恢復(fù)隨動光目標(biāo)姿態(tài)控制系統(tǒng)

作者：四川綿陽中國工程物理研究院應(yīng)用電子研究所 （621900） 張 蓉 聶文杰 葉一東 范國濱 何武良 張 凱 來源：《電子技術(shù)應(yīng)用》 恢復(fù)隨動光目標(biāo)姿態(tài)控制系統(tǒng) 摘要：介紹了隨動光目標(biāo)姿態(tài)控制系統(tǒng)的工作原理和實現(xiàn)方法。系統(tǒng)分別采用了四象限光電控測器和psd光電探測器進行位置探測，對兩種探測器性能做了比較。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 姿態(tài)控制 高精度放大器 pid算法 在傳統(tǒng)的激光參數(shù)測量工作中，是以靜態(tài)測量為主，即測量系統(tǒng)對準激光不動。本文談到的激光參數(shù)測量任務(wù)，所以有的場合比較特殊，作為光目標(biāo)的測量系統(tǒng)是隨動的。為此，我們?yōu)閰?shù)測量系統(tǒng)設(shè)計了一套姿態(tài)控制系統(tǒng)，實時控制測量系統(tǒng)的姿態(tài)，以保證激光束垂直入射到測量面上，得到可信的激光光斑大小和光強分布數(shù)據(jù)。 光電位置探測器廣泛應(yīng)用于跟蹤系統(tǒng)、光光測量系統(tǒng)中。用于對運動的光目標(biāo)實行定位跟蹤的二維位敏光電探測器主要有：四象限探測器和psd（position sensitive detector）。我們分別用四象限光電探測器和psd光電位置探測器作為探測器，完成了隨動目標(biāo)泊姿態(tài)控制系統(tǒng)，使得作為光目標(biāo)的激光參數(shù)測量系統(tǒng)能準確地測量得激光的光斑大小和光強分布。 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 該系統(tǒng)采閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，主要由光電位置探測器、高精度放大器、信號處理器、執(zhí)行機構(gòu)和顯示部分組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 信標(biāo)光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)入射到同參數(shù)系統(tǒng)測量面位于同一平面的光電位置探測器上，光電探測器把獲取的光信號轉(zhuǎn)換成與位置有關(guān)的四路電信號輸出，一般傳感器的輸出為弱信號，經(jīng)高精度前置放大器、濾波電路、信號處理電路后，可得到光斑沿x、y方向的偏移量所對應(yīng)的電壓和光斑功率p對應(yīng)的電壓。信號處理器由δy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，控制載著光目標(biāo)的云臺按相應(yīng)的方向運轉(zhuǎn)，使光束能夠垂直入射到測量面上。同時，為了判斷方位校正是否正常，把δx、δy信號用示波的x-y方式直觀地顯示出來，示波器上光點的位置就代表信標(biāo)光照在探測器上的位置。當(dāng)光點位于示波器中心時，可根據(jù)p的值判斷光是否入射到探測器上（對于四象限探測器，光點位于中心有兩種可能，一是光束未照在探測器上，一是光束位于探測器中心）。 1.1 光電位置探測器 四象限光敏面分布如圖2所示。每個象限相當(dāng)于一個光電管，當(dāng)激光垂直入射時，經(jīng)聚焦的光斑照在四象限的中心位置上，四個區(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)上下移動時，圓形光斑的位置就在四象限光敏面上有相應(yīng)的偏移，四個探測器因受照光的面積不同而輸出不相等的光電流。設(shè)四個光電管產(chǎn)生的電信號分別為：i1、i2、i3、i4，則光斑的偏移量（δx、δy）、相對功率p可用下列公式求得： δx=k[(i1+i4)-(i2+i3)]/∑i （1） δy=k[(i1+i2)-(i3+i4)]/∑i (2) p=s(i1+i2+i3+i4) (3) 其中，∑i=i1+i2+i3+i4，k是標(biāo)定系數(shù)，s是探測器的相應(yīng)度。 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各一對取出信號的電路。當(dāng)光照到psd上，在光斑位置上產(chǎn)生比例子光能量的電荷，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。中心位置和相對功率的計算如下： δx=k[(ix+-ix-)/（ix++ix-）] (4) δy=k[(iy+-iy-)/(iy++iy-)] (5) p=s(ix++ix-+iy++iy-) (6) 式中，k是標(biāo)定系數(shù)，s是探測器的相應(yīng)度。 1.2 高精度放大器 傳感器的輸出信號是弱電流信號，因此設(shè)計了電流輸入型前置放大器[2]進行放大，其電路原理如圖3所