電子機(jī)械制動(dòng)執(zhí)行器的摩擦力矩和能耗分析摘要：為了滿足全向激光探測的需求，提出一種基于2DMEMS鏡掃描的激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)。激光器通過16高速光開關(guān)分時(shí)地給6個(gè)掃描子系統(tǒng)提供光信號(hào)，6個(gè)掃描子系統(tǒng)探測視場疊加起來可實(shí)現(xiàn)360激光探測。每個(gè)掃描子系統(tǒng)的掃描范圍為6030，其中包含一個(gè)擴(kuò)展MEMS鏡掃描角度的發(fā)射光學(xué)天線和一個(gè)大視場有增益的接收光學(xué)天線。發(fā)射光學(xué)天線將MEMS鏡10的掃描角擴(kuò)展到30，發(fā)散度小于0.2mrad；接收視場內(nèi)的激光回波經(jīng)過接收天線在探測器上所成的半像高小于1mm，接收增益為3.65。通過計(jì)算修正后的激光雷達(dá)方程可得到發(fā)射功率20W的激光束在工作距離100m內(nèi)的回波功率1nW，結(jié)果表明該光學(xué)系統(tǒng)可適用于激光雷達(dá)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；發(fā)射光學(xué)天線；寬視場接收光學(xué)天線；2DMEMS鏡引言激光雷達(dá)是一種以發(fā)射激光光束來探測目標(biāo)的位置、大小等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，其常見掃描方式包括光機(jī)掃描、電光掃描、聲光掃描等1。機(jī)械旋轉(zhuǎn)式掃描是目前應(yīng)用最廣泛的大角度掃描方式，它的優(yōu)點(diǎn)是掃描方式簡單、成本低、覆蓋角度廣，但是由于步進(jìn)電機(jī)性能的限制，其耐用性不高并且體積和質(zhì)量都較大。近年來隨著微電子、微機(jī)械、光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展與領(lǐng)域結(jié)合，利用微加工工藝可以將微光學(xué)器件、控制電路等完整地集成在一塊芯片上，MEMS掃描芯片也應(yīng)運(yùn)而生。基于這種掃描結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)靈活性高、可控性強(qiáng)，缺點(diǎn)是MEMS鏡掃描角度較小，其驅(qū)動(dòng)電路的偏置電壓較高。隨著光學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)水平的不斷提升以及環(huán)境偵查、目標(biāo)識(shí)別跟蹤、無人駕駛等應(yīng)用需求的增加，這種小體積、高精度、高靈活性的掃描方式在軍用和民用領(lǐng)域2的應(yīng)用定將更加廣泛。激光雷達(dá)利用Mirrorcle技術(shù)公司3的雙軸旋轉(zhuǎn)MEMS微鏡器件，通過垂直梳齒靜電驅(qū)動(dòng)的方式使鏡面繞中心點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)制動(dòng)器由驅(qū)動(dòng)電壓控制，改變驅(qū)動(dòng)電壓可以使MEMS鏡產(chǎn)生一系列的角度變化，穩(wěn)態(tài)的驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的旋轉(zhuǎn)角，且具有高度的重復(fù)性。MEMS鏡的鏡面直徑為2mm，每個(gè)軸的機(jī)械偏轉(zhuǎn)角度范圍為-5+5，驅(qū)動(dòng)器可以提供14位以上的驅(qū)動(dòng)精度，偏轉(zhuǎn)角的分辨率可達(dá)0.6mrad。本文根據(jù)這種MEMS器件的掃描特性設(shè)計(jì)了激光雷達(dá)的發(fā)射光學(xué)天線，并且根據(jù)全向的探測需求研究出滿足大視場有增益的接收光學(xué)天線。1激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)激光雷達(dá)采用脈沖測距體制，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。來自控制系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生窄脈沖激光發(fā)射到光纖中，同時(shí)控制光開關(guān)，按照設(shè)定時(shí)序驅(qū)動(dòng)光開關(guān)切換通道將脈沖激光分配到各個(gè)發(fā)射路徑上以掃描不同的角度區(qū)域。每路激光輸出尾纖都配有準(zhǔn)直器，以產(chǎn)生足夠窄的平行光束來匹配MEMS反射鏡的直徑?？刂葡到y(tǒng)通過操控MEMS鏡面進(jìn)行x和y軸方向上轉(zhuǎn)動(dòng)使反射光束偏轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)掃描。經(jīng)MEMS鏡反射的光通過發(fā)射光學(xué)天線進(jìn)入目標(biāo)場景進(jìn)行探測，遇到物體反射后，通過接收光學(xué)天線被光電探測器捕獲，再經(jīng)過信號(hào)處理完成場景探測。激光雷達(dá)每一個(gè)掃描子系統(tǒng)最大掃描范圍為6030，具體的掃描角度可以根據(jù)場景需求通過編寫控制系統(tǒng)的程序來實(shí)現(xiàn)。這里采用重復(fù)頻率200kHz的脈沖光纖激光器，用于6通道掃描可以實(shí)現(xiàn)每秒鐘每個(gè)通道256128像素的場景探測。通過高速光開關(guān)分時(shí)復(fù)用可以使系統(tǒng)使用更少的激光器完成多個(gè)方向的探測。2光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1發(fā)射光學(xué)天線2.1.1基本結(jié)構(gòu)因MEMS鏡每個(gè)軸的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)角度較小，僅為-5+54，對(duì)應(yīng)的光束掃描角度為-10+10，所以在實(shí)際應(yīng)用中常采用添加視場擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)的方式5-7增加掃描角度。這里采用平場聚焦透鏡8以及負(fù)透鏡組成擴(kuò)展掃描角的光學(xué)系統(tǒng)，其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。平場聚焦透鏡放置在MEMS鏡后，保持MEMS鏡的中心在入射光路的光軸上，在出射光路上放置負(fù)透鏡，使平場聚焦透鏡后焦面與負(fù)透鏡后焦面重合。光束經(jīng)過場鏡匯聚在負(fù)透鏡的物方焦平面上，其出射光也能保持平行。光束經(jīng)過MEMS鏡反射后的偏轉(zhuǎn)角度為s，平場聚焦透鏡、負(fù)透鏡的焦距分別為f1、f2，h為主光線通過平場聚焦透鏡后在負(fù)透鏡上的入射高度，擴(kuò)展后的光束掃描角為out，根據(jù)光學(xué)原理可得如下關(guān)系：width=99，height=17，dpi=110(1)width=93，height=35，dpi=110(2)根據(jù)(1)式、(2)式可以得到out和s的映射關(guān)系：width=170，height=37，dpi=110(3)光束偏轉(zhuǎn)角s是光線出射方向與光軸的夾角，可分解為水平方向偏轉(zhuǎn)量x和垂直方向偏轉(zhuǎn)量y，則s與x、y關(guān)系如下：width=193，height=41，dpi=110(4)將(4)式代入(3)式，可得：width=240，height=64，dpi=110(5)根據(jù)(5)式繪制出整個(gè)掃描視場下對(duì)應(yīng)的出射角關(guān)系，如圖3所示。2.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及光學(xué)特性經(jīng)2DMEMS鏡反射后的激光入射角為-1010，設(shè)計(jì)平場聚焦透鏡組，控制焦距為100mm；設(shè)置優(yōu)化函數(shù)使得各入射角通過場鏡后的出射角到達(dá)像面時(shí)的角度趨近于0并且控制光線通過平場透鏡組后得到的像面場曲盡量小。由(1)式可得平場透鏡的半像高為17.476mm，想要得到出射角為30的平行光，負(fù)透鏡的焦距應(yīng)滿足：width=287，height=35，dpi=110(6)控制場鏡與負(fù)透鏡的焦面重合，拼接后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。在整體優(yōu)化過程中，不斷通過像差函數(shù)9優(yōu)化點(diǎn)列圖以達(dá)到平行出射的效果，考慮到系統(tǒng)長度較長、鏡片數(shù)量較多，優(yōu)化同時(shí)也應(yīng)減小鏡片數(shù)量以及系統(tǒng)長度，優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。優(yōu)化后的像面點(diǎn)列圖如圖6所示，30出射角的發(fā)散度小于0.2mrad，滿足應(yīng)用需求。圖7顯示了系統(tǒng)在不同MEMS掃描視場角對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展后光束出射角。從圖中可以看出激光的出射角度out跟MEMS掃描角s近似線性關(guān)系，可以通過控制電壓的步進(jìn)長度使得激光光束實(shí)現(xiàn)勻速精準(zhǔn)掃描。2.2接收光學(xué)天線2.2.1基本結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中考慮到光電二極管的光敏面直徑小，系統(tǒng)所需的接收視場角較大，為了滿足光信號(hào)探測的需要常采用場鏡、光錐、浸沒透鏡等帶有增益的光學(xué)系統(tǒng)。浸沒透鏡是由一個(gè)單折射球面與平面構(gòu)成的球冠體，探測器光敏面固定在透鏡的平面后。若浸沒透鏡置于空氣中，則浸沒透鏡的光學(xué)增益10G=(n)4，其中n為浸沒透鏡折射率，所以在光學(xué)系統(tǒng)中使用浸沒透鏡可獲得較大增益。2.2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了靜態(tài)的寬視場有增益的接收光學(xué)天線11，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。系統(tǒng)物鏡由正負(fù)透鏡組成，負(fù)透鏡在前，正透鏡在后，物鏡后放置高折射率標(biāo)準(zhǔn)超半球浸沒透鏡，光電探測器緊貼浸沒透鏡后。2.2.3光學(xué)特性由光學(xué)設(shè)計(jì)軟件仿真得到的半視場角內(nèi)5個(gè)不同接收角度的光線徑向能量分布圖，如圖9所示。橫坐標(biāo)表示離光敏面中心點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)是能量集中度?？梢娝心芰慷技性诎霃綖?mm的像面圓內(nèi)，而且光線接收角度越小能量越靠近光敏面的中心。由于光學(xué)系統(tǒng)的視場大，產(chǎn)生的軸外像差較大，但對(duì)于非成像系統(tǒng)的能量采集來說并沒有影響。對(duì)于二次聚光的光學(xué)系統(tǒng)，接收天線的光增益G為width=234，height=35，dpi=110(7)式中：G1、G2分別為物鏡增益和浸沒透鏡增益；D為物鏡入瞳孔徑；y為最大視場角下的無限遠(yuǎn)目標(biāo)在物鏡焦平面上所成像的半高；y1為經(jīng)過浸沒透鏡在像平面上的半高。根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件分析得到實(shí)際的入瞳直徑為3.82mm，接收視場角內(nèi)的激光回波對(duì)應(yīng)的像半高在1mm以內(nèi)，由(7)式算得此時(shí)的光學(xué)增益為3.65。3激光雷達(dá)方程由于激光雷達(dá)發(fā)散角較小，照射在目標(biāo)物體上的光斑可看作小于目標(biāo)物體的面積，通過對(duì)經(jīng)典激光雷達(dá)方程添加修正系數(shù)可得：width=170，height=41，dpi=110(8)式中：Pr為接收光功率；Pt為發(fā)射光功率；AD為光電探測器光敏面面積；Gt為天線增益；r為光學(xué)系統(tǒng)傳輸系數(shù)；a為大氣透射率；T為目標(biāo)發(fā)射率；R為工作距離；為激光的主光線方向與目標(biāo)物體法線方向的夾角。設(shè)r=0.8，a=0.98，T=0.2，Gt=3.65，AD=3.14mm，由式(8)可仿真得到不同發(fā)射功率下激光雷達(dá)接收光功率與工作距離的關(guān)系曲線。在本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過理論計(jì)算可以得到接收功率與工作距離關(guān)系，如圖9所示，發(fā)射功率為20W的激光光束在工作距離為100m處的回波接收功率約為1nW，表明系統(tǒng)可滿足一定脈寬下的激光脈沖較高虛警率12所需的信噪比。4結(jié)論本文針對(duì)2DMEMS鏡的掃描特性設(shè)計(jì)了擴(kuò)展掃描角的發(fā)射光學(xué)天線，將水平軸上的10的激光掃描角擴(kuò)展到30，出射光束發(fā)散度小于0.2mrad。設(shè)計(jì)了靜態(tài)大視場帶增益的接收光學(xué)天線，其接收視場角內(nèi)的激光回波在光電探測器上所成的半像高小于1mm，系統(tǒng)光學(xué)增益達(dá)3.65，一定程度上解決了大視場探測需求與探測器小接收面積的匹配問題。由一個(gè)掃描子系統(tǒng)可以完成60水平視角百米以內(nèi)的目標(biāo)探測，6個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作就可以實(shí)現(xiàn)360的激光探測。