如何設(shè)計(jì)新型光電定向系統(tǒng)？

1 基本原理

光電定向是指用光電系統(tǒng)測定目標(biāo)的方向，這是光學(xué)雷達(dá)和光學(xué)制導(dǎo)的重要組成部分,利用光電系統(tǒng)可以直接、間接測定目標(biāo)的方向，該系統(tǒng)主要由發(fā)射部分、光電探測器，信號(hào)處理電路，A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 具體實(shí)現(xiàn)

2.1 發(fā)射部分

光發(fā)射電路主要由光源驅(qū)動(dòng)器、光源（主要是半導(dǎo)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)射電路來驅(qū)動(dòng)650nm的激光器，為了使半導(dǎo)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(wěn)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(biāo)要求排列而成的光電探測器件，目標(biāo)光信號(hào)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)焦平面上或稍離開焦平面，當(dāng)目標(biāo)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(hào)幅度不相同，比較4個(gè)光電信號(hào)的幅度大小可以知道目標(biāo)成像在哪個(gè)象限上（也就知道了目標(biāo)的方位）。

四象限光電探測器是通過測量來自激光束的光斑質(zhì)心的位置變化，并借助某種算法來同時(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(duì)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(shù)，是一常量。

當(dāng)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)方向的直線度誤差為0,當(dāng)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(hào)處理電路

四象限光電探測器將接收的4路光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)過放大后送入信號(hào)處理部分，單脈沖定向系統(tǒng)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(jí)，也許更窄。而重復(fù)頻率比較低，一般為幾十赫，這種信號(hào)要用來指示或控制，需要經(jīng)過放大與展寬。由于4路相同，4路信號(hào)采用完全相同的電路，首先通過放大器對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)送入展寬電路（見圖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(yīng)快，又要保持響度較長的時(shí)間，而且還需要有較高的線性輸出，所以展寬電路實(shí)質(zhì)上是用于將目標(biāo)脈沖信號(hào)在顯示時(shí)有一個(gè)持續(xù)時(shí)間，以便觀察。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換和單片機(jī)部分

實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字顯示必須對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)需要考慮轉(zhuǎn)換的精度和速度，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)決定了轉(zhuǎn)換的精度，時(shí)鐘頻率決定了轉(zhuǎn)換的速度，通過A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)再送入單片機(jī)[,然后通過RS-232連接線與計(jì)算機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)上顯示數(shù)字輸出。

在光電定向?qū)嶒?yàn)儀中，單片機(jī)的任務(wù)是：4路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，與上位機(jī)的串口通信，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

單片機(jī)的整體程序框圖如圖5所示。

4路采樣信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳送到單片機(jī)，經(jīng)過處理，確定光斑質(zhì)心的坐標(biāo)，將質(zhì)心的坐標(biāo)及4個(gè)象限的信號(hào)值送上位機(jī)顯示。

單片機(jī)負(fù)責(zé)傳輸轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，并接收上位機(jī)下達(dá)的指令來控制步進(jìn)電機(jī)。上位機(jī)下達(dá)控制指令，通過單片機(jī)傳到步進(jìn)電機(jī)，上步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2.5 上位機(jī)顯示

單片機(jī)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信，將通過A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)處理的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)顯示。

上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)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(hào)的強(qiáng)弱（由電壓表示）；

b）實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)光源的運(yùn)動(dòng)軌跡；

c）實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)光源的二維坐標(biāo)；

d）實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的手動(dòng)跟蹤和自動(dòng)跟蹤。

每個(gè)象限的光強(qiáng)伏值可以直接從單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)讀取；目標(biāo)光源的運(yùn)動(dòng)軌跡可以固定光斑的半徑，而通過確定光心位置坐標(biāo)的改變來觀察光源的運(yùn)動(dòng)軌跡，而且直觀地把目標(biāo)光源的中心坐標(biāo)顯示出來，但要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的手動(dòng)跟蹤和自動(dòng)跟蹤，則要通過手動(dòng)平移臺(tái)和電控平移臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)控制是希望通過在目標(biāo)控制界面下直接輸入目標(biāo)坐標(biāo)來直接定位探測器。在計(jì)算機(jī)中輸入目標(biāo)的坐標(biāo)，單片機(jī)接收上位機(jī)的指令，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，把從計(jì)算機(jī)讀入的數(shù)值和從步進(jìn)電機(jī)讀取的數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者在一個(gè)很小的誤差范圍內(nèi)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，而光斑也到了需要達(dá)到的位置，從而實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)控制。

自動(dòng)控制是指當(dāng)偏移目標(biāo)時(shí)，可以通過自動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤，當(dāng)單片機(jī)檢測到從計(jì)算機(jī)讀入的坐標(biāo)和從電控平移臺(tái)讀取的坐標(biāo)不一致時(shí)，就會(huì)給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)驅(qū)動(dòng)指令，從而控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)控制。

3 結(jié)語

本文介紹的這種裝置是目前應(yīng)用最廣泛的一種光電定向方式，在實(shí)際應(yīng)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(dǎo)、光電準(zhǔn)直，光電自動(dòng)跟蹤、光電制導(dǎo)和光電測距等技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。