摘 要： 介紹了隨動(dòng)光目標(biāo)姿態(tài)控制系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)分別采用了四象限光電探測(cè)器和PSD光電探測(cè)器進(jìn)行位置探測(cè)，對(duì)兩種探測(cè)器性能做了比較。并分析了影響系統(tǒng)精度的主要因素。

　　關(guān)鍵詞： 光目標(biāo)? 位置探測(cè)? 姿態(tài)控制? 高精度放大器? PID算法

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　　在傳統(tǒng)的激光參數(shù)測(cè)量工作中，是以靜態(tài)測(cè)量為主，即測(cè)量系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)激光不動(dòng)。本文談到的激光參數(shù)測(cè)量任務(wù)，所應(yīng)用的場(chǎng)合比較特殊，作為光目標(biāo)的測(cè)量系統(tǒng)是隨動(dòng)的。為此，我們?yōu)閰?shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套姿態(tài)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制測(cè)量系統(tǒng)的姿態(tài)，以保證激光束垂直入射到測(cè)量面上，得到可信的激光光斑大小和光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)。

　　光電位置探測(cè)器廣泛應(yīng)用于跟蹤系統(tǒng)、光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中。用于對(duì)運(yùn)動(dòng)的光目標(biāo)實(shí)行定位跟蹤的二維位敏光電探測(cè)器主要有:四象限探測(cè)器和PSD(Position Sensitive Detector)。我們分別用四象限光電探測(cè)器和PSD光電位置探測(cè)器作為探測(cè)器，完成了隨動(dòng)目標(biāo)的姿態(tài)控制系統(tǒng)，使得作為光目標(biāo)的激光參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)能準(zhǔn)確地測(cè)得激光的光斑大小和光強(qiáng)分布。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

　　該系統(tǒng)采用閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，主要由光電位置探測(cè)器、高精度放大器、信號(hào)處理器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和顯示部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　信標(biāo)光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)入射到同參數(shù)系統(tǒng)測(cè)量面位于同一平面的光電位置探測(cè)器上，光電探測(cè)器把獲取的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與位置有關(guān)的四路電信號(hào)輸出，一般傳感器的輸出為弱信號(hào)，經(jīng)高精度前置放大器、濾波電路、信號(hào)處理電路后，可得到光斑沿x、y方向的偏移量所對(duì)應(yīng)的電壓和光斑功率P對(duì)應(yīng)的電壓。信號(hào)處理器由△x、△y的值判斷目標(biāo)姿態(tài)應(yīng)做如何調(diào)整，送出四路控制信號(hào)，控制載著光目標(biāo)的云臺(tái)按相應(yīng)的方向運(yùn)轉(zhuǎn)，使光束能夠垂直入射到測(cè)量面上。同時(shí)，為了判斷方位校正是否正常，把△x、△y信號(hào)用示波的x-y方式直觀地顯示出來(lái)，示波器上光點(diǎn)的位置就代表信標(biāo)光照在探測(cè)器上的位置。當(dāng)光點(diǎn)位于示波器中心時(shí)，可根據(jù)P的值判斷光是否入射到探測(cè)器上(對(duì)于四象限探測(cè)器，光點(diǎn)位于中心有兩種可能，一是光束未照在探測(cè)器上，一是光束位于探測(cè)器的中心)。

1.1 光電位置探測(cè)器

　　四象限光敏面分布如圖2所示。每個(gè)象限相當(dāng)于一個(gè)光電管，當(dāng)激光垂直入射時(shí)，經(jīng)聚焦的光斑照在四象限的中心位置上，四個(gè)區(qū)域因受光照的面積相同，輸出相同的光電流。當(dāng)光目標(biāo)上下移動(dòng)時(shí)，圓形光斑的位置就在四象限光敏面上有相應(yīng)的偏移，四個(gè)探測(cè)器因受照光的面積不同而輸出不相等的光電流。設(shè)四個(gè)光電管產(chǎn)生的電信號(hào)分別為:I₁、I₂、I₃、I₄，則光斑的偏移量(△x、△y)、相對(duì)功率P可用下列公式求得:

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　　二維PSD器件的基本結(jié)構(gòu)是在高阻抗半導(dǎo)體表面的一面或兩面制備均勻的電阻層，在電阻層上設(shè)置x、y各一對(duì)取出信號(hào)的電極。當(dāng)光照到PSD上，在光斑位置上產(chǎn)生比例于光能量的電荷，電荷經(jīng)電阻層由電極收集，電極收集的光電流反比于入射光斑位置到電極的距離。中心位置和相對(duì)功率的計(jì)算如下:

1.2 高精度放大器

　　傳感器的輸出信號(hào)是弱電流信號(hào)，因此設(shè)計(jì)了電流輸入型前置放大器^[2]進(jìn)行放大，其電路原理如圖3所示。電路應(yīng)用了電流—電壓轉(zhuǎn)換原理，并選用高精度放大器件，較好地解決了傳感器暗電流的影響。

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1.3 信號(hào)處理

　　濾波后的四路信號(hào)送入微處理部分，此部分包括A/D轉(zhuǎn)換、處理器、D/A轉(zhuǎn)換。微處理器把四路信號(hào)I₁、I₂、I₃、I₄換算成位置信號(hào)x、y和功率信號(hào)P，這三路信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換送出。同時(shí)，微處理器根據(jù)計(jì)算出的x、y信號(hào)判斷目標(biāo)姿態(tài)應(yīng)做如何調(diào)整，激光才能準(zhǔn)直輸入，送出相應(yīng)的四路TTL信號(hào)控制云臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)采用了基于PID的智能控制算法，在實(shí)踐中取得了很好的效果。

1.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　光目標(biāo)的姿態(tài)調(diào)整是由其載體云臺(tái)執(zhí)行的。微處理器送出的四路控制信號(hào)經(jīng)伺服放大器隔離驅(qū)動(dòng)后控制四個(gè)繼電器，開(kāi)通、關(guān)斷云臺(tái)電機(jī)的動(dòng)力電源，使云臺(tái)按相應(yīng)的方向運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和分析

　　該系統(tǒng)應(yīng)用在我們的實(shí)驗(yàn)中，完成了光目標(biāo)的姿態(tài)控制，配合望遠(yuǎn)跟蹤系統(tǒng)使激光束垂直入射在參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量面上，從而保證了測(cè)量工作的開(kāi)展。系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬約1Hz，系統(tǒng)帶寬受到限制的主要因素是云臺(tái)的速度、加速度。若采用高性能的云臺(tái)，系統(tǒng)的帶寬將會(huì)大幅度提高。

2.1 影響目標(biāo)方位調(diào)整的主要因素

　　影響目標(biāo)方位調(diào)整的因素主要有背景光、探測(cè)器的暗電流及噪聲、放大器的噪聲、伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的影響等。在此，對(duì)探測(cè)器本身所固有的噪聲、放大器噪聲等因素對(duì)系統(tǒng)的影響我們不做討論，相關(guān)文獻(xiàn)已有詳細(xì)的分析。

2.1.1 背景光的影響

　　背景光對(duì)探測(cè)器的影響是相當(dāng)大的。背景光中含有各種波長(zhǎng)的光，探測(cè)器不僅對(duì)某一波長(zhǎng)的光有響應(yīng)，而且對(duì)附近波長(zhǎng)的光也有響應(yīng)。由于信標(biāo)光比較弱，相應(yīng)的放大器的放大倍數(shù)就比較大，探測(cè)器在探測(cè)到有用光的同時(shí)也探測(cè)到了無(wú)用的背景光，送入放大器一起放大。這對(duì)目標(biāo)方位調(diào)整有一定的影響。實(shí)驗(yàn)證明，晚上比白天工作效果好。解決背景光的一個(gè)有效措施是對(duì)信標(biāo)光進(jìn)行調(diào)制。由于實(shí)驗(yàn)中的信標(biāo)光同時(shí)要給其它系統(tǒng)利用，我們?cè)诎滋熳鰧?shí)驗(yàn)時(shí)采取了一些光學(xué)措施，較好地解決了問(wèn)題。

2.1.2 云臺(tái)的影響

　　云臺(tái)是一機(jī)械裝置，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)急停有慣性。照在探測(cè)器上的光點(diǎn)比較小，探測(cè)器對(duì)位置的偏差很敏感，這就造成云臺(tái)有時(shí)來(lái)回振動(dòng)，測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)的光斑也就來(lái)回?cái)[動(dòng)，影響了測(cè)量。為此，對(duì)軟件做了滯回算法。

2.2 兩種位置探測(cè)器的比較

　　我們采用四象限和PSD兩種位置探測(cè)器做了兩套系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)這兩種探測(cè)器在系統(tǒng)中的應(yīng)用得到以下結(jié)論:

　　四象限探測(cè)器是在一個(gè)光敏面上用十字溝道隔成四個(gè)象限的。十字溝道是盲區(qū)，聚焦太小時(shí)，就可能落在盲點(diǎn)上造成錯(cuò)誤判斷。四象限算得的位置偏移和光斑中心位置的線性程度受光斑大小和形狀的影響，束斑半徑取r=R/2，R為四象限光敏面的半徑^[3]。

　　PSD光斑的形狀和大小對(duì)輸出信號(hào)的影響很小，其線性和靈敏度比四象限高，但工藝復(fù)雜，與四象限相比，成本較高。

在實(shí)驗(yàn)中，信標(biāo)光不可能初始狀態(tài)就進(jìn)入到探測(cè)器上，必須先調(diào)整云臺(tái)，光進(jìn)入探測(cè)器后再由系統(tǒng)自動(dòng)控制云臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整目標(biāo)姿態(tài)。

????該系統(tǒng)能夠很好地輔助跟瞄系統(tǒng)工作，使激光得以準(zhǔn)直入射到探測(cè)陣列面上，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)取得波形起到了重要作用。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想可為跟蹤系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)、目標(biāo)姿態(tài)控制及一些工業(yè)上的位置控制等提供借鑒。

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參考文獻(xiàn)

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