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        空間載荷中利用調(diào)制光源去除PSD背景光影響的方法

        2018-03-22 01:11:28楊魯新董文博
        載人航天 2018年1期
        關(guān)鍵詞:光源標定線性

        楊魯新,董文博,2

        (1.中國科學院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心,北京100094;2.中國科學院空間應(yīng)用重點實驗室,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,基于非均勻半導體的橫向光電效應(yīng),可以將入射光點轉(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[1],廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制、武器制導與控制、空間光電設(shè)備及空間科學應(yīng)用載荷。近幾年我國載人航天事業(yè)飛速發(fā)展,空間科學應(yīng)用研究進步顯著,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,例如主動減振裝置的相對位姿測量[2?3]、微弱振動檢測[4?5]、機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:光學法和電學法。光學法一般是在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]。但有時候背景光與光源的頻段相同,因此用電學法去解決。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,從而實現(xiàn)對背景光進行動態(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。

        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

        以中心點為坐標原點,則該PSD光點位置的解算公式如式(1):

        式中,I1~I4分別為四個電極輸出的對應(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,得到四個電極去除背景光成分的實際位置電壓值。為了測量的準確性,需將其進行平均值濾波,然后經(jīng)式(1)解算,從而得到光斑坐標。

        此方法適用于背景光強度變化頻率小于100 Hz的場景。本文所進行的試驗,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

        3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

        本系統(tǒng)硬件部分主要由光源及驅(qū)動電路、PSD探測器、采集調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP和PC機等幾部分構(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確性。下面將詳細介紹各部分的設(shè)計思路。

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

        3.1.1 調(diào)制光源及驅(qū)動電路設(shè)計

        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)動控制簡單,亮度可通過限流電阻大小進行控制,價格便宜,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)動控制復雜,亮度無法控制,溫度敏感,熱穩(wěn)定性差。試驗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,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口負載能力較弱,故設(shè)計圖3所示的三極管驅(qū)動電路,以實現(xiàn)DSP對光源的快速控制。

        圖3 光源驅(qū)動電路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

        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AD進行采集,進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,自動通道掃描模式下,每個通道的轉(zhuǎn)換速率可以達到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

        本系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計主要是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)動采集與通信程序的編寫、DSP與PC機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、定時器等,使定時器每2 ms產(chǎn)生一次中斷,標志位置1;然后在主函數(shù)的無限循環(huán)語句中檢測該標志位,當標志位為1時,進入處理函數(shù),重置該標志位(置0),并在光源開啟和關(guān)閉的狀態(tài)下分別控制ADS1258掃描四個通道的電壓值,對應(yīng)相減得到四個通道的電壓差值;隨后進行平均值濾波,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機上顯示。主程序流程圖如圖6所示。

        3.3 PSD標定

        由于PSD的放置存在一定的誤差及零偏差,即PSD移動的坐標系和零點與測量的坐標系和零點不吻合,所以會產(chǎn)生解算位置的錯位,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)點進行標定,使得數(shù)據(jù)點的散點圖連線與坐標軸平行[12]。 設(shè) PSD 標定點的坐標為(x,y),校正后的標定點坐標為(x?,y?),則可設(shè)式(2):

        圖6 流程圖Fig.6 Flowchart of software

        其中,a、b、c、d 為待估計參數(shù),ek1、ek2為估計誤差。進行L次測量后得到L個數(shù)據(jù)點,以x?為例,對式(2)系統(tǒng)進行最小二乘估計有式(3):

        根據(jù)式(3)即可估計得到待估計參數(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。

        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點,位置偏移范圍的大小。此測試以PSD中心為原點建立坐標系,在背景光下光源調(diào)制前與調(diào)制后分別選取四個位置,每個位置采集100個點來測試其精度并加以對比。圖中,橫縱坐標為測試點在該坐標系中的位置,圖示數(shù)據(jù)為未經(jīng)過標定的原始數(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,選取(-3 mm,3 mm)、(3 mm,3 mm)、(3 mm,-3 mm)、( -3 mm,-3 mm)四個點進行測試,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)四個點進行測試,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,其精度超過100 μm,但光源經(jīng)過調(diào)制后,其精度可以達到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中心為原點建立坐標系,其測試方法為:選取一定數(shù)量的點陣,把每個點的實際值與經(jīng)過標定后的測量值進行比較,取差值。利用精密位移臺,生成從(-9 mm,-9 mm)到(9 mm,9 mm)的49個點的數(shù)據(jù)(每3 mm一個),每個點取100次數(shù)據(jù)。利用Matlab標定程序通過最小二乘法進行標定,確定線性誤差及標定系數(shù)。

        4.2.1 光源未調(diào)制線性度測試

        當光源未調(diào)制且有背景光存在時,經(jīng)過標定后的測量點(紅色)與基準點(藍色)如圖9所示。經(jīng)過計算得出,其平均線性誤差為48 μm,最大線性誤差為111 μm,標定系數(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

        當光源調(diào)制后且有背景光存在時,經(jīng)過標定后的測量點(紅色)與基準點(藍色)如圖10所示。經(jīng)過計算得出,其平均線性誤差為13 μm,最大線性誤差為36 μm,標定系數(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)計的PSD測量系統(tǒng)借助光學手段和調(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進行快速的差值、濾波、坐標運算,實現(xiàn)了消除背景光的目的。試驗結(jié)果證明,該系統(tǒng)在背景光存在的條件下,精度可以達到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,PSD的暗電流對測量結(jié)果的影響也可以得到有效抑制,進一步提高了其測量精度。

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