恢复随动光目标姿态控制系统

作者：四川绵阳中国工程物理研究院应用电子研究所 （621900） 张 蓉 聂文杰 叶一东 范国滨 何武良 张 凯 来源：《电子技术应用》 恢复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控测器和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，所以有的场合比较特殊，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、光光测量系统中。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，完成了随动目标泊姿态控制系统，使得作为光目标的激光参数测量系统能准确地测量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δy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δx、δy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（δx、δy）、相对功率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是标定系数，s是探测器的相应度。 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路。当光照到psd上，在光斑位置上产生比例子光能量的电荷，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： δx=k[(ix+-ix-)/（ix++ix-）] (4) δy=k[(iy+-iy-)/(iy++iy-)] (5) p=s(ix++ix-+iy++iy-) (6) 式中，k是标定系数，s是探测器的相应度。 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