，用于放置激光器；所述的转轴整体穿设于转台，与转台和金属框垂直。在进一步的方案中，所述的转轴的旋转精度设定为微米级。在进一步的方案中，转轴的配置方式为使所述激光器的激光光束或者其反向延长线通过所述转轴的旋转中心。在进一步的方案中，所述的金属框的热膨胀系数小于或等于1.6×10-6/℃，所述热膨胀杆的热膨胀系数大于或等于1.6×10-6/℃。水平传播的激光光束在传播过程中，当传播介质，以空气为例，有较大的温度梯度时，光束传播方向会向温度低的造成飘移。当温度梯度较大或者传播距离较远，会导致激光光束的漂移量过大，进而导致激光光斑偏离被探测的物体，使得被测物体偏移出激光的视场，目标物体无法被成像，必须加以补偿。本专利技术提供的装置利用金属框和热膨胀杆之间差别较大的热膨胀系数，通过温度变化所导致热膨胀杆产生的形变，推动安装在精密转台上的转轴，进而推动激光光束朝着温度梯度造成的俯仰角位移的反方向转动，自适应地补偿温度梯度造成的热光漂移，减小或基本消除由于空气温度梯度所造成的热光漂移，最终实现激光雷达对小型障碍物的高可靠性监控与测量，避免漏报。当温度升高时，传播介质的温度具有上冷下热的温度梯度，引起激光束的向上偏移，此时热膨胀杆的热膨胀量远大于金属框的热膨胀量，从而推动转轴以及转轴上的激光器发射方向顺时针转动，以减少激光光束由于温度梯度产生的向上漂移。反之亦然，当温度降低时，激光光束由于空气的温度梯度向上的漂移量减少，严重的情况下，激光光束向下偏移，此时热膨胀杆长度收缩，在与转轴另一表面相抵的弹簧的作用下，转轴发生逆时针转动，把激光光束上抬，从而减少激光光束由于空气的温度梯度产生的向下漂移。附图说明图1是本专利技术实施例的激光雷达水平成像视场俯仰角的自适应补偿装置原理图。图2A是图1所示装置中的金属框示意图。图2B是图1所示装置中的精密转台示意图。图2C是图1所示装置中的转轴示意图。图2D是图1所示装置中的热膨胀杆示意图。图3A是本专利技术激光雷达水平成像视场俯仰角的自适应补偿装置装配图的斜视图。图3B是本专利技术激光雷达水平成像视场俯仰角的自适应补偿装置装配图的主视图。图3C是本专利技术激光雷达水平成像视场俯仰角的自适应补偿装置装配图的后视图。【附图中元件符号说明】1金属框；2热膨胀杆；3转台；4转轴；5激光器；6弹簧具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。在下文中，将提供一些实施例以详细说明本专利技术的实施方案。本专利技术的优点以及功效将通过本专利技术下述内容而更为显著。在此说明所附附图简化过且作为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本专利技术中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本专利技术所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。本专利技术提供一种激光雷达水平成像视场俯仰角的自适应补偿装置包括：一金属框；一转台，固定于所述金属框上；一转轴，一端通过转台一固定点与转台固定，配置为可以绕该固定点转动，另一端上部配置为放置激光器，用于转动时调整激光器成像视场俯仰角；一热膨胀杆，上端固定于所述金属框上，下端与所述转轴相抵，其中，所述热膨胀杆的热膨胀系数大于所述金属框的热膨胀系数；一弹簧，两端分别固定于转轴所述另一端下部和金属框之间。在本专利技术的一个实施例中，所述的转轴的精度为微米级，如图1所示，将转台固定在金属框上，然后将转轴穿过转台并且固定在转台上，转轴两端的矩形条和矩形块在转台两端都可以延伸出来，将热膨胀杆上端固定在金属框上端，下端抵在转轴的矩形条的上表面，弹簧则处于转轴的矩形条的下表面和金属框之间，用于保证热膨胀杆和转轴可以紧密接触，激光器放置在转轴的矩形块上，发射角度与金属框平面平行，在本专利技术的一个实施例中，热膨胀杆热膨胀系数大于或等于25×10-6/℃；可选的，为热膨胀杆选用热膨胀系数高的硬铝杆，热膨胀系数为25×10-6/℃；在本专利技术的一个实施例中，金属框选用金属框热膨胀系数小于或等于1.6×10-6/℃；可选的，为热膨胀系数低的殷钢框，热膨胀系数为1.6×10-6/℃。当气温升高时，由于地表温度高，因此空气折射率低，而远离地表处温度低，空气折射率高。那么激光在传输时，就会向上方偏折。激光光束传播单位距离的偏移量可以根据以下公式计算：其中dy为激光传输dz水平距离后激光光斑高度的增加量，y为光斑高度，y0为激光起始高度，n为折射率，与温度T及大气压力P有关，计算公式为其中λ为激光波长。温度T越高，温度梯度dT/dy越大，激光传播距离越远，激光光束的热漂移量Δy＝d(dy/dz)越大，在气压为一个大气压，传播距离为30米远，地表温度为44℃时，激光光束的热漂移量可达到2.4厘米。在本专利技术的示例实施例中，金属框选用热膨胀系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光雷达水平成像视场俯仰角的自适应补偿装置，包括：一金属框；一转台，固定于所述金属框上；一转轴，一端通过转台一固定点与转台固定，配置为可以绕该固定点转动，另一端的上部配置为放置激光器，用于转动时调整激光器成像视场俯仰角；一热膨胀杆，上端固定于所述金属框上，下端与所述转轴相抵，其中，所述热膨胀杆的热膨胀系数大于所述金属框的热膨胀系数；一弹簧，两端分别固定于转轴所述另一端的下部和金属框之间。

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达水平成像视场俯仰角的自适应补偿装置，包括：一金属框；一转台，固定于所述金属框上；一转轴，一端通过转台一固定点与转台固定，配置为可以绕该固定点转动，另一端的上部配置为放置激光器，用于转动时调整激光器成像视场俯仰角；一热膨胀杆，上端固定于所述金属框上，下端与所述转轴相抵，其中，所述热膨胀杆的热膨胀系数大于所述金属框的热膨胀系数；一弹簧，两端分别固定于转轴所述另一端的下部和金属框之间。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述的金属框平面配置为与所述激光器的发射方向平行。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述的转台为矩形，其相邻两边固定在所述金属框的相邻两边之上，转台中心设有一圆形卡槽，用于放置所述的转轴。4.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：林学春，张景园，杨松，杨盈莹，黄俊媛，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11