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(shí)驗(yàn)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(guó)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(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(guó)科學(xué)院光電研究院，北京 100094)

光電瞄準(zhǔn)與定位技術(shù)是空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，起到目標(biāo)捕獲與運(yùn)動(dòng)位置偏差精確指向作用?；诠怆娢恢脗鞲衅?PSD)對(duì)激光跟蹤儀的光電瞄準(zhǔn)和跟蹤定位控制技術(shù)進(jìn)行了分析研究與設(shè)計(jì)，提出了光電瞄準(zhǔn)控制方案，設(shè)計(jì)了探測(cè)光路，分析了PSD誤差修正與信號(hào)處理。經(jīng)過實(shí)際樣機(jī)測(cè)試，靜態(tài)定位測(cè)量精度達(dá)到6 μm，隨機(jī)動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量速度大于1 m/s。

光電瞄準(zhǔn)；PSD；探測(cè)光路

0 引言

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

激光跟蹤儀光電瞄準(zhǔn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)空間坐標(biāo)精確測(cè)量和空間運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到儀器的整體測(cè)量精度和使用性能。激光跟蹤儀測(cè)量對(duì)象具有典型的空間隨動(dòng)目標(biāo)特性，通過采用空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)光電探測(cè)瞄準(zhǔn)和快速定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的精確跟蹤和精密測(cè)量。本課題依托激光跟蹤儀樣機(jī)研制，對(duì)基于光電位置傳感器(PSD)的瞄準(zhǔn)控制技術(shù)進(jìn)行了分析研究與應(yīng)用設(shè)計(jì)。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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。由于其測(cè)量精度高，光斑位置的微小變化都會(huì)引起輸出電壓值的變化。在精度要求高、測(cè)量速度快的場(chǎng)合常選用 PSD 作為位置探測(cè)器件。

1 PSD定位探測(cè)原理

PSD是基于橫向光電效應(yīng)Lucovusky 方程的光電探測(cè)器件。它通過探測(cè)光強(qiáng)重心位置來測(cè)量光斑的位置與位移。文獻(xiàn)[3-4]用不同的方法證明了探測(cè)光斑的不對(duì)稱性、不規(guī)則性對(duì)PSD的即時(shí)探測(cè)精度幾乎沒有影響，測(cè)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(duì)電極分別位于 PSD 的光敏面和背面，相應(yīng)的光電流在兩個(gè)面流動(dòng)，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(cè)量精度可以說是最高的。這主要是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)使它更加類似于兩個(gè)一維 PSD，PSD的輸出信號(hào)與入射光點(diǎn)位置坐標(biāo)計(jì)算公式如下[5]：

X方向坐標(biāo)：

(1)

Y方向坐標(biāo)：

式中：PSD中心為坐標(biāo)原點(diǎn)；LX、LY分別為PSD信號(hào)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(jì)選用二維兩面型PSD位置傳感器，型號(hào)為S2-0003，光敏面為10 mm×10 mm。PSD上升時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間)的典型值為80 ns，最大值為200 ns，1/200 ns=5 MHz，A/D采樣時(shí)間及濾波時(shí)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(zhǎng)632．8 nm，輸出功率為1 mW，根據(jù)光路計(jì)算分析，到達(dá)PSD探測(cè)器靶面上的光功率約為300 μW。

2 光電瞄準(zhǔn)控制方案

激光跟蹤儀工作時(shí)，激光測(cè)距系統(tǒng)獲得目標(biāo)到儀器的精確距離r，方位編碼器和俯仰編碼器測(cè)角系統(tǒng)分別測(cè)出目標(biāo)方位角A和俯仰角E，通過極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得目標(biāo)的空間直角坐標(biāo)[2]。根據(jù)激光跟蹤儀工作原理，本課題設(shè)計(jì)了“角錐+PSD”光電探測(cè)瞄準(zhǔn)，“調(diào)理+FPGA”信號(hào)處理，“DSP+伺服”快速跟蹤控制的光電瞄準(zhǔn)與定位系統(tǒng)技術(shù)方案。采用光斑位置檢測(cè)法，利用物體移動(dòng)時(shí)造成PSD探測(cè)器上的測(cè)量光斑位置發(fā)生相應(yīng)改變的原理，進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與定位，適合靜態(tài)精確瞄準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)快速跟蹤測(cè)量的場(chǎng)合。

系統(tǒng)工作過程如圖2所示，激光器發(fā)出的測(cè)量光束通過跟蹤反射鏡射向目標(biāo)靶鏡，用于測(cè)量和跟蹤的目標(biāo)靶鏡是一個(gè)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(diǎn)上，經(jīng)目標(biāo)靶鏡反射后，光線平行于原光束返回，到達(dá)分光鏡后一部分激光束被反射到PSD位置探測(cè)器上，另一部份進(jìn)入激光干涉儀進(jìn)行距離干涉測(cè)量。進(jìn)入PSD的光束用于對(duì)目標(biāo)靶鏡的跟蹤，當(dāng)光束進(jìn)入跟蹤球中心位置時(shí)，返回光束相對(duì)于入射光束沒有位置偏移，PSD輸出信號(hào)為0，此時(shí)控制系統(tǒng)處于靜態(tài)平衡狀態(tài)；當(dāng)目標(biāo)靶鏡移動(dòng)時(shí)，返回光束相對(duì)于入射光束產(chǎn)生位置偏差，位置探測(cè)器輸出偏差電流信號(hào)，通過控制算法解算，輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)跟蹤反射鏡旋轉(zhuǎn)，改變進(jìn)入目標(biāo)靶鏡的光束方向，使偏差信號(hào)減小，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

圖2 系統(tǒng)工作原理示意圖

3 光電瞄準(zhǔn)探測(cè)光路

圖3 光電瞄準(zhǔn)探測(cè)光路

4 PSD誤差補(bǔ)償與信號(hào)處理

對(duì)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(dá)式。光斑位置坐標(biāo)與電極光電流關(guān)系的實(shí)際表達(dá)式與PSD 的位置計(jì)算式(1)存在非線性誤差，所以按照式(1)計(jì)算光斑位置會(huì)產(chǎn)生枕形非線性失真，如圖4所示。圖中虛線表示實(shí)際的光斑位置，實(shí)線表示根據(jù)式(1)得到的計(jì)算光斑位置。需要進(jìn)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(jì)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(gè)導(dǎo)軌上，使光源沿平行于PSD光敏面的方向運(yùn)動(dòng)，光源每次位移確定的量，測(cè)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(rèn)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(gè)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(shí)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(duì)PSD探測(cè)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(cè)出信號(hào)光源和背景光單獨(dú)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(cè)器將光斑的位置信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后被FPGA獲取，F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)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(jìn)行計(jì)算和跟蹤伺服控制。信號(hào)調(diào)理電路部分包括 I/V(電流/電壓)轉(zhuǎn)換、濾波電路、二級(jí)放大電路等幾部分。電流信號(hào)經(jīng)調(diào)理后轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[9-10]。

在儀器裝調(diào)過程中，由于機(jī)械機(jī)構(gòu)、光路系統(tǒng)在安裝過程中難以達(dá)到理想狀態(tài)，使得真正的激光視軸跟蹤零點(diǎn)和PSD的幾何中心存在一定的偏差。項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用像旋法進(jìn)行補(bǔ)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(cè)光斑為圓形分布，對(duì)PSD光斑偏移位置數(shù)值進(jìn)行計(jì)算擬合，求出光斑圓形軌跡的圓心，從而得到實(shí)際的PSD跟蹤零點(diǎn)，實(shí)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(cè)試

搭建了目標(biāo)位移量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)樣機(jī)光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室內(nèi)夜晚，位移平臺(tái)選用M-112．1DG 高精度電機(jī)驅(qū)動(dòng)位移平臺(tái)，行程 25 mm，精度為 1 μm。目標(biāo)靶鏡固定在位移平臺(tái)，距離跟蹤儀反射鏡1 m，調(diào)整測(cè)試平臺(tái)以使反射鏡出射光束基本與目標(biāo)靶鏡平行。分別以勻速固定步長(zhǎng)和動(dòng)態(tài)變化速度控制位移平臺(tái)使目標(biāo)靶鏡移動(dòng)，上位機(jī)接收處理器輸出的位移信號(hào)數(shù)據(jù)。

5．1 定位瞄準(zhǔn)測(cè)試

以 0．1 mm為步長(zhǎng)，分別勻速運(yùn)行0～1 mm距離，然后定位靜態(tài)測(cè)量，進(jìn)行了 10 組測(cè)試。測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果用MATLAB軟件進(jìn)行處理，誤差分布圖如圖5所示。

圖5 靜態(tài)瞄準(zhǔn)測(cè)試誤差分布

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

5．2 動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)試

目標(biāo)靶鏡固定在平臺(tái)移動(dòng)導(dǎo)軌座上，與激光跟蹤儀對(duì)準(zhǔn)后，沿著導(dǎo)軌左右隨意變化速度移動(dòng)靶鏡，進(jìn)行跟蹤測(cè)量。經(jīng)測(cè)試，在一定速度變化下，能夠保證跟蹤儀始終跟蹤目標(biāo)，記錄靶鏡位置坐標(biāo)值的移動(dòng)速度如圖6所示。

圖6 靶球移動(dòng)測(cè)試速度曲線

從靶球移動(dòng)速度數(shù)據(jù)中可以看出，在靶球移動(dòng)的(線)速度≤1 m/s時(shí)，激光跟蹤儀能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量。實(shí)際使用時(shí)，被測(cè)物體距離激光測(cè)量?jī)x一般約1 m以外，所以該指標(biāo)能夠滿足實(shí)際使用需求。

6 結(jié)論

基于PSD光電位置傳感器對(duì)激光跟蹤儀的光電瞄準(zhǔn)和跟蹤定位控制技術(shù)進(jìn)行了分析研究與設(shè)計(jì)，提出了光電瞄準(zhǔn)控制方案，設(shè)計(jì)了探測(cè)光路和信號(hào)處理電路，搭建了跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了PSD誤差補(bǔ)償修正與信號(hào)處理。在暗室的穩(wěn)定光學(xué)平臺(tái)上開展了近距離實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)際樣機(jī)測(cè)試，靜態(tài)定位測(cè)量精度達(dá)到6 μm，隨機(jī)動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量速度大于1 m/s，跟蹤定位測(cè)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(píng)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(yuǎn)鏡安裝測(cè)量技術(shù)．紅外與激光工程,2008，37(Z)：250-252．

[3] 張曉芳，俞信，蔣誠(chéng)志，等．位置敏感探測(cè)器PSD 特性的試驗(yàn)研究．儀器儀表學(xué)報(bào),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(cè)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(cè)中PSD的誤差分析與實(shí)驗(yàn)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(bào),2007,28(7)：1295-1299．

[7] 周維虎，費(fèi)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(bào),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(cè)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(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2011YQ120022)；中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制項(xiàng)目(090206A01Y)；北京工業(yè)大學(xué)研究生科技基金項(xiàng)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?yàn)榫軆x器、機(jī)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?yàn)楣怆姍z測(cè)與控制及激光跟蹤測(cè)量技術(shù)等。E-mail:nyyjq@139．com