作者：四川綿陽中國工程物理研究院應用電子研究所 （621900） 張 蓉 聶文杰 葉一東 范國濱 何武良 張 凱 來源：《電子技術應用》 恢復隨動光目標姿態(tài)控制系統(tǒng) 摘要：介紹了隨動光目標姿態(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。 關鍵詞：光目標 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，所以有的場合比較特殊，作為光目標的測量系統(tǒng)是隨動的。為此，我們?yōu)閰?shù)測量系統(tǒng)設計了一套姿態(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用于跟蹤系統(tǒng)、光光測量系統(tǒng)中。用于對運動的光目標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，完成了隨動目標泊姿態(tài)控制系統(tǒng)，使得作為光目標的激光參數(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)結構和工作原理 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)行機構和顯示部分組成。系統(tǒng)的結構如圖1所示。 信標光經(jīng)光學系統(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換成與位置有關的四路電信號輸出，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的電壓和光斑功率p對應的電壓。信號處理器由δy的值判斷目標姿態(tài)應做如何調(diào)整，送出四路控制信號，控制載著光目標的云臺按相應的方向運轉，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光照在探測器上的位置。當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。每個象限相當于一個光電管，當激光垂直入射時，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。當光目標上下移動時，圓形光斑的位置就在四象限光敏面上有相應的偏移，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是標定系數(shù)，s是探測器的相應度。 二維psd器件的基本結構是在高阻抗半導體表面的一面或兩面制備均勻的電阻層，在電阻層上設置x、y各一對取出信號的電路。當光照到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是標定系數(shù)，s是探測器的相應度。 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