CN111750773B - 测量不同光斑点在位置敏感探测器上响应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量不同光斑点在位置敏感探测器上响应的方法，首先搭建操作台，再进行近场实验或远场实验。采用PSD配合光学镜头可增大视线角，操作台可灵活改变其姿态；当激光器固定时，通过改变光学镜头的姿态，可得到遍布整个光敏面的不同的光斑。本发明实现了近距离直射光与远距离反射光下形成不同光斑进行测量，解决了传统测量平台的繁重、不易搬动且只能测量直射光响应的问题，为后续数据的非线性校正特别是对带有安装误差的PSD的非线性校正提供了新方法。

Description

测量不同光斑点在位置敏感探测器上响应的方法
技术领域
本发明光电探测领域，特别是一种测量不同光斑点在位置敏感探测器上响应的方法。
背景技术
由于位置敏感探测器（Position Sensitive Detectors，PSDs）是一种高分辨率、实时性好的光电位置敏感器件，它具有广泛的应用背景。随着PSD上成像光斑位置的变化，其四边输出的电流也随之变化，将输出的电流带入公式解算，即可反推算出成像光斑的位置。但是由于PSD固有结构的原因，其本身的输出响应存在非线性，因此，在实际应用PSD前，往往需要搭建测量平台对其进行非线性校正。
李兴达在硕士论文《基于PSD的光点空间位置测量技术研究》中提出一种测量方法，即将激光器放置于一个可以左右滑动的滑块上，将位置敏感探测器固定在钢板上，钢板置于可三维调节的三脚架上。固定激光器的Y方向位置不变，在光源距离探测设备12m、14m和16m处，分别将光源沿X方向等间隔移动并测量其闪光的位置，光源移动的范围为2m，移动间隔为100mm，测量其直射出的光斑在PSD上的响应位置；然后固定光源水平位置不变，在光源距离设备12m、14m和16m处，分别将光源沿Y方向等间隔移动并测量其直射的光斑在PSD上的响应位置，光源移动的距离为垂直于地上1m，移动间隔为100mm，测量其在PSD上的响应位置。文中在光斑位置测量实验中采取的是探测器静止，光源移动，从而在探测器表面产生一系列光斑。由于李兴达的实验目的是观察测量设备的精确度和重复性，因此选择了放置光源在距离探测器不同的三个位置依次从左往右扫描，从而各形成一条直线，再固定X方向不变，在不同距离处从上往下各扫描一条直线。但是PSD的探测面实际为一个几毫米*几毫米的平面，同时在探测面的边缘存在畸变，因此用测量PSD探测面内的任意一条水平线或竖直线的精确度和重复性来代表整个平面水平方向的精确度和重复性有失严谨度。
杭州富通仪器有限公司研制的PSD自动综合性能检测系统，其采用固定PSD，由步进电机控制激光器的方法测量光斑位置。先设置激光器的扫描起始点，然后控制步进机每次的步进距离来控制激光器移动，从而在PSD上扫描出一系列的点，并进行后续操作如非线性校正。该测量系统主要应用于激光器在较近的距离直射PSD，然后进行光斑的响应位置测量的应用场合。但是因为实验需要在避光的条件下进行，所有结构设计得非常紧凑。此外，实际应用PSD时，为了增大PSD的视场角，往往会在PSD前安装一个光学镜头，此时除了PSD的物理结构会带有非线性以外，还会存在安装误差，PSD外部的复杂结构使其难以在这类检测系统上进行光斑测量实验，并且实际应用中，对于不同的实验对激光器的要求也不一样，该综合性能检测系统的自带的氙灯光源不一定满足所有实验对光源的要求。因此，需要设计一种测量光斑位置的新方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量不同光斑点在位置敏感探测器上响应的方法，实现了在近场实验（即激光器在较近距离直射PSD）或远场实验（即激光器照射目标后，经目标漫反射的光束被PSD探测）两种实验环境下对不同光斑进行测量，解决了传统测量平台的繁重、不易搬动且只能进行近场实验的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量不同光斑点在位置敏感探测器上响应的方法，步骤如下：
步骤1、搭建操作台：
所述操作台包括PSD、光学镜头、精密平移台、精密旋转台、精密角位移台和光学镜头托架，其中精密旋转台固定在精密平移台顶面，精密角位移台固定在精密旋转台顶面，光学镜头托架固定在精密角位移台顶面，将PSD装入光学镜头中，将光学镜头自光学镜头托架的前端面装入光学镜头托架中，并确保光学镜头的接收面与光学镜头托架的前端面平齐，转入步骤2；
步骤2、进行近场实验，转入步骤3；进行远场实验，转入步骤5；
步骤3、将激光器与光学镜头中心粗对准，开启激光器，使得光学镜头中的PSD采集到激光器发出的激光束的响应，通过观察PSD的四路输出电流值调整精密旋转台或精密角位移台，使得激光束与PSD中心对准，转入步骤4；
步骤4、根据实验要求，改变精密旋转台的角度或精密角位移台的角度，得到一系列光斑集，用于进行PSD的非线性校正；
步骤5、将操作台放置在激光器顶面，开启激光器，对准并照射远处的目标，产生漫反射的部分光进入光学镜头的视线角内，PSD采集到激光束的响应光斑，转入步骤6；
步骤6、改变精密旋转台的角度或精密角位移台的角度，得到一系列光斑集，所述光斑集经过校正后，得到光斑在PSD上的位置，用于确定目标与PSD的相对方位，即可模拟装有PSD的弹丸在不同姿态下与目标的相对位置变化。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）便携：因为大功率激光器往往体积大重量大，不易搬动，若用电机来控制激光器的上下左右方向扫描，不安全。本发明采用激光器不动，将激光器固定在重量为1.3kg的俯仰和偏航角度可调整的操作台上，可将其作为一个整体放置在光束照射的区域内，改变俯仰或偏航，得到不同的光斑点。
（2）可模拟弹丸飞行中的偏航和俯仰：在激光制导武器中，从远处反射的激光可近似为平行光，带光学镜头的PSD作为指导炮弹的导引头随着弹丸仪器做俯仰或偏航运动，本发明方法可较好地模拟弹丸在飞行途中不同姿态下的光斑响应。
（3）光源固定，通过改变俯仰和偏航角，光斑理论上可便历整个光敏面，具体取决于每次旋转的角度。
（4）可配合任意激光器使用，本方法采取激光器固定，探测器移动的测量光斑响应位置的方法可配合任何无重量限定、无功率限定的激光器使用，同时PSD操作台重量仅几克，也降低了激光器在运动过程中损坏的可能性。
附图说明
图1为本发明所述的测量不同光斑点在位置敏感探测器上响应的方法的流程图。
图2 为本发明进行近场实验时光斑测量实验示意图。
图3 为本发明进行远场实验时光斑测量实验示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种测量不同光斑点在位置敏感探测器上响应的方法，步骤如下：
步骤1、搭建操作台，所述操作台包括PSD 4、光学镜头5、精密平移台8、精密旋转台7、精密角位移台6和光学镜头托架3，其中精密旋转台7固定在精密平移台8顶面，精密角位移台6固定在精密旋转台7顶面，光学镜头托架3固定在精密角位移台6顶面，将PSD 4装入光学镜头5中，将光学镜头5自光学镜头托架3的前端面装入光学镜头托架3中，并确保光学镜头5的接收面与光学镜头托架3的前端面平齐，转入步骤2。
步骤2、进行近场实验，转入步骤3；进行远场实验，转入步骤5；
步骤3、结合图2，将激光器1与光学镜头5中心粗对准，开启激光器1，使得光学镜头5中的PSD 4采集到激光器1发出的激光束2，通过观察PSD 4的四路输出电流值（示波器上的读数）调整精密旋转台7或精密角位移台6，转入步骤4；
步骤4、根据实验要求，改变精密旋转台7的角度或精密角位移台6的角度，得到一系列光斑集，对其进行非线性校正；
步骤5、如图3所示， 将操作台放置在激光器1顶面，开启激光器1，对准并照射远处的目标9，激光器1发出的激光束2直射目标9，产生漫反射的部分光进入光学镜头5的视线角内，PSD 4采集到光斑，转入步骤6；
步骤6、改变精密旋转台7的角度或精密角位移台6的角度，得到一系列光斑集，所述光斑集经过校正后，用于确定目标9与PSD 4的相对方位，即可模拟装有PSD 4的弹丸在不同姿态下与目标的相对位置变化。
进行上述实验时，电源分别与PSD 4和信号放大电路连接，信号放大电路连接示波器。
精密平移台8用于控制顶面连接的精密旋转台7及与其固定连接的器件在量程范围内前后位移。
精密旋转台7用于控制顶面连接的精密角位移台6及与其固定连接的器件在量程范围内左右偏航运动。
精密角位移台6用于控制顶面连接的光学镜头托架3及与其固定连接的器件在量程范围内俯仰运动。

Claims (1)

1.一种测量不同光斑点在位置敏感探测器上响应的方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1、搭建操作台：
所述操作台包括PSD（4）、光学镜头（5）、精密平移台（8）、精密旋转台（7）、精密角位移台（6）和光学镜头托架（3），其中精密旋转台（7）固定在精密平移台（8）顶面，精密角位移台（6）固定在精密旋转台（7）顶面，光学镜头托架（3）固定在精密角位移台（6）顶面，将PSD（4）装入光学镜头（5）中，将光学镜头（5）自光学镜头托架（3）的前端面装入光学镜头托架（3）中，并确保光学镜头（5）的接收面与光学镜头托架（3）的前端面平齐，转入步骤2；
步骤2、进行近场实验，转入步骤3；进行远场实验，转入步骤5；
步骤3、将激光器（1）与光学镜头（5）中心粗对准，开启激光器（1），使得光学镜头（5）中的PSD（4）采集到激光器（1）发出的激光束（2），通过观察PSD（4）的四路输出电流值调整精密旋转台（7）或精密角位移台（6），转入步骤4；
步骤4、根据实验要求，改变精密旋转台（7）的角度或精密角位移台（6）的角度，得到一系列光斑集，用于进行PSD的非线性校正；
步骤5、将操作台放置在激光器（1）顶面，开启激光器（1），对准并照射远处的目标（9），激光器（1）发出的激光束（2）直射目标（9），产生漫反射的部分光进入光学镜头（5）的视线角内，PSD（4）采集到光斑，转入步骤6；
步骤6、改变精密旋转台（7）的角度或精密角位移台（6）的角度，得到一系列光斑集，所述光斑集经过校正后，用于确定目标（9）与PSD（4）的相对方位，即可模拟装有PSD（4）的弹丸在不同姿态下与目标的相对位置变化。
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