随动光目标姿态控制系统

　　摘 要： 介绍了随动光目标姿态控制系统的工作原理和实现方法。系统分别采用了四象限光电探测器和PSD光电探测器进行位置探测，对两种探测器性能做了比较。并分析了影响系统精度的主要因素。

　　关键词： 光目标 位置探测 姿态控制 高精度放大器 PID算法

　　在传统的激光参数测量工作中，是以静态测量为主，即测量系统对准激光不动。本文谈到的激光参数测量任务，所应用的场合比较特殊，作为光目标的测量系统是随动的。为此，我们为参数测量系统设计了一套姿态控制系统，实时控制测量系统的姿态，以保证激光束垂直入射到测量面上，得到可信的激光光斑大小和光强分布数据。

　　光电位置探测器广泛应用于跟踪系统、光学测量系统中。用于对运动的光目标实行定位跟踪的二维位敏光电探测器主要有:四象限探测器和PSD(Position Sensitive Detector)。我们分别用四象限光电探测器和PSD光电位置探测器作为探测器，完成了随动目标的姿态控制系统，使得作为光目标的激光参数测量系统能准确地测得激光的光斑大小和光强分布。

1 系统结构和工作原理

　　该系统采用闭环负反馈控制系统，主要由光电位置探测器、高精度放大器、信号处理器、执行机构和显示部分组成。系统的结构如图1所示。

　　信标光经光学系统入射到同参数系统测量面位于同一平面的光电位置探测器上，光电探测器把获取的光信号转换成与位置有关的四路电信号输出，一般传感器的输出为弱信号，经高精度前置放大器、滤波电路、信号处理电路后，可得到光斑沿x、y方向的偏移量所对应的电压和光斑功率P对应的电压。信号处理器由△x、△y的值判断目标姿态应做如何调整，送出四路控制信号，控制载着光目标的云台按相应的方向运转，使光束能够垂直入射到测量面上。同时，为了判断方位校正是否正常，把△x、△y信号用示波的x-y方式直观地显示出来，示波器上光点的位置就代表信标光照在探测器上的位置。当光点位于示波器中心时，可根据P的值判断光是否入射到探测器上(对于四象限探测器，光点位于中心有两种可能，一是光束未照在探测器上，一是光束位于探测器的中心)。

1.1 光电位置探测器

　　四象限光敏面分布如图2所示。每个象限相当于一个光电管，当激光垂直入射时，经聚焦的光斑照在四象限的中心位置上，四个区域因受光照的面积相同，输出相同的光电流。当光目标上下移动时，圆形光斑的位置就在四象限光敏面上有相应的偏移，四个探测器因受照光的面积不同而输出不相等的光电流。设四个光电管产生的电信号分别为:I₁、I₂、I₃、I₄，则光斑的偏移量(△x、△y)、相对功率P可用下列公式求得:

　　二维PSD器件的基本结构是在高阻抗半导体表面的一面或两面制备均匀的电阻层，在电阻层上设置x、y各一对取出信号的电极。当光照到PSD上，在光斑位置上产生比例于光能量的电荷，电荷经电阻层由电极收集，电极收集的光电流反比于入射光斑位置到电极的距离。中心位置和相对功率的计算如下:

1.2 高精度放大器

　　传感器的输出信号是弱电流信号，因此设计了电流输入型前置放大器^[2]进行放大，其电路原理如图3所示。电路应用了电流—电压转换原理，并选用高精度放大器件，较好地解决了传感器暗电流的影响。

1.3 信号处理

　　滤波后的四路信号送入微处理部分，此部分包括A/D转换、处理器、D/A转换。微处理器把四路信号I₁、I₂、I₃、I₄换算成位置信号x、y和功率信号P，这三路信号经D/A转换送出。同时，微处理器根据计算出的x、y信号判断目标姿态应做如何调整，激光才能准直输入，送出相应的四路TTL信号控制云台运转。控制系统采用了基于PID的智能控制算法，在实践中取得了很好的效果。

1.4 执行机构

　　光目标的姿态调整是由其载体云台执行的。微处理器送出的四路控制信号经伺服放大器隔离驱动后控制四个继电器，开通、关断云台电机的动力电源，使云台按相应的方向运转。

2 实验应用和分析

　　该系统应用在我们的实验中，完成了光目标的姿态控制，配合望远跟踪系统使激光束垂直入射在参数测量系统的测量面上，从而保证了测量工作的开展。系统的闭环带宽约1Hz，系统带宽受到限制的主要因素是云台的速度、加速度。若采用高性能的云台，系统的带宽将会大幅度提高。

2.1 影响目标方位调整的主要因素

　　影响目标方位调整的因素主要有背景光、探测器的暗电流及噪声、放大器的噪声、伺服系统执行机构的影响等。在此，对探测器本身所固有的噪声、放大器噪声等因素对系统的影响我们不做讨论，相关文献已有详细的分析。

2.1.1 背景光的影响

　　背景光对探测器的影响是相当大的。背景光中含有各种波长的光，探测器不仅对某一波长的光有响应，而且对附近波长的光也有响应。由于信标光比较弱，相应的放大器的放大倍数就比较大，探测器在探测到有用光的同时也探测到了无用的背景光，送入放大器一起放大。这对目标方位调整有一定的影响。实验证明，晚上比白天工作效果好。解决背景光的一个有效措施是对信标光进行调制。由于实验中的信标光同时要给其它系统利用，我们在白天做实验时采取了一些光学措施，较好地解决了问题。

2.1.2 云台的影响

　　云台是一机械装置，在运转时急停有惯性。照在探测器上的光点比较小，探测器对位置的偏差很敏感，这就造成云台有时来回振动，测量系统探测的光斑也就来回摆动，影响了测量。为此，对软件做了滞回算法。

2.2 两种位置探测器的比较

　　我们采用四象限和PSD两种位置探测器做了两套系统进行实验，对这两种探测器在系统中的应用得到以下结论:

　　四象限探测器是在一个光敏面上用十字沟道隔成四个象限的。十字沟道是盲区，聚焦太小时，就可能落在盲点上造成错误判断。四象限算得的位置偏移和光斑中心位置的线性程度受光斑大小和形状的影响，束斑半径取r=R/2，R为四象限光敏面的半径^[3]。

　　PSD光斑的形状和大小对输出信号的影响很小，其线性和灵敏度比四象限高，但工艺复杂，与四象限相比，成本较高。

在实验中，信标光不可能初始状态就进入到探测器上，必须先调整云台，光进入探测器后再由系统自动控制云台运转，调整目标姿态。

该系统能够很好地辅助跟瞄系统工作，使激光得以准直入射到探测阵列面上，对测量系统取得波形起到了重要作用。系统的设计思想可为跟踪系统、动态目标测量系统、目标姿态控制及一些工业上的位置控制等提供借鉴。

参考文献

1 任致程. 半导体敏感元件及其典型应用实例.北京：机械工业出版社，1989

2 卢春生.光电探测技术及应用.北京：机械工业出版社，1992

3 张家如，万 敏.四象限探测器的视场和空间分辨率.强辐射技术论文集，1995~1996