楊志丹 ， 王 縝

（1 海裝天津局 北京 100076；2 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所 北京 100076）

0 引言

在海洋中測量，船舶上經(jīng)常使用測量方位的監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備要實時監(jiān)測目標(biāo)的方位角度變化。大部分高精度的監(jiān)測設(shè)備是靜態(tài)下的檢測，而海洋測量是船舶在航行的動態(tài)條件下監(jiān)測，目前動態(tài)條件下角度監(jiān)測的精度不高。本文提出采用CCD電子技術(shù)為核心，通過光、機(jī)、電的有機(jī)結(jié)合實現(xiàn)方位角度的實時動態(tài)高精度測量。

1 設(shè)計方案及實現(xiàn)

1.1 總體方案

本系統(tǒng)由兩部分組成：測量部分和控制部分。如圖1所示。

1.2 結(jié)構(gòu)原理

激光光源發(fā)出的光經(jīng)分光鏡一、調(diào)焦鏡、分光鏡二、物鏡至被測棱鏡，其中一路光經(jīng)過物鏡、分光鏡二至光電耦合器（CCD），另一路光經(jīng)物鏡、分光鏡二、調(diào)焦鏡、分光鏡一至目鏡。被測棱鏡與光軸之間的夾角θ可在目鏡處觀察該角度，同時通過CCD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)計算機(jī)處理在顯示器上顯示該角度，精確到秒級。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

該儀器涉及光學(xué)、機(jī)械和電子技術(shù)，實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)原理示意圖

1.3 光電測角原理

該檢測儀器的光源發(fā)出的光會聚在狹縫上，狹縫在物鏡焦面上，經(jīng)過分光棱鏡一并通過物鏡變成一束平行光。如果平面反射鏡法線與物鏡主光軸平行，平行光經(jīng)反光鏡原路返回會聚在物鏡焦點X0處。此時采集CCD的像素位置，作為檢測儀的電零位。當(dāng)平面反光鏡偏轉(zhuǎn)一個角度A時，平行光返回后會聚在物鏡焦面Xl上。

根據(jù)光學(xué)原理,有下面關(guān)系式：

如果精確測量出此時光斑在CCD上的位置Xl，就可以計算出偏移量L,從而根據(jù)公式計算出反光鏡的偏轉(zhuǎn)角A，實現(xiàn)測角功能，如圖3所示。

圖3 測角原理示意圖

CCD（Charge Coupled Device）又稱為電荷耦合器件，是在半導(dǎo)體材料上精確刻度了光敏感像素，兩兩相鄰的像素具有相同的間距（就像一把直尺上的刻線）。每個像素都是一個光電敏感部件，它能將接收的光能量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電荷并存貯。如圖9所示的CCD光敏面局部放大。在轉(zhuǎn)移時鐘的驅(qū)動下，CCD按照像素的排列順序依次輸出每個像素上存貯的電荷。CCD具有光電轉(zhuǎn)換、存貯和光電掃描的功能?？梢愿鶕?jù)每個像素輸出的信號，確定光斑在CCD上的像素位置，再通過光能量積分確定光斑的中心位置，進(jìn)而解算出被測平面的轉(zhuǎn)動角度。

1.4 測角電路

測角電路電原理圖如圖4所示。

圖4 測角電路電原理圖

通過配置CPU的管腳，使T1PWM輸出如圖5的場同步信號，使T2PWM輸出如圖4的主時鐘信號，主時鐘信號通過計數(shù)器54HCT161四分頻后，得到如圖5的CCD時鐘信號。A/D時鐘信號是通過54HCT161二分頻后得到的，與CCD時鐘嚴(yán)格同步。A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計成自動轉(zhuǎn)換模式，通過A/D時鐘觸發(fā)，轉(zhuǎn)換后的A/D數(shù)據(jù)自動輸出。A/D時鐘和A/D數(shù)據(jù)與CCD驅(qū)動時鐘對應(yīng)關(guān)系見圖5。

圖5 時鐘信號時序

1.5 具體實現(xiàn)過程

硬件測角電路分析， CCD測角的軟件模塊共兩個：一個是初始化模塊；一個是讀CCD信號模塊。

初始化模塊涉及CCD部分的流程圖如圖6所示。設(shè)備開機(jī)或軟件復(fù)位后，首先置IOPC7管腳低電平，使54HCT161計數(shù)器復(fù)位，即54HCT161所有輸出管腳均為低電平狀態(tài)。其次，配置T1PWM和T2PWM管腳為輸出可編程脈寬調(diào)制管腳，并使二者同步輸出，設(shè)置CPU內(nèi)部計數(shù)器T1、T2，使計數(shù)器周期和相位滿足圖5的要求。最后，同時啟動計數(shù)器T1、T2開始計數(shù)，并對應(yīng)選通T1PWM和T2PWM的輸出，給外部CCD芯片提供驅(qū)動時鐘。

讀CCD信號模塊的流程圖如圖7所示。軟件首先檢測場同步信號的下降沿，之后按照A/D時鐘的速率，以嚴(yán)格的程序執(zhí)行時間來讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，像素計數(shù)器記錄對應(yīng)于A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的CCD像素位置。讀CCD信號模塊實現(xiàn)的時序如圖5所示。圖中軟件讀數(shù)據(jù)時序（D0、D1、……，S1、S2、……S1024）與CCD信號輸出是一一對應(yīng)的。

2 精度分析

通過光學(xué)基準(zhǔn)傳遞、光電測量控制、動態(tài)數(shù)據(jù)合成，然后傳遞給計算機(jī)，實現(xiàn)實時動態(tài)方位角度測量。因此，精度主要由光傳遞精度、動態(tài)數(shù)據(jù)處理精度組成。這里重點討論動態(tài)數(shù)據(jù)處理精度，它由船舶姿態(tài)信號采集時刻和CCD信號采集時刻的不同步誤差、采樣點積分誤差、船舶姿態(tài)信號采集時刻與測量信號發(fā)出時刻不同步誤差組成。

圖6 初始化流程

圖7 讀信號流程

2.1 動態(tài)數(shù)據(jù)處理精度

2.1.1動態(tài)數(shù)據(jù)時序關(guān)系處理誤差

船舶慣導(dǎo)信號輸出及CCD測角信號處理的時序關(guān)系見圖8。

圖中：

t1: 船舶姿態(tài)信號采集時刻到同步信號有效輸出的間隔時間，小于300μs；圖中：

圖8 慣導(dǎo)信號與CCD信號時序關(guān)系

t2：船舶姿態(tài)信號在線路上的通信時間，通過通信波特率和幀字節(jié)數(shù)可計算出通信時間， t2=6.875ms；

t3：微處理器接收到船舶姿態(tài)同步信號，到檢測到CCD場同步信號的間隔時間，不大于CCD場時鐘周期（2ms）；

t4：CCD信號采集及處理時間，不大于2ms；

t5：被測平面鏡偏差角計算及結(jié)果判斷時間，不大于2ms。

2.1.2 船舶姿態(tài)信號采集時刻和CCD信號采集時刻不同步產(chǎn)生的最大計算誤差

兩個數(shù)據(jù)不同步時間為t1與t3之和，橫搖最大角速度1.5°/s，縱搖最大角速度1.0°/s，航向變化最大角速度0.4°/s, 最大橫搖角4.5°，最大縱搖角5.0°。

CCD實時測出被測平面鏡法線與光管光軸的夾角(在大地水平面投影(t) ，微處理器接收船舶姿態(tài)角信息，計算出船舶的搖擺對基準(zhǔn)光線在水平方位上的偏差ΔR(t)，用ΔR(t)對(t) 進(jìn)行修正，便得出被測平面鏡法線與基準(zhǔn)光線的夾角 Δ(t)：

測角偏差角ΔR修正算法：

式中：R為船舶的橫搖角速度；P為船舶的縱搖角；t為信號不同步時間。

船舶姿態(tài)信號采集時刻和CCD信號采集時刻的不同步，兩個數(shù)據(jù)不同步時間為t1與t3兩者之和，若橫搖最大角速度1.5°/s，最大縱搖角5.0°，產(chǎn)生的測角偏差角修正ΔR最大計算誤差簡化為：

2.1.3 CCD信號采集及處理誤差

在CCD的積分時間T內(nèi)，載有被測信號的光點從XO運動到XL，這兩點的中點位置即是采樣點，如圖3所示。在實際測量中，以在積分時間內(nèi)光點掃過的線段中點對應(yīng)的位移為采樣點，它與積分時間中點對應(yīng)的位移的差值△L為信號采集處理誤差。

由于船舶、被測平面鏡均是動態(tài)的，相對CCD而言，ω角速度是偏航角、橫搖角、縱搖角及被測平面鏡轉(zhuǎn)動角角速度的合成，其值不易確定。在實際工作中，往往通過仿真確定誤差范圍，并通過實驗驗證。

本產(chǎn)品在偏航角幅值A(chǔ)H=0.7°，周期TH=8s；橫搖角幅值A(chǔ)R=3.5°，周期TR=4s；縱搖角AP=2°，TP=10s；被測平面鏡轉(zhuǎn)動角幅值A(chǔ)z=3°，周期Tz=3.5s時，測得其信號采集處理誤差為10.12″～13.51″。

2.1.4 船舶姿態(tài)信號采集時刻與準(zhǔn)直信號發(fā)出時刻不同步產(chǎn)生的誤差

兩個數(shù)據(jù)不同步時間為t1、t2與t5三者之和，若偏航角最大角速度不大于0.4°/s，則最大誤差為：

0.4 °×(t1+t2+t5)= 0.4°×(0.3+6.875+2)ms=13.21″

2.2 光傳遞誤差

CCD器件輸出電信號受光敏面上的光能量即曝光量的影響，因此與光敏面的照度有關(guān)，確定光斑在CCD上的幾何中心是通過光敏面上光能量分布進(jìn)行積分求出能量中心在CCD上的位置。如圖9所示，光斑2、3在光敏面上的能量分布分別為4、5 。光傳遞誤差主要有兩種情況形成。一種情況是光斑切割等原因?qū)е鹿饽芊植疾痪鶆?，?dǎo)致的誤差，如圖9中的4為正常情況下光能量分布，5為照度不均情況下的能量分布，△x為實際測量值與真實光斑中心的誤差。另一種情況是照度不匹配帶來的誤差，即當(dāng)照度過高導(dǎo)致曝光量超過飽和曝光量使描述的被測信號發(fā)生畸變，或當(dāng)照度過低導(dǎo)致曝光量低于CCD靈敏閥值使被測信號無法提取，導(dǎo)致小信號無輸出引起的被測信號發(fā)生畸變。

圖9 光能分布誤差示意圖

本產(chǎn)品中通過增加光闌、磨毛光源出光玻璃和鍍增透膜等光學(xué)設(shè)計減少光的分布不均勻，并通過采用可調(diào)半導(dǎo)體激光光源和添加濾光鏡等方法使曝光量控制在靈敏閾值和飽和曝光量之間。

本測角儀誤差計算公式：

式中：△為總誤差，σi為各誤差項。

經(jīng)分析計算和試驗檢測△為34～40″。

3 結(jié)束語

當(dāng)海況在三級以下、被測物角度變化頻率≤5Hz，本文研制的動態(tài)測角儀測角總誤差不大于40″。該儀器具有體積小、動態(tài)精度高、性能穩(wěn)定可靠等特點，適用于船舶等海上動態(tài)作業(yè)平臺上進(jìn)行實時角度測量。

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