空間載荷中利用調(diào)制光源去除PSD背景光影響的方法

楊魯新，董文博，2

（1.中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京100094；2.中國科學(xué)院空間應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

1 引言

位置敏感探測器（Position Sensitive Detector，PSD）是非接觸精密測量領(lǐng)域一種常用的光電感應(yīng)器件，基于非均勻半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)，可以將入射光點(diǎn)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的位置數(shù)據(jù)，具有分辨率高、線性度好、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范圍廣、工作電路簡單等特點(diǎn)［1］，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、武器制導(dǎo)與控制、空間光電設(shè)備及空間科學(xué)應(yīng)用載荷。近幾年我國載人航天事業(yè)飛速發(fā)展，空間科學(xué)應(yīng)用研究進(jìn)步顯著，在各種空間應(yīng)用精密控制載荷中，PSD都發(fā)揮了重要的作用，例如主動(dòng)減振裝置的相對位姿測量［2?3］、微弱振動(dòng)檢測［4?5］、機(jī)器人手臂的三維位姿測量［6?7］等。但是在測量過程中，PSD的測量精度往往受到背景光的影響［1?3］。背景光照射到PSD上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光電流，并疊加到有效信號上，使得光斑測算位置偏離正常值。所以PSD一般用于較暗的環(huán)境或者專門制作的暗箱，增大了工作量，增加了成本，應(yīng)用范圍受到了限制。

目前消除背景光影響的方法大致有兩種：光學(xué)法和電學(xué)法。光學(xué)法一般是在PSD上加裝與光源的頻段匹配的濾光片，可以濾掉大部分背景光［1］。但有時(shí)候背景光與光源的頻段相同，因此用電學(xué)法去解決。具體的，可以通過加反偏電流的方法來消除背景光和暗電流的影響［2］，也有人利用多光束相位法進(jìn)行檢測［8］。在這些措施的基礎(chǔ)上，還可以通過軟件濾波的方法從頻域上改善精度位移測量的性能［9?10］。

本文對電學(xué)法展開研究，通過光源調(diào)制和信號處理的手段，提出一種能夠有效抑制背景光的PSD位置檢測系統(tǒng)概念。與加固定反偏電流消除背景光和暗電流的方法不同，該方法將光源調(diào)制為脈沖光信號，從而實(shí)現(xiàn)對背景光進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測和消除，以期可以適用于背景光變化的場景，從而擴(kuò)大PSD的應(yīng)用范圍，并保留比多光束相位法硬件結(jié)構(gòu)更簡單、信號處理誤差更小、測量精度更高的優(yōu)點(diǎn)。

2 利用光源消除背景光影響的方法

2.1 PSD結(jié)構(gòu)及測量方法

本系統(tǒng)選用圖1所示四邊形結(jié)構(gòu)二維PSD（45 mm ×45 mm），工藝簡單，暗電流小，易于加反向偏置，但電極間相互影響，非線性失真較大。由于近中心區(qū)域線性度較好，故檢測區(qū)域設(shè)定在近中心區(qū)域（20 mm×20 mm）內(nèi)，以減小非線性誤差。

圖1 PSD原理示意圖Fig．1 Schematic diagram of PSD

以中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則該P(yáng)SD光點(diǎn)位置的解算公式如式（1）：

式中，I1～I(xiàn)4分別為四個(gè)電極輸出的對應(yīng)電流值，L為PSD的邊長。

2.2 消除背景光影響的方法

背景光所產(chǎn)生的誤差是由于背景光照射到PSD上，產(chǎn)生相應(yīng)的光電流，疊加到光源所產(chǎn)生的光電流上，使得采集的信號高于正常值，最終導(dǎo)致解算位置的偏差。

本系統(tǒng)采用采樣?保持的思想，首先將光源調(diào)制為一定頻率的脈沖光信號，PSD的響應(yīng)信號則為脈沖電信號。在響應(yīng)信號的高電平和低電平處分別進(jìn)行采樣，高電平處采集的信號為光源和背景光疊加產(chǎn)生的信號，低電平處采集的信號為背景光產(chǎn)生的信號。將兩組數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）后，由 DSP 對兩組數(shù)據(jù)對應(yīng)做差值，得到四個(gè)電極去除背景光成分的實(shí)際位置電壓值。為了測量的準(zhǔn)確性，需將其進(jìn)行平均值濾波，然后經(jīng)式（1）解算，從而得到光斑坐標(biāo)。

此方法適用于背景光強(qiáng)度變化頻率小于100 Hz的場景。本文所進(jìn)行的試驗(yàn)，背景光由日光燈產(chǎn)生，發(fā)光頻率為100 Hz，其他低于該頻率的場景均可應(yīng)用本文所提出的方法。

3 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分主要由光源及驅(qū)動(dòng)電路、PSD探測器、采集調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、DSP和PC機(jī)等幾部分構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于PSD光敏面近中心區(qū)域的線性度較好，故本系統(tǒng)選擇光敏面較大的sitek公司的2L45＿SU24型PSD，有效光敏面為45 mm×45 mm，非線性誤差僅為0.3%，從而保證測量的線性度和準(zhǔn)確性。下面將詳細(xì)介紹各部分的設(shè)計(jì)思路。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig．2 System block diagram

3.1.1 調(diào)制光源及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

PSD所用的光源主要有發(fā)光二極管（Light E?mitting Diode，LED）和激光二極管（Laser Diode，LD）兩種。LED驅(qū)動(dòng)控制簡單，亮度可通過限流電阻大小進(jìn)行控制，價(jià)格便宜，體積小，重量輕，但能量不集中，光線發(fā)散，照明距離有限。相反，LD能量集中，光斑小，照明距離長，但驅(qū)動(dòng)控制復(fù)雜，亮度無法控制，溫度敏感，熱穩(wěn)定性差。試驗(yàn)場景中以日光燈模擬背景光環(huán)境。日光燈由50 Hz正弦電信號驅(qū)動(dòng)，發(fā)光頻率為100 Hz，其光譜為非連續(xù)光譜，光譜能量主要集中在可見光波段，而在紅外波段也有少量能量分布。綜合考慮，我們選用一種高會(huì)聚率LED，其帶有聚焦透鏡，光線指向性小于2%。該二極管光源響應(yīng)時(shí)間為10 μs，波長主要集中在800 nm～900 nm之間，屬于紅外波段。因此系統(tǒng)在PSD上配合使用紅外濾光片，該濾光片對800 nm～1600 nm的紅外光波段有90%的透過率，對400 nm～680 nm的可見光波段的透過率小于5%，而對680 nm～800 nm的近紅外波段的透過率約為40%，因此可與濾除大部分的背景光，而對光源基本沒有影響。

由于DSP的IO口負(fù)載能力較弱，故設(shè)計(jì)圖3所示的三極管驅(qū)動(dòng)電路，以實(shí)現(xiàn)DSP對光源的快速控制。

圖3 光源驅(qū)動(dòng)電路Fig．3 LED driving circuit

圖中，DSP?A2接口接 DSP的控制管腳，D1為發(fā)光二極管，R1為限流電阻，通過改變其大小可以改變發(fā)光二極管的亮度。

3.1.2 信號采集調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于PSD輸出的是微弱的電流信號，不能夠被A／D直接采集，故設(shè)計(jì)電流電壓轉(zhuǎn)換及放大電路將其轉(zhuǎn)換為易測量的電壓信號。隨后由DSP驅(qū)動(dòng)AD進(jìn)行采集，進(jìn)行平均濾波及位置解算。PSD共有四路電流輸出，以其中一路為例，采集調(diào)理電路如圖4所示。

圖中，Port1端口連接PSD的引腳1，AIN0端口連接AD的AIN0通道。

圖4 信號調(diào)理電路Fig．4 Signal conditioning circuit

3.1.3 A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)及DSP選型

由于本系統(tǒng)對精度和速度的要求較高，為了同時(shí)保證精度和轉(zhuǎn)換速率，本系統(tǒng)選用了德州儀器公司的24 bit的ADS1258作為本系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換芯片，其采用SPI通信，固定通道轉(zhuǎn)換速率125 kSPS，自動(dòng)通道掃描模式下，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到23.7 kSPS，滿足的本系統(tǒng)的需求。根據(jù) TI公司 ADS1258 的 datasheet［11］設(shè)計(jì)圖 5 所示電路。

圖5 A／D轉(zhuǎn)換電路Fig．5 A／D converting circuit

DSP主控選用德州儀器公司專門面向控制領(lǐng)域的TMS320 F2812，主頻150 MHz，32位中央處理器，外設(shè)資源豐富。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要是DSP主控程序的編寫，其主要任務(wù)包括：光源的控制與調(diào)制程序的編寫、ADS1258驅(qū)動(dòng)采集與通信程序的編寫、DSP與PC機(jī)串口通信程序的編寫。

系統(tǒng)整體控制思路如下：首先初始化系統(tǒng)外設(shè)、接口、定時(shí)器等，使定時(shí)器每2 ms產(chǎn)生一次中斷，標(biāo)志位置1；然后在主函數(shù)的無限循環(huán)語句中檢測該標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位為1時(shí)，進(jìn)入處理函數(shù)，重置該標(biāo)志位（置0），并在光源開啟和關(guān)閉的狀態(tài)下分別控制ADS1258掃描四個(gè)通道的電壓值，對應(yīng)相減得到四個(gè)通道的電壓差值；隨后進(jìn)行平均值濾波，帶入解算公式中即可得到光斑位置；最后通過串口發(fā)送函數(shù)將位置數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上顯示。主程序流程圖如圖6所示。

3.3 PSD標(biāo)定

由于PSD的放置存在一定的誤差及零偏差，即PSD移動(dòng)的坐標(biāo)系和零點(diǎn)與測量的坐標(biāo)系和零點(diǎn)不吻合，所以會(huì)產(chǎn)生解算位置的錯(cuò)位，造成測量誤差。此誤差可以通過最小二乘歸一化的方法對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，使得數(shù)據(jù)點(diǎn)的散點(diǎn)圖連線與坐標(biāo)軸平行［12］。 設(shè) PSD 標(biāo)定點(diǎn)的坐標(biāo)為（x，y），校正后的標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)為（x?，y?），則可設(shè)式（2）：

圖6 流程圖Fig．6 Flowchart of software

其中，a、b、c、d 為待估計(jì)參數(shù)，ek1、ek2為估計(jì)誤差。進(jìn)行L次測量后得到L個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以x?為例，對式（2）系統(tǒng)進(jìn)行最小二乘估計(jì)有式（3）：

根據(jù)式（3）即可估計(jì)得到待估計(jì)參數(shù)a和b，相同方法可得參數(shù)c和d，然后代入式（2）即可得到校正后的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

4 測試系統(tǒng)和測試結(jié)果

4.1 精度測試與分析

精度是指在同一條件下，同一位置處采集若干個(gè)點(diǎn)，位置偏移范圍的大小。此測試以PSD中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，在背景光下光源調(diào)制前與調(diào)制后分別選取四個(gè)位置，每個(gè)位置采集100個(gè)點(diǎn)來測試其精度并加以對比。圖中，橫縱坐標(biāo)為測試點(diǎn)在該坐標(biāo)系中的位置，圖示數(shù)據(jù)為未經(jīng)過標(biāo)定的原始數(shù)據(jù)。

4.1.1 光源未調(diào)制精度測試

在背景光下采用未調(diào)制光源，選?。ǎ? mm，3 mm）、（3 mm，3 mm）、（3 mm，－3 mm）、（ －3 mm，－3 mm）四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 光源未調(diào)制精度測試數(shù)據(jù)Fig．7 Precision test data without light modulation

由圖7可以看出，在光源未調(diào)制及背景光存在的環(huán)境下，四個(gè)位置的位移偏移范圍分別為70 μm ×140 μm，40 μm ×40 μm，45 μm ×70 μm，45 μm ×70 μm，其精度超過100 μm。

4.1.2 光源調(diào)制后精度測試

在背景光下采用調(diào)制光源，選?。ǎ? mm，3 mm）、（3 mm，3 mm）、（3 mm，－3 mm）、（ －3 mm，－3 mm）四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 光源調(diào)制后精度測試數(shù)據(jù)Fig．8 Precision test data with light modulation

由上圖可以看出，在調(diào)制光源及背景光存在的環(huán)境下，四個(gè)位置的位移偏移范圍分別為9 μm×13 μm，10 μm × 13 μm，10 μm × 12 μm，10 μm×15 μm，其精度可達(dá)到15 μm。

4.1.3 對比分析

在背景光存在條件下，使用未調(diào)制光源時(shí)，其精度超過100 μm，但光源經(jīng)過調(diào)制后，其精度可以達(dá)到15 μm，精度大大提高，說明本系統(tǒng)完全可以保證背景光下測量的精度。

4.2 線性度測試與分析

PSD的線性度是指PSD的實(shí)際位置與測量得到的位置之間的線性關(guān)系程度。同樣以PSD中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，其測試方法為：選取一定數(shù)量的點(diǎn)陣，把每個(gè)點(diǎn)的實(shí)際值與經(jīng)過標(biāo)定后的測量值進(jìn)行比較，取差值。利用精密位移臺，生成從（－9 mm，－9 mm）到（9 mm，9 mm）的49個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)（每3 mm一個(gè)），每個(gè)點(diǎn)取100次數(shù)據(jù)。利用Matlab標(biāo)定程序通過最小二乘法進(jìn)行標(biāo)定，確定線性誤差及標(biāo)定系數(shù)。

4.2.1 光源未調(diào)制線性度測試

當(dāng)光源未調(diào)制且有背景光存在時(shí)，經(jīng)過標(biāo)定后的測量點(diǎn)（紅色）與基準(zhǔn)點(diǎn)（藍(lán)色）如圖9所示。經(jīng)過計(jì)算得出，其平均線性誤差為48 μm，最大線性誤差為111 μm，標(biāo)定系數(shù)分別為 a＝1.6，b＝0.008，c＝0.004，d ＝1.648。

圖9 光源未調(diào)制線性度測試數(shù)據(jù)Fig．9 Linear test data without light modulation

4.2.2 光源調(diào)制后線性度測試

當(dāng)光源調(diào)制后且有背景光存在時(shí)，經(jīng)過標(biāo)定后的測量點(diǎn)（紅色）與基準(zhǔn)點(diǎn)（藍(lán)色）如圖10所示。經(jīng)過計(jì)算得出，其平均線性誤差為13 μm，最大線性誤差為36 μm，標(biāo)定系數(shù)分別為a＝1.072，b＝0，c＝0.003，d＝1.068。

圖10 光源調(diào)制后線性度測試數(shù)據(jù)Fig．10 Linear test data with light modulation

4.2.3 對比分析

對比可知，光源調(diào)制后，平均線性誤差由48 μm減小到 13 μm，最大線性誤差由 111 μm 減小到36 μm。采用調(diào)制光源后，本系統(tǒng)的線性誤差大大下降，說明本系統(tǒng)可以有效降低背景光下PSD的線性誤差。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的PSD測量系統(tǒng)借助光學(xué)手段和調(diào)制思想，用濾光片濾除可見背景光，并將光源調(diào)制為脈沖光，通過高精度A／D采集并由DSP進(jìn)行快速的差值、濾波、坐標(biāo)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了消除背景光的目的。試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)在背景光存在的條件下，精度可以達(dá)到15 μm，平均線性誤差僅為13 μm，最大線性誤差為36 μm，采樣周期為最小2 ms，可以完全去除背景光的影響，有效地提高相對位移的精度。另外，在消除背景光影響的同時(shí)，PSD的暗電流對測量結(jié)果的影響也可以得到有效抑制，進(jìn)一步提高了其測量精度。

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［1］ 黃梅珍.位置敏感探測器的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2001.Huang Meizhen.Study on Position Sensitive Detector［D］.Hangzhou： Zhejiang University， 2001.（in Chinese）

［2］ 羅軍，賈建援，張向峰.PSD在雙層主動(dòng)隔振系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 自動(dòng)化儀表， 2005， 26（4）： 32?34.Luo Jun， Jia Jianyuan， Zhang Xiangfeng.Application of PSD in two?layer active vibration isolation system［J］.Process Au?tomation Instrumentation， 2005， 26（4）： 32?34.（in Chi?nese）

［3］ 李宗峰.空間微重力環(huán)境下主動(dòng)隔振系統(tǒng)的三維位置測量［J］. 宇航學(xué)報(bào)， 2010， 31（6）： 1625?1629.Li Zongfeng.3D Position measurement of active vibration iso?lation system under space microgravity［J］.Journal of Astro?nautics， 2010， 31（6）： 1625?1629.（in Chinese）

［4］ 楊建軍，張俊，張龍，等.基于PSD的模型姿態(tài)角和振動(dòng)測量技術(shù)原理性研究［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2012，26（4）：79?83.Yang Jianjun， Zhang Jun， Zhang Long， et al.Principle and method research for optical measuring system of model attitude angle and vibration based on PSD［J］.Journal of Experiment in Fluid Mechanics， 2012， 26（4）： 79?83.（in Chinese）

［5］ 高經(jīng)伍，隋金雪，趙鳳華.PSD在弦振動(dòng)測量中的應(yīng)用［J］. 儀表技術(shù)與傳感器，2005，9：30?31.Gao Jingwu， Sui Jinxue， Zhao Fenghua.Application of PSD for vibration measure［J］.Instrument Technique and Sensor，2005， 9： 30?31.（in Chinese）

［6］ 劉興占，張令波，孫富春.利用PSD的柔性臂末端振動(dòng)測量系統(tǒng)［J］. 計(jì)量技術(shù)，2000（3）：10?13.Liu Xingzhan， Zhang Lingbo， Sun Fuchun.The vibration measurement system for the end of flexible arm based on PSD［J］.Measurement Technique， 2000（3）： 10?13.（in Chi?nese）

［7］ Blank S，Shen Y，Xi N，et al.High precision PSD guided robot localization： design， mapping， and position control［C］ ／／IEEE／RSJ Int’ l Conf.Intelligent Robots and Sys?tems.USA.Oct29.2007：52?57

［8］ 孫先逵.PSD相位法多光束同步檢測技術(shù)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2005.Sun Xiankui.Study on Technology of detecting Synchronously Multiple Light Beams based on Position?Sensitive Detector Phase Positioning Method［D］.Chongqing： Chongqing Uni?versity， 2005.（in Chinese）

［9］ 莫長濤，陳長征.二維PSD非線性修正共軛梯度算法［J］. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，24（5）： 507?509.Mo Changtao，Chen Changzheng.Conjugate gradient optimum algorithm of non?linear correction of two?dimension PSD［J］.Journal of Northeastern University， 2003， 24（5）： 507?509.（in Chinese）

［10］ Zhang F， Li Y，Li H，et al.Compensation method of PSD’s background light based on improved BP neural network［C］／／2012 International Symposium on Instrumentation ＆ Measure?ment， Sensor Network and Automation （ IMSNA）， Aug，2012： 151?153.

［11］ Texas Instruments.ADS1258： 16?channel， 24?bit analog?to?digital converter［EB／OL］. （2011）［2017］.http：／／www.ti.com／lit／ds／symlink／ads1258.pdf

［12］ 陳虎，董文博，呂世猛.精密PSD自動(dòng)標(biāo)定測試設(shè)備的研制和應(yīng)用［J］. 光學(xué)精密工程，2013，21（12）：200?206.Chen Hu， Dong Wenbo， Lv Shimeng.High?precision instru?ment for PSD calibration test［J］.Optics and Precision Engi?neering， 2013， 21（12）： 200?206.（in Chinese）