一種新型光電定向系統的設計與實(shí)現

1 基本原理

光電定向是指用光電系統測定目標的方向，這是光學(xué)雷達和光學(xué)制導的重要組成部分[1]，利用光電系統可以直接、間接測定目標的方向，該系統主要由發(fā)射部分、光電探測器，信號處理電路，a/d轉換器和單片機、計算機顯示器組成，結構框圖如圖1所示。

2 具體實(shí)現

2.1 發(fā)射部分

光發(fā)射電路主要由光源驅動(dòng)器、光源（主要是半導體光源，包括led（發(fā)光二極管），ld（激光二極管）等）、光功率自動(dòng)控制電路等部分組成，我們用ne555組成的脈沖發(fā)射電路來(lái)驅動(dòng)650nm的激光器，為了使半導體激光器克服供電電源波動(dòng)、器件老化等因素的影響，確保激光器輸出功率穩定，還必須有自動(dòng)功率控制電路。

2.2 接收部分

接收部分主要由四象限光電探測器組成，四象限光電探測器是把4個(gè)性能完全相同的光電二極管按照直角坐標要求排列而成的光電探測器件，目標光信號經(jīng)光學(xué)系統后在四象限光電探測器上成像，如圖2所示[2]，一般將四象限光電探測器置于光學(xué)系統焦平面上或稍離開(kāi)焦平面，當目標成像不在光軸上時(shí)，4個(gè)象限上探測器輸出的光電信號幅度不相同，比較4個(gè)光電信號的幅度大小可以知道目標成像在哪個(gè)象限上（也就知道了目標的方位）。

四象限光電探測器是通過(guò)測量來(lái)自激光束的光斑質(zhì)心的位置變化，并借助某種算法來(lái)同時(shí)確定光斑的兩個(gè)方向的偏移量，如圖3所示[3]，光斑被四個(gè)象限分成a、b、c、d等4個(gè)部分，其面積分別為s1、s2、s3、s4，對因的4個(gè)象限產(chǎn)生的阻抗電流分別為i1、i2、i3、i4。由i1＋i4和i2＋i3的比例可以確定橫向偏移量，i1＋i2和i3＋i4的比例可以確定縱向偏移量。

采用的算法是：

式中：k比例系數，是一常量。

當光斑中心與四象限光電探測器中心一致時(shí)，4個(gè)象限陰極產(chǎn)生的阻抗電流i1、i2、i3、i4都相等，兩個(gè)方向的直線(xiàn)度誤差為0，當兩者中心步重合時(shí)，兩個(gè)方向的偏移量可以由上式求出。

2.3 信號處理電路

四象限光電探測器將接收的4路光信號轉變成電信號，經(jīng)過(guò)放大后送入信號處理部分，單脈沖定向系統中，光脈沖通常由激光產(chǎn)生，其脈沖寬度一般為幾十納秒量級，也許更窄。而重復頻率比較低，一般為幾十赫，這種信號要用來(lái)指示或控制，需要經(jīng)過(guò)放大與展寬。由于4路相同，4路信號采用完全相同的電路，首先通過(guò)放大器對各路信號進(jìn)行放大，放大后的信號送入展寬電路（見(jiàn)圖4）進(jìn)行展寬，展寬實(shí)質(zhì)上是峰值保持的一個(gè)特例，由于脈沖寬度極窄要求電路響應快，又要保持響度較長(cháng)的時(shí)間，而且還需要有較高的線(xiàn)性輸出，所以展寬電路實(shí)質(zhì)上是用于將目標脈沖信號在顯示時(shí)有一個(gè)持續時(shí)間，以便觀(guān)察。

2.4 a/d轉換和單片機部分

實(shí)現模擬信號的數字顯示必須對模擬信號進(jìn)行a/d轉換，a/d轉換時(shí)需要考慮轉換的精度和速度，a/d轉換器的轉換位數決定了轉換的精度，時(shí)鐘頻率決定了轉換的速度，通過(guò)a/d轉換后的信號再送入單片機[4]，然后通過(guò)rs－232連接線(xiàn)與計算機相連，在計算機上顯示數字輸出。

在光電定向實(shí)驗儀中，單片機的任務(wù)是：4路信號的數據采集，與上位機的串口通信，驅動(dòng)步進(jìn)電機，通過(guò)單片機產(chǎn)生脈沖信號。

單片機的整體程序框圖如圖5所示。

4路采樣信號經(jīng)a/d轉換后傳送到單片機，經(jīng)過(guò)處理，確定光斑質(zhì)心的坐標，將質(zhì)心的坐標及4個(gè)象限的信號值送上位機顯示。
單片機負責傳輸轉換后的信號，并接收上位機下達的指令來(lái)控制步進(jìn)電機。上位機下達控制指令，通過(guò)單片機傳到步進(jìn)電機，上步進(jìn)電機執行相應的操作。
2.5 上位機顯示

單片機與計算機進(jìn)行串口通信，將通過(guò)a/d轉換器和單片機處理的信號送入計算機顯示。

上位機可以實(shí)現的功能有：

a）在軟件界面上實(shí)時(shí)顯示四象限光電探測器的每個(gè)象限接收的光信號的強弱（由電壓表示）；

b）實(shí)時(shí)顯示目標光源的運動(dòng)軌跡；

c）實(shí)時(shí)顯示目標光源的二維坐標；

d）實(shí)現目標的手動(dòng)跟蹤和自動(dòng)跟蹤。

每個(gè)象限的光強伏值可以直接從單片機采集的數據讀??；目標光源的運動(dòng)軌跡可以固定光斑的半徑，而通過(guò)確定光心位置坐標的改變來(lái)觀(guān)察光源的運動(dòng)軌跡，而且直觀(guān)地把目標光源的中心坐標顯示出來(lái)，但要實(shí)現目標的手動(dòng)跟蹤和自動(dòng)跟蹤，則要通過(guò)手動(dòng)平移臺和電控平移臺來(lái)實(shí)現，目標控制是希望通過(guò)在目標控制界面下直接輸入目標坐標來(lái)直接定位探測器。在計算機中輸入目標的坐標，單片機接收上位機的指令，從而驅動(dòng)步進(jìn)電機運動(dòng)，把從計算機讀入的數值和從步進(jìn)電機讀取的數值進(jìn)行比較，當兩者在一個(gè)很小的誤差范圍內時(shí)，步進(jìn)電機停止運動(dòng)，而光斑也到了需要達到的位置，從而實(shí)現了目標控制。

自動(dòng)控制是指當偏移目標時(shí)，可以通過(guò)自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現目標的跟蹤，當單片機檢測到從計算機讀入的坐標和從電控平移臺讀取的坐標不一致時(shí)，就會(huì )給步進(jìn)電機一個(gè)驅動(dòng)指令，從而控制步進(jìn)電機運動(dòng)，以實(shí)現目標的自動(dòng)控制。

3 結束語(yǔ)

本文介紹的這種裝置是目前應用最廣泛的一種光電定向方式，在實(shí)際應用中具有精度高、價(jià)格低、便于自動(dòng)控制和操作方便的特點(diǎn)，因此，在激光制導、光電準直，光電自動(dòng)跟蹤、光電制導和光電測距等技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。