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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