微动法获得四象限光电探测器光斑参数的研究

摘要：对四象限光电探测器的信号处理方法进行了研究,分析了目前采用的四象限光电探测器获得光斑参数的方法,研究了 其各项指标及误差的来源,提出了一种新的采用微动法的四象限光电探测器光斑参数的计算方法,并与传统的方法进行了比 较。采用微动法获取四象限光电探测器的光斑参数,不仅能够得到光斑的光心坐标,还能够计算出传统方法得不到的光斑的 半径,增加了信息量。该方法与传统的方法相比,还具有误差与光斑中心位置、光斑半径无关的优点。理论分析、仿真和实 验都证明,采用的四象限光电探测器获得光斑参数的方法具有相当多的优点。获得的参数由两个增加到三个,采用Φ30mm 的GaAs-PIN四象限探测器时,最大误差由18%减小到1.2%以下。本方法在车辆间大气激光通信的光电精定位系统中实际应 用证明,该方法速度快,精度高,收敛性好。     

光电/量热复合式近红外高能激光光斑探测器

为了准确测量高能激光系统远场到靶总能量和功率密度时空分布等参数,本文提出了量热吸收法和光电探测阵列法相结合的复合式测量方法.该方法由热吸收体测量入射激光的总能量,由光电探测阵列测量光斑的时空分布.研制了用于大面积、长脉冲近红外高能激光测量的复合式光斑时空分布探测器.探测器主要由石墨热吸收体、近红外探测器阵列、测温单元和信号处理单元等组成,有效测量光斑面积达到22 cm×22 cm,光斑测量空间分辨力为1.1 cm,时间分辨力为20 ms.该测量系统同时兼顾了光电探测阵列法的高时空分辨能力和量热吸收法的低测量不确定度等优点,适合于高能量、大面积近红外高能激光光斑参数的综合测量,并已成功应用于外场实验.     

基于四象限光电探测器的对准与测量系统优化设计——系统优化

在构建四象限光电探测器的测量/对准系统数学模型的基础上,提出了一种搜寻算法,以优化系统,使得对准模型具有线性化的输入输出关系,且具有非常高的选择性.系统仿真结果表明,在四象限光电探测器光电转换系数为常数情况下,所提出的模型优化方法正确可行.掩模板位置偏移量与光电探测器的输出具有线性关系,不论是在横向方向还是纵向方向,而且消除了x、y两个方向偏移量的交叉敏感,这使得消除四象限光电探测器安装位置偏差带来的影响成为可能,提高了探测器的应用效率和测量/对准的准确度.模型的实测结果表明,经优化后的系统微位移检测误差与对准误差均小于2μm.     

四象限光电探测器用于表面形貌测量的研究

提出了一种PIN田字形四象限光电探测器接收激光干涉条纹的空间布置方法.利用积分分析法分析了在理想干涉条纹下,条纹宽度d和条纹旋转角度β与光电探测器差分信号幅值和相差的关系,并给出了满足正交条件的合适的条纹宽度d以及对应的条纹旋转角度β.设计了PIN型四象限光电探测器用于三维表面形貌测量的前置放大电路.实验应用结果表明,PIN型四象限光电探测器的差分信号能满足计数和细分要求,用于拾取激光干涉条纹能达到纳米级分辨率,能满足微纳米表面形貌测量的要求.     

微位移检测系统中精密光电转换电路设计

基于像散原理的光学检测系统,是通过对光路系统聚焦信号的离焦量FES的检测实现微位移的测量.四象限光电探测器作为检测系统的光电转换传感器,需要设计光电探测器电路,实现对FES信号的检测,并由微单片机系统采集处理,通过串口通信传给PC机进行数据存储和被测对象二维图像分析和重建.通过将所设计的电路集成在光学测头装置上进行实验测量,光电转换信号稳定,相对误差小于5%.     

RFID技术在机器人定位系统中的应用研究

为解决移动式机器人使用编码器定位法所产生的累积误差,以RFID技术代替传统光电编码器,以接收信号强度定位法定位,计算目标点坐标,结合灰色预测法对机器人旋转角度有效预测,缩短机器人移动路径。实验证明,相较于光电编码器导航定位系统,在半径4米的移动范围中,灰色导航定位系统能降低误差75.22%,距离误差控制在半径60cm内,有效解决了光电编码器的累积误差问题。     

两步法测量编码器测角误差

由多面体和自准直仪组成的编码器角度检测系统测量编码器误差,得到的编码器误差中不但包含编码器误差,而且包含多面体检定误差.根据两步法的使用条件,将两步法应用于光电轴角编码器测角误差数据的处理,分别得到多面体检定误差和编码器测角误差,误差分离的结果与采用其他方法得到的结果相近,但用两步法计算需要的测量数据大大减少.比较结果证明,与其他测量方法相比,此方法可以提高测量效率90%以上,缩短检测时间近80%.     

基于灵敏度补偿的四象限探测器定位算法的研究

提出了一种改进微位移测量系统中四象限探测器测量精度的新算法。激光在传播过程中会发生光斑参数的变化,从而带来一定的测量误差。通过建立四象限灵敏度与光程长度之间的函数关系,并将此函数关系引入到四象限的测量算法中,实现对由于激光传播而引起的四象限测量误差的补偿。在传统的测量算法与本文提出方法的精度比对结果中,本文提出的算法模型精度相较于传统算法精度提升了23%,有明显的改进效果。     

基于QPD的二维角位移精密测量传感技术研究

为解决二维角位移高精度精密测量的问题,研究了一种基于QPD的二维角位移测量方法。以LED作为光源,低暗电流、高灵敏度的四象限光电探测器作为检测元件,采用光学杠杆式的测角方法形成测量系统。分析了光斑大小对测量结果的影响,并搭建高集成实验系统进行验证。测试实验结果表明:测角分辨力达到1″,在2mrad量程内,非线性度为0.18%,数据采集与传送延时为250μs。该方法可用于精密光机系统,以便高精度实时监测高速运动元件的二维角运动。     

探测光斑尺寸对热透镜聚焦误差信号的影响

为研究探测光斑尺寸对热透镜聚焦误差信号的影响,建立了基于光学相移理论的热透镜聚焦误差信号理论模型,给出了构型参数优化条件及最大聚焦误差信号的理论值。通过数值计算,分析了探测光斑尺寸对聚焦误差信号及其线性范围的影响。计算结果表明:聚焦误差信号随着探测光斑半径的增大先增大后减小,当探测光斑半径为激励光斑半径的1.14倍时聚焦误差信号最大,与理论结果一致;聚焦误差信号的线性范围随着探测光斑半径的增大而减小,在探测光的最大光学相移小于0.4 rad时,聚焦误差信号的非线性误差小于1%。     

逐点比较圆弧轨迹插补在过象限时用符号判别法的分析

逐点比较法传统的处理是采用查表法，查表法处理起来相当麻烦，该文用符号判别法对圆弧轨迹插补能自动过象限进行了证明与分析。从中得到符号判别法较查表法的优点。     

随动压力分布下的非球面抛光去除函数

考虑去除函数对数控小工具抛光光学元件精度的影响,提出了如何根据需要加工的非球面参数以及抛光盘参数得到最优去除函数的方法。由于计算非球面上去除函数的核心是准确获得抛光盘与镜面间的动态压力分布,本文提出利用有限元法仿真抛光盘与非球面间的压力分布,并结合经典Preston方程与行星运动模型来得到非球面不同位置处的去除函数。基于随动压力分布模型,分析了沥青盘抛光非球面时在不同抛光位置处去除函数的变化。在曲率半径为1 000mm的球面上进行了去除函数验证实验。结果表明:基于本文理论得到的去除函线型更接近实际情况,皮尔逊系数达到了0.977。本文提出的方法可以方便地调整加工位置来得到相应的压力分布,实现去除函数的优化,对提高加工效率与精度有实际指导意义。     

Volumetric phase-measuring interferometer for three-dimensional coordinate metrology

We present a volumetric interferometer that has been specially designed to improve the measurement accuracy of the three-dimensional coordinate metrology by reducing excessive Abbe offsets. The interferometer is composed of two main parts; one is a three-dimensionally movable target and the other is a stationary two-dimensional array of photo-detectors. The target made of point diffraction sources emanates two spherical wavefronts, of which interference intensity is monitored by the photo-detectors. Applying phase shifting allows the phases of the photo-detectors to be precisely obtained, and the measured phases are fitted to a geometric model of multilateration so as to determine the xyz-location of the target by minimizing least square errors. A prototype built on a CMM demonstrates that the proposed interferometer is capable of measuring the xyz-coordinates of the probe with a volumetric uncertainty of less than 1.0 μm.     

一种基于双目相机与单点激光测距仪的标定方法

近年来,随着工业机器人技术的不断完善,利用相机与激光测距仪结合测量的应用不断增多。为了使两者之间配合的更加便利,两者之间的标定是必不可少的。本文提出了一种基于双目相机与单点激光测距仪的标定方法,以双目相机光心为原点,建立相机坐标系。将单点激光测距仪光点打到标定板上,并在标定板上形成光斑,通过灰度重心法提取光斑中心像素点,利用双目相机的内参矩阵及深度数据获取光斑点的三维坐标值。然后利用两个三维坐标点建立公式求取外参参数的粗略解,同时通过相机坐标系下多个光斑点的三维坐标建立约束方程,并利用优化算法对约束方程进行优化,得到精确的外参参数值。该方法做法简单,且对标定器件无特殊要求,通过该方法得到的外参参数精度高,鲁棒性好。实测结果表明,通过该算法得到的外参参数进行重投影后,平均相对误差小于0.30%,能够应用于实际生产过程中。     

基于光纤的能见度测量方法

提出了一种利用前向散射光束和透射光束测量近地大气横向能见度的方法。以阶跃折射率光纤作为空间滤波器限制散射光束和透射光束接收的视场角以及前向散射测量光束和大气散射辐射的背景干扰;采用相关检测法,排除测量通道视场角内的大气背景干扰,提高洁净大气条件下散射光强度信号测量的信噪比;对测量装置结构进行优化设计,减小热形变的影响;另一方面引入阶跃折射率光纤,使投射到光电探测器接收表面的光束光斑位置保持不变,进一步减弱形变对测量精度的影响。能见度的值用散射光强度和透射光强度之比表示,光源强度的变化和光学元件的污染对测量的影响可不考虑。用此方法测得的能见度与按严格定义的透射法所测能见度的相关系数约为98.2％。     

月基望远镜探测能力的地面标定

采用模拟试验在地面测试了月基望远镜(LOT)的星等探测信噪比及弥散斑能量集中度,用以验证望远镜的探测能力.与传统的通过分析CCD各项参数对噪声的影响来获得信噪比的方法不同,本文提出的方法客观、直接地通过图像信息来计算星点目标信噪比,其目标信噪比测试不确定度可优于8％.在测试弥散斑能量集中度时,通过质心算法求其弥散斑能量中心,进而提出了一种星点弥散斑高斯拟合方法来拟合弥散斑能量分布曲线.这种高斯拟合方法可使弥散斑能量集中度的测试精度提高10％.最后,通过试验测试了LOT相机星等探测信噪比及弥散斑能量集中度,验证了LOT相机+15 Mv的探测能力.     

机载光电稳定平台检测技术的研究

给出了机载光电稳定平台的检测技术及方法,并提出了一种动态靶标的结构方案及原理,使其能够进行静态、动态的参数测试,尤其是可见光和红外成像系统同时工作时各种参数的测试。在此基础上为建立测量基准的传递方法、形成系统的光电侦察平台总体检测技术提供必要的准备和基础。着重阐述了机载光电稳定平台的静态、动态时的角度测量方法,首次提出了一种利用光线对接方法,实现可见与红外同时测量。还提出了一种数学计算方法,通过两个角度的测量和空间矢量法计算,得出动态靶标的空间坐标,以此作为机载光电稳定平台的指向坐标的真值,并给出了动态靶标的静态与动态精度的标定方法。     

基于序列图像提高光斑质心定位精度

针对激光模拟射击系统对激光光斑进行快速、高精度质心定位的要求,提出了一种基于视频序列图像的光斑检测与高精度质心定位方法。该方法首先利用帧间差分图像和噪声估计参数对射击突发事件进行检测;然后利用噪声估计方法确定光斑的分割阈值,结合形态学滤波对目标光斑和背景噪声进行有效分割,提取光斑区域,同时降低窗口内外噪声。最后,用4帧差分图像合成1帧高分辨率的图像来抑制图像噪声和计算误差的影响,实现光斑质心的高精度定位。实验结果表明,本文方法的光斑质心定位精度与稳定性均优于传统的方法;其中光斑质心定位精度达到了亚像素级别,稳定性度量平均值为0.000 49,优于传统方法的0.002 97。得到的结果显示,提出的方法有助于提升激光射击系统的性能。     

点焊机器人轨迹能耗模型及其优化算法研究

提出一种点焊机器人最优能耗轨迹优化方法,将机器人关节空间中的关键点用五次多项式曲线连接,并基于机器人动力学建立了永磁交流伺服电机驱动的点焊机器人轨迹能耗模型。在考虑运动学、动力学及生产周期约束的情况下,采用蜜蜂进化型遗传算法求解了点焊机器人最优能耗轨迹。为保证算法全局寻优和收敛速度,构建了一种非线性适应度函数。仿真结果表明,与之前算法相比,求解效率更高,且最优能耗轨迹较最短时间轨迹能耗明显减少。