摘 要： 介紹了隨動光目標姿態控制系統的工作原理和實現方法。系統分別采用了四象限光電探測器和PSD光電探測器進行位置探測，對兩種探測器性能做了比較。并分析了影響系統精度的主要因素。
關鍵詞： 光目標? 位置探測? 姿態控制? 高精度放大器? PID算法
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在傳統的激光參數測量工作中，是以靜態測量為主，即測量系統對準激光不動。本文談到的激光參數測量任務，所應用的場合比較特殊，作為光目標的測量系統是隨動的。為此，我們為參數測量系統設計了一套姿態控制系統，實時控制測量系統的姿態，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據。
光電位置探測器廣泛應用于跟蹤系統、光學測量系統中。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，完成了隨動目標的姿態控制系統，使得作為光目標的激光參數測量系統能準確地測得激光的光斑大小和光強分布。
1 系統結構和工作原理
該系統采用閉環負反饋控制系統，主要由光電位置探測器、高精度放大器、信號處理器、執行機構和顯示部分組成。系統的結構如圖1所示。
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信標光經光學系統入射到同參數系統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△x、△y的值判斷目標姿態應做如何調整，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△x、△y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的中心)。
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，經聚焦的光斑照在四象限的中心位置上，四個區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。設四個光電管產生的電信號分別為:I1、I2、I3、I4，則光斑的偏移量(△x、△y)、相對功率P可用下列公式求得:
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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極。當光照到PSD上，在光斑位置上產生比例于光能量的電荷，電荷經電阻層由電極收集，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:
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所示。電路應用了電流—電壓轉換原理，并選用高精度放大器件，較好地解決了傳感器暗電流的影響。
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1.3 信號處理
濾波后的四路信號送入微處理部分，此部分包括A/D轉換、處理器、D/A轉換。微處理器把四路信號I1、I2、I3、I4換算成位置信號x、y和功率信號P，這三路信號經D/A轉換送出。同時，微處理器根據計算出的x、y信號判斷目標姿態應做如何調整，激光才能準直輸入，送出相應的四路TTL信號控制云臺運轉。控制系統采用了基于PID的智能控制算法，在實踐中取得了很好的效果。
1.4 執行機構
光目標的姿態調整是由其載體云臺執行的。微處理器送出的四路控制信號經伺服放大器隔離驅動后控制四個繼電器，開通、關斷云臺電機的動力電源，使云臺按相應的方向運轉。
2 實驗應用和分析
該系統應用在我們的實驗中，完成了光目標的姿態控制，配合望遠跟蹤系統使激光束垂直入射在參數測量系統的測量面上，從而保證了測量工作的開展。系統的閉環帶寬約1Hz，系統帶寬受到限制的主要因素是云臺的速度、加速度。若采用高性能的云臺，系統的帶寬將會大幅度提高。
2.1 影響目標方位調整的主要因素
影響目標方位調整的因素主要有背景光、探測器的暗電流及噪聲、放大器的噪聲、伺服系統執行機構的影響等。在此，對探測器本身所固有的噪聲、放大器噪聲等因素對系統的影響我們不做討論，相關文獻已有詳細的分析。
2.1.1 背景光的影響
背景光對探測器的影響是相當大的。背景光中含有各種波長的光，探測器不僅對某一波長的光有響應，而且對附近波長的光也有響應。由于信標光比較弱，相應的放大器的放大倍數就比較大，探測器在探測到有用光的同時也探測到了無用的背景光，送入放大器一起放大。這對目標方位調整有一定的影響。實驗證明，晚上比白天工作效果好。解決背景光的一個有效措施是對信標光進行調制。由于實驗中的信標光同時要給其它系統利用，我們在白天做實驗時采取了一些光學措施，較好地解決了問題。
2.1.2 云臺的影響
云臺是一機械裝置，在運轉時急停有慣性。照在探測器上的光點比較小，探測器對位置的偏差很敏感，這就造成云臺有時來回振動，測量系統探測的光斑也就來回擺動，影響了測量。為此，對軟件做了滯回算法。
2.2 兩種位置探測器的比較
我們采用四象限和PSD兩種位置探測器做了兩套系統進行實驗，對這兩種探測器在系統中的應用得到以下結論:
四象限探測器是在一個光敏面上用十字溝道隔成四個象限的。十字溝道是盲區，聚焦太小時，就可能落在盲點上造成錯誤判斷。四象限算得的位置偏移和光斑中心位置的線性程度受光斑大小和形狀的影響，束斑半徑取r=R/2，R為四象限光敏面的半徑[3]。
PSD光斑的形狀和大小對輸出信號的影響很小，其線性和靈敏度比四象限高，但工藝復雜，與四象限相比，成本較高。
在實驗中，信標光不可能初始狀態就進入到探測器上，必須先調整云臺，光進入探測器后再由系統自動控制云臺運轉，調整目標姿態。
????該系統能夠很好地輔助跟瞄系統工作，使激光得以準直入射到探測陣列面上，對測量系統取得波形起到了重要作用。系統的設計思想可為跟蹤系統、動態目標測量系統、目標姿態控制及一些工業上的位置控制等提供借鑒。
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參考文獻
1 任致程. 半導體敏感元件及其典型應用實例.北京：機械工業出版社，1989
2 盧春生.光電探測技術及應用.北京：機械工業出版社，1992
3 張家如，萬 敏.四象限探測器的視場和空間分辨率.強輻射技術論文集，1995~1996