四象限激光定位测量技术研究

论文摘要

随着军事科技的不断发展,激光定位测量技术广泛应用于激光告警、激光定位跟踪、线位移或角位移测量等领域。本文正是以激光探测领域中的激光告警为主要研究背景,研制出一套基于四象限探测器的激光定位与测量系统。对于激光定位测量系统而言,光敏器件的性能、定位算法及信号处理电路、和测量环境都是影响测量精度最主要的原因。因此,本文将对影响探测精度的原因进行分析和建模,由此对常用的定位算法进行研究并改进,且将测量系统在FPGA上硬件实现。首先,对所选四象限探测器的性能进行分析说明,之后通过仿真比较四种常用定位算法的优缺点,选取了适用性范围更广的加减算法模型。同时分析定位测量系统的硬件结构,包括镜头参数的设计、自增益放大电路及信号处理板的分析说明,并确定光斑大小的选择。通过分析光电信号的处理过程,选择了自增益放大电路加脉冲提取的信号处理方式。其次,分析探测系统测量过程中出现误差的一些因素,在传统加减算法的基础上提出了在实际测量情况中较常出现的光斑能量呈椭圆高斯分布的情况,并考虑探测器盲区及在大视场情况下镜头畸变对光斑能量分布的影响。同时分析了探测系统的误差还包括多光源干扰、背景光、暗电流、电路非均匀性及机械误差造成的测量误差。分别对每一种误差进行建模仿真及实验验证,最终得出误差的修正及标定方法。最后,设计并搭建了一套完整的四象限激光定位测量系统,并结合本文的修正算法,利用实验验证了本系统在测量精度及线性范围上都有了很好的提高。且实验在多种光照强度下进行,而系统的测量精度及线性范围并未受到电路增益变化的影响,验证了本系统中自增益放大电路的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题研究的背景及意义
•   1.2 国内外对四象限探测系统的研究现状
•   1.3 常用激光探测方法的选择
•   1.4 本论文研究内容
• 2 基于四象限激光定位测量系统的原理与分析
•   2.1 系统的探测器选择
•   2.2 基于四象限的激光定位原理
•   2.3 常用光斑质心定位算法模型
•     2.3.1 加减算法
•     2.3.2 对角线算法
•     2.3.3 对数算法
•     2.3.4 Δ/Σ算法
•     2.3.5 各算法的适用性比较
•   2.4 本章小结
• 3 激光定位系统的硬件结构与算法实现
•   3.1 镜头参数
•   3.2 系统电源
•   3.3 主放大电路
•   3.4 信号采集和处理模块
•     3.4.1 电源部分
•     3.4.2 串口部分
•     3.4.3 信号采集部分、数据缓存与数据处理部分
•     3.4.4 注意事项
•   3.5 本章小结
• 4 四象限探测系统的关键问题的建模分析及实验验证
•   4.1 椭圆非均匀光斑造成的测量误差
•     4.1.1 椭圆高斯分布对四象限探测器测量结果的影响
•     4.1.2 盲区宽度对四象限探测器测量结果的影响
•     4.1.3 实验与分析
•   4.2 多光源干扰造成的测量误差
•     4.2.1 输入光能量与输出电信号呈线性关系
•     4.2.2 输入光能量与输出电信号呈非线性关系
•     4.2.3 多光源信号输入时探测器输出特性的仿真分析
•     4.2.4 实验与分析
•   4.3 镜头畸变对角度测量造成的误差影响
•     4.3.1 透镜畸变对入射光斑形状和能量分布的影响
•     4.3.2 畸变光斑的模型推导
•     4.3.3 透镜畸变对大视场中探测器测量结果的影响
•     4.3.4 实验与分析
•   4.4 探测器性能影响因素的修正算法
•     4.4.1 环境背景光及暗电流噪声造成的影响
•     4.4.2 探测器及电路的非均匀性造成的误差影响
•     4.4.3 均匀性及噪声修正算法和对探测器标定方法的改进
•   4.5 机械误差造成的误差影响
•   4.6 算法的硬件实现
•   4.7 探测系统的实验验证
•   4.8 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 本文主要工作
•   5.2 本论文创新点
•   5.3 研究与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蔡贵霞

导师: 钱惟贤

关键词: 激光探测,椭圆高斯,加减算法,误差修正

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 南京理工大学

分类号: TN247

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.000326

总页数: 77

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