紅外高速測控鏈路計算仿真及其系統(tǒng)構(gòu)建研究

王凱麗,楊紅絹,竇云奇,鄭文琦,董言治

(煙臺大學(xué)光電信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,山東 煙臺 264005)

隨著高速芯片、高精度傳感器和信號處理等相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展,實時高速測控技術(shù)越來越顯示出其在交叉學(xué)科的重要地位．得益于實時、快速、高效、非接觸、高精度等優(yōu)點,實時高速測控系統(tǒng)能夠有效地獲取被測對象的位置以及姿態(tài)信息,也是尖端技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究課題,因此高速測控系統(tǒng)的研究具有重要的理論和實際應(yīng)用意義[1-4]．

在很多高精尖設(shè)備的復(fù)雜測試系統(tǒng)中,都要求能夠?qū)崟r數(shù)據(jù)分析,以便在任何一個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠及時地對測試目標(biāo)的行為做出反應(yīng)[5-6]．其中由于環(huán)境因素的限制,系統(tǒng)的鏈路會呈現(xiàn)出不同的特性,主要包括空間特性、時間特性和非對稱特性等[7-8]．近年來,有很多學(xué)者對系統(tǒng)鏈路進行了研究,現(xiàn)有的國內(nèi)外鏈路研究主要有基于鏈路特性的鏈路質(zhì)量評估方法、干擾條件下衛(wèi)星通信鏈路計算研究、地理位置對衛(wèi)星動中通鏈路影響的研究等[9-11]．

本文從系統(tǒng)的鏈路模型方面進行研究,通過對系統(tǒng)的鏈路模型的相關(guān)計算和系統(tǒng)信噪比與距離之間的關(guān)系,用理論計算鏈路為光源的選型提供了依據(jù),并且通過構(gòu)建系統(tǒng)模型用于實際操作,為后續(xù)類似工作提供了參考．

1 系統(tǒng)理論與仿真

1.1 鏈路模型

從輻射鏈路[12]這個角度來看,我們考慮一個視線(LOS)強度調(diào)制直接探測(IM/DD)的鏈路模型．同時,假設(shè)發(fā)射端包含一個或多個LEDs可以向半球空間內(nèi)發(fā)射光子,其輻照空間函數(shù)IS(d,φ)可由下式表達:

(1)

(2)

圖1 LED發(fā)射器與光電二極管(PD)組成的光學(xué)鏈路

對于位于(d,φ)位置的PSD接收器來講,其接收到的光功率PRX為

PRX=ISAeff,

(3)

對應(yīng)產(chǎn)生的光電流Ip為

Ip=RPRX.

(4)

一般來講,Aeff是發(fā)射光到達接收機表面的入射角度Ψ的函數(shù)．當(dāng)Ψ=0時,接收機正好指向發(fā)射機．假設(shè)接收機中的光電二極管的光感面積為A,光學(xué)濾波函數(shù)為TS(Ψ),光學(xué)天線增益為g(Ψ),那么對應(yīng)的有效面積Aeff(Ψ)為

Aeff(Ψ)=g(Ψ)TS(Ψ)Acos(Ψ),

(5)

對于給定頻譜寬度的LED,其發(fā)射光到達接收機表面的角度為ψ,Ts(ψ)為接收機的光學(xué)濾光系統(tǒng)的透過率,這里假定接收機的光學(xué)天線的為理想增益g(ψ),近似滿足如下關(guān)系:

(6)

一般來講,光學(xué)鏡頭滿足式(6)中描述的理想增益關(guān)系．如果沒有光學(xué)鏡頭,對應(yīng)n=1(自由空間),Ψc=90°,此時增益為1．

在自由空間的光學(xué)鏈路中,存在著許多潛在的噪聲源,對于室外系統(tǒng)來講,主要的噪聲源來自于同性環(huán)境光引起的散粒噪聲．接收機中的光學(xué)濾波器可以有效地降低環(huán)境光引起的噪聲,其效果相當(dāng)于一個帶通濾波器．假定該帶通濾波器的光譜寬度為Δλ,帶內(nèi)的透過率為Tn,帶外的透過率為0．我們還假設(shè)接收機的環(huán)境背景噪聲為白噪聲,即在帶通范圍內(nèi)恒定,并定義其光譜輻照度(每單位光電探測器面積的每單位光譜的光功率)為Pbg．使用理想的折射率為n的光學(xué)聚光器,入射到光電二極管上的環(huán)境光功率為

Pn=PbgΔλTnAn2.

(7)

(8)

式中:q是電子電荷,單位為C;B為接收機帶寬,單位為Hz;R為光電二極管的響應(yīng)度,單位為A/W．在這里,我們暫時忽略探測器的熱噪聲[13]．接收機的SNR為

(9)

此時,信號鏈路覆蓋范圍和主鏈路波束寬度如圖2所示.如果接收機距離小于或等于d0,接收機位于角度|φb|≤θa范圍內(nèi)保證鏈路連接Bb≥Bb0．Φ1/2,p為主鏈路波束寬度,Bb為接收機帶寬,Bb0為設(shè)計要求帶寬．

圖2 信號鏈路覆蓋范圍和主鏈路波束

1.2 SNR與距離之間的關(guān)系

一般來講,接收機的距離d0對接收機指向Ψb的敏感度取決于接收機鏡頭的光學(xué)天線增益gb(Ψb),光學(xué)濾波片透過率Ts,b(Ψb)和幾何因子cos(Ψb)．假定接收機允許的最大指向偏差為θa=45°．目標(biāo)LED發(fā)射器位于(x,y)=(0,0)的位置,并指向y軸正方向．LED的發(fā)射峰值功率為Pb=3 W,占空比為50%,因此平均發(fā)射功率為1.5 W．白天條件下的背景噪聲為Pbg=5.8 μW·nm-1·cm-2,接收機的光學(xué)濾波片的帶寬為Δλ=100 nm,透過率為Ts,b=Tn,b=0.8．硅基位置敏感探測器的響應(yīng)度R=0.6 A/W,有效面積為1 cm2,光學(xué)聚光器的折射率為n=1.5,接收機帶寬為B=150 kHz．

根據(jù)方程(9),基于上述條件,我們可以計算位置敏感探測器信噪比與探測距離之間的關(guān)系,并給出SNR與接收機相對發(fā)射機位置的函數(shù)關(guān)系,如圖3、4所示．

圖3 發(fā)射機與接收機完美對準(zhǔn)信噪比與傳輸距離關(guān)系(φb=0)

圖4 發(fā)射機與接收機之間存在45°偏差信噪比與傳輸距離關(guān)系(φb=45°)

圖3顯示了當(dāng)接收機正好指向發(fā)射機時(φb=0),SNR隨空間變化的等值線圖．圖4在同等條件下,當(dāng)接收機與發(fā)射機存在45°偏差時,SNR隨空間分布的情況．

從圖3與圖4的信噪比來看,在LED與PD的主軸角度為0時,在30m左右的位置,信噪比大約為30dB,如圖3所示;而在LED與PD的主軸角度為45°時,在30m左右的位置,信噪比大約在20dB,如圖4所示．從2幅圖的對比來看,在30m左右的距離,PSD的信噪比在20至30dB左右．

2 系統(tǒng)搭建

同步發(fā)光源高速識別系統(tǒng)框架如圖5所示,主要由靶標(biāo)控制器、靶標(biāo)(940nm激光發(fā)射源)、接收器(940nm)、接收控制器、波形顯示器、電源和VGA顯示器等設(shè)計組成．

圖5 同步發(fā)光源高速識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)靶標(biāo)控制器系統(tǒng) 靶標(biāo)控制器系統(tǒng)主要由顯示器模塊、FPGA處理系統(tǒng)、通信線纜、電源供電部分等組成,負(fù)責(zé)接收同步信號,進行解算、處理,然后根據(jù)編碼規(guī)則生成并發(fā)送靶標(biāo)控制信號,同時發(fā)送顯示模塊．

(2)靶標(biāo) 靶標(biāo)主要由3W940nm燈珠發(fā)射源組成,其功能為在靶標(biāo)控制器系統(tǒng)的控制信號下,輻射符合要求的光脈沖,脈沖閃爍頻率為200Hz,為系統(tǒng)的靶標(biāo)識別提供光源．

(3)光學(xué)系統(tǒng)和PSD器件PSD位置傳感器是一種能測量光點在探測器表面上連續(xù)位置的光學(xué)探測器,可將光敏面上的光點位置轉(zhuǎn)化為電信號．光學(xué)系統(tǒng)用于控制靶標(biāo)發(fā)射的光進入PSD器件的光通量,從而使PSD器件在正常范圍內(nèi)工作．

(4)接收處理器系統(tǒng) 接收器系統(tǒng)負(fù)責(zé)通過PSD器件接收靶標(biāo)發(fā)送的激光脈沖信號,并轉(zhuǎn)換成差分電信號經(jīng)由信號放大和調(diào)理電路預(yù)處理后,通過ADC模塊轉(zhuǎn)成數(shù)字信號輸入到FPGA處理系統(tǒng),利用內(nèi)嵌的算法和處理程序,解碼信號,給出定位光靶標(biāo)識別結(jié)果．

(5)波形顯示模塊 波形顯示模塊主要由VGA顯示器和多通道示波器組成,顯示接收處理器系統(tǒng)輸出的波形和判斷結(jié)果．

3 結(jié)果與討論

根據(jù)理論計算結(jié)果,系統(tǒng)選用3W的紅外光源,滿足了30m處的探測器的信噪比要求,實現(xiàn)了200Hz的數(shù)據(jù)刷新率,達到了系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)．

系統(tǒng)由合作靶標(biāo)、光電傳感器和處理器組成了超高速高動態(tài)三維位置姿態(tài)測量,利用紅外光信號信噪比和高速硬件達到立體視覺測量系統(tǒng)的精密標(biāo)定,實現(xiàn)了目標(biāo)的三維位置姿態(tài)測量．

本文從系統(tǒng)的鏈路模型方面進行研究,通過對系統(tǒng)的鏈路模型的相關(guān)計算和系統(tǒng)信噪比與距離之間的關(guān)系討論,為光源的選型提供了鏈路理論依據(jù),并且通過構(gòu)建系統(tǒng)模型用于實際操作,驗證了理論計算的正確性,為后續(xù)類似工作提供參考．

為了進一步提高紅外高速測控系統(tǒng)的精度和可靠性,下一步將分析影響標(biāo)定結(jié)果的精度和穩(wěn)定性的因素,并對光電采集系統(tǒng)進行誤差分析,以進一步提高性能指標(biāo)．