基于PSD的新型光電自準(zhǔn)直儀的研究

郭梁 張曉慶 昌明 喬衛(wèi)東 鄭雪葳 李霞

摘 要：由于傳統(tǒng)的光電自準(zhǔn)直儀存在測量視場范圍小、系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、測量結(jié)果不精確等問題，因此文中設(shè)計(jì)了一種基于PSD的新型光電自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)。文中具體介紹了國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，分析了光電自準(zhǔn)直儀的工作原理，給出了選取PSD作為光電探測器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，此外，展望了該系統(tǒng)在未來的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光電自準(zhǔn)直儀;PSD;測量視場;光電探測器

中圖分類號：TP211文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）02-00-03

0 引 言

現(xiàn)今，許多國家都在對光電自準(zhǔn)直儀進(jìn)行研究。光電自準(zhǔn)直儀是通過將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號從而進(jìn)行小角度測量的儀器，已廣泛應(yīng)用于高精度測量系統(tǒng)中。

20世紀(jì)90年代之前，我國在研制光電自準(zhǔn)直儀的光電轉(zhuǎn)換部分主要采用振動子法，運(yùn)用人眼進(jìn)行瞄準(zhǔn)，通過滾輪進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。而國外的研究技術(shù)要比國內(nèi)先進(jìn)許多，如德國MOLLER廠商研制的ELCOMAT HR型號[1]自準(zhǔn)直儀全程精度已達(dá)到±0.3"。我國的研究從起初對國外產(chǎn)品的引進(jìn)轉(zhuǎn)變到自主研發(fā)，已取得較大進(jìn)步，但在測量范圍、測量精度等方面與國外仍有較大差距。目前，大多數(shù)光電自準(zhǔn)直儀選用CCD、四限象光電探測器、位置敏感器件作為光電探測器，顯著提高了光電自準(zhǔn)直儀的測量精度[2]。

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本文光電自準(zhǔn)直儀利用PSD的橫向光電效應(yīng)，將投射在其光敏面上的光斑轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)PSD橫豎方向四個(gè)電極的電流值，計(jì)算光斑位置，實(shí)現(xiàn)微小角度或位移的測量。同時(shí)，為了提高自準(zhǔn)直儀的測量精度，采用調(diào)頻光源與采樣保持技術(shù)對背景光和噪聲進(jìn)行抑制。基于PSD傳感器的光電自準(zhǔn)直角度測量系統(tǒng)[4]總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括光源、光學(xué)系統(tǒng)，反射鏡、光電探測器，驅(qū)動電路、信號處理電路及人機(jī)交互終端。

系統(tǒng)的工作步驟：光源發(fā)出光線，通過光學(xué)系統(tǒng)照射到反射鏡上，經(jīng)反射鏡反射，再經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚鏡匯聚到探測器上，驅(qū)動電路驅(qū)動光源并控制信號處理電路完成信號處理，送至人機(jī)交互終端顯示。

系統(tǒng)內(nèi)主要組成單元的功能如下：

（1）光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)出射光線的準(zhǔn)直，將反射光線匯聚在光電探測器的光敏面上;

（2）入射在探測器光敏面上的光斑使其產(chǎn)生電流信號，信號處理電路完成光生電流的電流電壓變換、放大、去背景、位置解算及A/D變換工作，人機(jī)交互終端負(fù)責(zé)將位置信息以數(shù)字與圖形的形式顯示出來;

（3）驅(qū)動電路用于驅(qū)動光源，控制信號處理電路與光源協(xié)調(diào)工作。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

光電自準(zhǔn)直儀可大致分為光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及信號處理三部分。由圖2可知，要保證儀器的測量范圍和精度，應(yīng)從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和器件選擇兩方面綜合考慮。

光學(xué)系統(tǒng)采用常見的自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。系統(tǒng)主要包括目標(biāo)反射面1，望遠(yuǎn)透鏡組2，LED光源3，準(zhǔn)直透鏡4，分光棱鏡5，匯聚透鏡6，PSD芯片7，但在系統(tǒng)參數(shù)方面做出了優(yōu)化與調(diào)整，整機(jī)焦距為450 mm，通光口徑為90 mm。為降低光學(xué)系統(tǒng)畸變對自準(zhǔn)直儀視場內(nèi)測量精度的影響，將望遠(yuǎn)透鏡組畸變控制在1%以內(nèi)。

光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，目前市場上的光電自準(zhǔn)直系統(tǒng)大部分采用電荷耦合器件圖像傳感器（CCD），但存在一定的缺陷：

（1）CCD器件的工藝和結(jié)構(gòu)特性限制了儀器的最小分辨率;

（2）由于采用光斑成像原理，為保證測量精度，對光斑經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后的成像質(zhì)量有較高要求;

（3）CCD驅(qū)動電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，技術(shù)難度較高。

位置敏感器件（PSD）可認(rèn)為是自準(zhǔn)直儀光電轉(zhuǎn)換器的較好選擇，具有位置分辨率高、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范圍寬、可靠性高、處理電路簡單、光敏面內(nèi)無盲區(qū)的特點(diǎn)。

為提高自準(zhǔn)直儀的測量范圍，光電探測器選用美國ON-TRAK公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的二維2L10SP型PSD芯片，如圖4所示，其靶面尺寸為10 mm×10 mm，峰值響應(yīng)波長為940 nm。為便于操作人員觀察，光源選用人眼可見的中心為780 nm的大功率LED芯片，在保證器件響應(yīng)效率的同時(shí)兼顧使用方便性。

圖4 PSD芯片

目前許多自準(zhǔn)直儀為降低研制難度，縮小設(shè)備體積，大多選用日本濱松公司生產(chǎn)的PSD專用處理芯片H2476，但其使用具有一定的局限性：無法完成調(diào)頻信號的處理，只能處理直流信號，只適用于具有偏置電壓引腳的PSD芯片。為提高自準(zhǔn)直儀抵抗背景光干擾的能力，可采用干涉濾波片法、交流調(diào)制法等進(jìn)行處理[6]。本文采用驅(qū)動電路調(diào)頻光源以及進(jìn)行控制信號處理電路采樣的設(shè)計(jì)，為光源提供調(diào)頻驅(qū)動電流，并根據(jù)PSD的光電響應(yīng)延時(shí)設(shè)定采樣時(shí)機(jī)和采樣時(shí)長，提高信號采集的準(zhǔn)確度。驅(qū)動電路以CPLD為核心，設(shè)計(jì)LVTTL到TTL的轉(zhuǎn)換電路，以及LED驅(qū)動電路，各驅(qū)動信號具有頻率一致、延遲與占空比可調(diào)功能。驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖

信號處理部分如圖6所示，其中運(yùn)算放大器選用輸入偏置電流較小、穩(wěn)定性好、低溫漂、高共模抑制比的芯片。

反射像在PSD器件中心區(qū)域位置變化呈現(xiàn)的光電特性為線性，而在邊緣靠近電極區(qū)域呈現(xiàn)非線性，即其感光面的光電響應(yīng)具有類似相機(jī)畸變的現(xiàn)象，通常為枕形失真。針對此問題，可采用差值、擬合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法解決。本文自準(zhǔn)直儀采用雙調(diào)和樣條差值方法[7]對非線性區(qū)進(jìn)行校正，提高了光電自準(zhǔn)直儀的全視場測量精度。

圖6 信號處理結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對自準(zhǔn)直儀的測量精度提出了更高的要求，而自準(zhǔn)直儀各個(gè)組成部分都對其精度造成了影響。本文介紹的基于PSD的光電自準(zhǔn)直儀具有高分辨力、測量視場范圍大、抗背景光干擾等優(yōu)勢，并對PSD器件的非線性區(qū)進(jìn)行了修正，有效拓展了儀器的線性測量區(qū)間，提高了測量精度，可大量運(yùn)用于高精度小角度測量，機(jī)床工業(yè)的質(zhì)量保證測量，位置監(jiān)測，炮筒、圓滾內(nèi)外圓同軸度測量，航天器微變形監(jiān)測等方面[8]。光電自準(zhǔn)直儀的研究與光學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械學(xué)科息息相關(guān)，其他學(xué)科的進(jìn)步也必將推動光電自準(zhǔn)直儀的研究，使其沿著動態(tài)測量、二維測量甚至多維測量等方向發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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