基于PSD的激光跟蹤儀光電瞄準技術(shù)應(yīng)用與研究

劉嬌月,楊聚慶,董登峰

(1．河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院柔性實驗室，河南南陽 473009；2．北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院，北京 100124；3．中國科學(xué)院光電研究院，北京 100094)

?

基于PSD的激光跟蹤儀光電瞄準技術(shù)應(yīng)用與研究

劉嬌月1,楊聚慶2,3,董登峰3

(1．河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院柔性實驗室，河南南陽 473009；2．北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院，北京 100124；3．中國科學(xué)院光電研究院，北京 100094)

光電瞄準與定位技術(shù)是空間運動目標動態(tài)跟蹤測量的關(guān)鍵技術(shù)，起到目標捕獲與運動位置偏差精確指向作用?；诠怆娢恢脗鞲衅?PSD)對激光跟蹤儀的光電瞄準和跟蹤定位控制技術(shù)進行了分析研究與設(shè)計，提出了光電瞄準控制方案，設(shè)計了探測光路，分析了PSD誤差修正與信號處理。經(jīng)過實際樣機測試，靜態(tài)定位測量精度達到6 μm，隨機動態(tài)跟蹤測量速度大于1 m/s。

光電瞄準；PSD；探測光路

0 引言

激光跟蹤儀用于超大尺寸空間幾何量測量及動態(tài)軌跡測量，它具有測量功能多、測量精度高、測量速度快、量程大、可現(xiàn)場測量等特點，是大型科學(xué)工程和大型高端裝備制造中急需的測量裝備[1]。我國大型飛機零部件、工裝型架測量以及總裝測量、衛(wèi)星安裝測量等高端智能制造領(lǐng)域均對激光跟蹤儀測量提出了迫切要求[2]。

激光跟蹤儀光電瞄準技術(shù)是實現(xiàn)目標空間坐標精確測量和空間運動軌跡動態(tài)跟蹤測量的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到儀器的整體測量精度和使用性能。激光跟蹤儀測量對象具有典型的空間隨動目標特性，通過采用空間運動目標光電探測瞄準和快速定位技術(shù)，可以實現(xiàn)對大范圍遠距離運動目標進行實時的精確跟蹤和精密測量。本課題依托激光跟蹤儀樣機研制，對基于光電位置傳感器(PSD)的瞄準控制技術(shù)進行了分析研究與應(yīng)用設(shè)計。PSD具有光譜響應(yīng)范圍寬、響應(yīng)速度快、分辨率高、可靠性好、光敏面內(nèi)無盲區(qū)且處理電路簡單等優(yōu)點。由于其測量精度高，光斑位置的微小變化都會引起輸出電壓值的變化。在精度要求高、測量速度快的場合常選用 PSD 作為位置探測器件。

1 PSD定位探測原理

PSD是基于橫向光電效應(yīng)Lucovusky 方程的光電探測器件。它通過探測光強重心位置來測量光斑的位置與位移。文獻[3-4]用不同的方法證明了探測光斑的不對稱性、不規(guī)則性對PSD的即時探測精度幾乎沒有影響，測量結(jié)果與光斑尺寸外形無關(guān)，只與其重心有關(guān)。

圖1中，兩對電極分別位于 PSD 的光敏面和背面，相應(yīng)的光電流在兩個面流動，因此稱作雙面分流型 PSD。雙面分流型 PSD 可以提供高精度的光斑位置信息，在連續(xù)型二維 PSD 中，其測量精度可以說是最高的。這主要是因為其結(jié)構(gòu)上的特點使它更加類似于兩個一維 PSD，PSD的輸出信號與入射光點位置坐標計算公式如下[5]：

X方向坐標：

(1)

Y方向坐標：

式中：PSD中心為坐標原點；LX、LY分別為PSD信號電極間的距離；X1，X2，Y1，Y2為各電極的輸出電流。

圖1 二維雙面分流型PSD結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)計選用二維兩面型PSD位置傳感器，型號為S2-0003，光敏面為10 mm×10 mm。PSD上升時間(響應(yīng)時間)的典型值為80 ns，最大值為200 ns，1/200 ns=5 MHz，A/D采樣時間及濾波時間≤100 μs，可以滿足PSD的輸出頻率為1 kHz的要求?？紤]在相同光功率下，紅光可以使PSD 產(chǎn)生角大的光電流，因此光源選用25STP910 He-Ne激光器，工作波長632．8 nm，輸出功率為1 mW，根據(jù)光路計算分析，到達PSD探測器靶面上的光功率約為300 μW。

2 光電瞄準控制方案

激光跟蹤儀工作時，激光測距系統(tǒng)獲得目標到儀器的精確距離r，方位編碼器和俯仰編碼器測角系統(tǒng)分別測出目標方位角A和俯仰角E，通過極坐標與直角坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得目標的空間直角坐標[2]。根據(jù)激光跟蹤儀工作原理，本課題設(shè)計了“角錐+PSD”光電探測瞄準，“調(diào)理+FPGA”信號處理，“DSP+伺服”快速跟蹤控制的光電瞄準與定位系統(tǒng)技術(shù)方案。采用光斑位置檢測法，利用物體移動時造成PSD探測器上的測量光斑位置發(fā)生相應(yīng)改變的原理，進行實時跟蹤與定位，適合靜態(tài)精確瞄準和動態(tài)快速跟蹤測量的場合。

系統(tǒng)工作過程如圖2所示，激光器發(fā)出的測量光束通過跟蹤反射鏡射向目標靶鏡，用于測量和跟蹤的目標靶鏡是一個內(nèi)嵌角錐棱鏡的光學(xué)反射器，跟蹤頭內(nèi)部的激光器發(fā)出的激光束通過光學(xué)鏡組照射到跟蹤反射鏡上，跟蹤反射鏡反射后照射到光學(xué)反射器角錐頂點上，經(jīng)目標靶鏡反射后，光線平行于原光束返回，到達分光鏡后一部分激光束被反射到PSD位置探測器上，另一部份進入激光干涉儀進行距離干涉測量。進入PSD的光束用于對目標靶鏡的跟蹤，當光束進入跟蹤球中心位置時，返回光束相對于入射光束沒有位置偏移，PSD輸出信號為0，此時控制系統(tǒng)處于靜態(tài)平衡狀態(tài)；當目標靶鏡移動時，返回光束相對于入射光束產(chǎn)生位置偏差，位置探測器輸出偏差電流信號，通過控制算法解算，輸出控制信號驅(qū)動伺服電機帶動跟蹤反射鏡旋轉(zhuǎn)，改變進入目標靶鏡的光束方向，使偏差信號減小，實現(xiàn)對目標的跟蹤。

圖2 系統(tǒng)工作原理示意圖

3 光電瞄準探測光路

圖3 光電瞄準探測光路

4 PSD誤差補償與信號處理

對于二維 PSD，由Lucovsky 方程的解析解可以得出電極光電流的解析表達式。光斑位置坐標與電極光電流關(guān)系的實際表達式與PSD 的位置計算式(1)存在非線性誤差，所以按照式(1)計算光斑位置會產(chǎn)生枕形非線性失真，如圖4所示。圖中虛線表示實際的光斑位置，實線表示根據(jù)式(1)得到的計算光斑位置。需要進行誤差修正。常用的非線性修正方法主要是插值法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]。設(shè)計采用數(shù)學(xué)校正的方法，將PSD和光源放置在相互平行的兩個導(dǎo)軌上，使光源沿平行于PSD光敏面的方向運動，光源每次位移確定的量，測得PSD的輸出曲線，用最小二乘法擬合該曲線，得到的擬合曲線即認為是修正了非線性誤差的PSD輸出[7-8]。修正后的PSD只在四個頂角附近存在較大的非線性，在中央大部區(qū)域的線性度非常好。A 區(qū)內(nèi)的均方根誤差小于2 μm，均方根非線性小于 0．1%；B 區(qū)內(nèi)的均方根誤差小于6 μm，均方根非線性小于 0．1%。

圖4 PSD非線性網(wǎng)格圖

實際工作環(huán)境下，背景光和環(huán)境溫度變化帶來的暗電流，對PSD探測精度影響較大。除了采取光學(xué)濾波法外，還采用了采樣-保持法，即分別測出信號光源和背景光單獨作用下的PSD 響應(yīng)，將背景光和暗電流的影響消除。

入射光斑通過光學(xué)系統(tǒng)后，照射到PSD靶面上，探測器將光斑的位置信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后被FPGA獲取，F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)進行運算處理后，得到光斑在X和Y方向的位置。最后，F(xiàn)PGA以異步串行的方式通過LVDS發(fā)送器將X方向和Y方向的位置數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP進行計算和跟蹤伺服控制。信號調(diào)理電路部分包括 I/V(電流/電壓)轉(zhuǎn)換、濾波電路、二級放大電路等幾部分。電流信號經(jīng)調(diào)理后轉(zhuǎn)化成電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換[9-10]。

在儀器裝調(diào)過程中，由于機械機構(gòu)、光路系統(tǒng)在安裝過程中難以達到理想狀態(tài)，使得真正的激光視軸跟蹤零點和PSD的幾何中心存在一定的偏差。項目設(shè)計采用像旋法進行補償修正，通過將靶球安裝到跟蹤儀豎軸旋轉(zhuǎn)軸上，旋轉(zhuǎn)豎軸，觀察并微調(diào)整靶球位置直到PSD表面探測光斑為圓形分布，對PSD光斑偏移位置數(shù)值進行計算擬合，求出光斑圓形軌跡的圓心，從而得到實際的PSD跟蹤零點，實現(xiàn)激光跟蹤控制過程即為激光脫靶量的歸零過程。

5 系統(tǒng)測試

搭建了目標位移量標準測試平臺，對樣機光電瞄準系統(tǒng)探測信號進行測試。實驗環(huán)境為室內(nèi)夜晚，位移平臺選用M-112．1DG 高精度電機驅(qū)動位移平臺，行程 25 mm，精度為 1 μm。目標靶鏡固定在位移平臺，距離跟蹤儀反射鏡1 m，調(diào)整測試平臺以使反射鏡出射光束基本與目標靶鏡平行。分別以勻速固定步長和動態(tài)變化速度控制位移平臺使目標靶鏡移動，上位機接收處理器輸出的位移信號數(shù)據(jù)。

5．1 定位瞄準測試

以 0．1 mm為步長，分別勻速運行0～1 mm距離，然后定位靜態(tài)測量，進行了 10 組測試。測得數(shù)據(jù)結(jié)果用MATLAB軟件進行處理，誤差分布圖如圖5所示。

圖5 靜態(tài)瞄準測試誤差分布

由5圖可知，PSD 的最大靜態(tài)位置測量誤差在 6 μm 以內(nèi)，達到激光跟蹤儀的使用精度要求。

5．2 動態(tài)跟蹤測試

目標靶鏡固定在平臺移動導(dǎo)軌座上，與激光跟蹤儀對準后，沿著導(dǎo)軌左右隨意變化速度移動靶鏡，進行跟蹤測量。經(jīng)測試，在一定速度變化下，能夠保證跟蹤儀始終跟蹤目標，記錄靶鏡位置坐標值的移動速度如圖6所示。

圖6 靶球移動測試速度曲線

從靶球移動速度數(shù)據(jù)中可以看出，在靶球移動的(線)速度≤1 m/s時，激光跟蹤儀能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)跟蹤測量。實際使用時，被測物體距離激光測量儀一般約1 m以外，所以該指標能夠滿足實際使用需求。

6 結(jié)論

基于PSD光電位置傳感器對激光跟蹤儀的光電瞄準和跟蹤定位控制技術(shù)進行了分析研究與設(shè)計，提出了光電瞄準控制方案，設(shè)計了探測光路和信號處理電路，搭建了跟蹤實驗系統(tǒng)，進行了PSD誤差補償修正與信號處理。在暗室的穩(wěn)定光學(xué)平臺上開展了近距離實驗，經(jīng)過實際樣機測試，靜態(tài)定位測量精度達到6 μm，隨機動態(tài)跟蹤測量速度大于1 m/s，跟蹤定位測量結(jié)果穩(wěn)定。

[1] 周維虎,丁蕾，王亞偉，等．光束平差在激光跟蹤儀系統(tǒng)精度評定中的應(yīng)用．光學(xué)精密工程,2012,20(4)：851-856．

[2] 周維虎,崔惠絨,丁金濱，等．基于激光跟蹤儀的天基望遠鏡安裝測量技術(shù)．紅外與激光工程,2008，37(Z)：250-252．

[3] 張曉芳，俞信，蔣誠志，等．位置敏感探測器PSD 特性的試驗研究．儀器儀表學(xué)報,2003,24(4)：250-252．

[4] 尚鴻雁，張廣軍．不同光源模式下位置敏感探測器響應(yīng)特性分析．光電工程，2005，32(1)：93-96．

[5] 朱明珠，陳培峰，周保玉．激光位置檢測中PSD的誤差分析與實驗研究．光電子技術(shù)與信息，2006,19(3):10-14．

[6] 管炳良,李星,王?。SPSD非線性修正技術(shù)研究．儀器儀表學(xué)報,2007,28(7)：1295-1299．

[7] 周維虎，費業(yè)泰，李百源，等．激光跟蹤儀幾何誤差修正．儀器儀表學(xué)報,2002，23(1)：56-63．

[8] BARONTI F，LAZZERI A，RONCELLA R，et al．FPGA/DSP-based implementation of a high-performance multi-channel counter．Journal of System Architecture，2009，55(10):310-316．

[9] 宋殿友．精密PSD微位移在線測量技術(shù)的研究與應(yīng)用：[學(xué)位論文]．天津：天津大學(xué)，2012．

[10] IQBAL S，GUALINI M M S，ASUNDI A．Measurement accuracy of lateral-effect．position-sensitive devices in presence of stray illumination noise．Sensors and Actuators A,2008,143 :286-292．

Application and Research of Laser Tracker’s Optoelectronic Aiming Technology Based on PSD

LIU Jiao-yue1,YANG Ju-qing2,3,DONG Deng-feng3

(1．Henan Polytechnical Institute，Nanyang 473009，China;2．Collage of Applied Science,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China．3．Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Science,Beijing 100094,China)

Optoelectronic aiming and positioning technology is the key technology of space moving target’s dynamic tracking measurement,it plays a role of target acquisition and motion position deviation’s accurate aiming．Laser tracker’s optoelectronic aiming and target control scheme were analyzed and designed based on photoelectric position sensor (PSD),optoelectronic aiming control scheme was presented,detection optical path was designed,and PSD error correction and signal processing were analyzed．Through actual prototype tests,system’s static positioning measurement precision reached 6?m,and the stochastic dynamic tracking measurement speed was greater than 1 m/s．

optoelectronic aiming;PSD;optical route detecting

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2011YQ120022)；中國科學(xué)院科研裝備研制項目(090206A01Y)；北京工業(yè)大學(xué)研究生科技基金項目(ykj-2014-11443)

2014-12-27

2015-03-05

TP273

A

1002-1841(2015)07-0098-03

劉嬌月(1974—)，副教授，碩士，主要研究方向為精密儀器、機電一體化技術(shù)及應(yīng)用等。E-mail:15838706952@139．com 楊聚慶(1972—)，副教授，在讀博士，主要研究方向為光電檢測與控制及激光跟蹤測量技術(shù)等。E-mail:nyyjq@139．com