CN116519022A - 基于psd信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统及方法 - Google Patents

基于psd信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统及方法。属于稳定精度测试领域，具体涉及光电吊舱稳定精度测试领域。其解决了以往的光电吊舱稳定精度测试方法的精度不高、测试设备复杂及难以实现高角振动频率下的测量的问题。所述系统包括：半导体激光器模组、半反半透镜，二维PSD及处理电路板，信号传输线缆、上位机、平面反射镜和三轴摇摆台；所述方法采用所述系统进行光电吊舱稳定精度测试。本发明所述系统及方法可以应用在光电吊舱测试技术领域、光电吊舱生产制造领域以及其他与光电吊舱类似设备的稳定精度测试领域。

Description

基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统及方法
技术领域
本发明属于稳定精度测试领域，具体涉及光电吊舱稳定精度测试领域。
背景技术
光电吊舱是一种用于光电探测、目标跟踪的机载或车载设备，通常装有可见光、红外相机和激光器等载荷，常用于军事领域情报收集、目标跟踪定位，民用领域搜索救援、环境监测和森林防火等。在使用光电吊舱时，稳定精度是最重要的指标之一，吊舱工作时受载机姿态扰动，气流等影响，会导致成像时图像发生抖动，获取图像分辨率下降，无法进行判读及后续图像处理，或导致跟踪的目标丢失等问题。因此，稳定精度指标的快速、准确且简单的检验方法或装置就变得非常重要。
常规的稳定精度测试方法有基于跟踪器脱靶量采集方式，基于图像处理的自准直方式和基于陀螺反馈信号采集方式等。其中脱靶量采集和图像处理方式受限于图像输出帧频和探测器像元尺寸大小，需要配合电视跟踪器和图像处理模块，难以实现高角振动频率下的高精度测量。而基于陀螺反馈信号采集方式需要额外安装测试陀螺或利用吊舱安装陀螺信号，稳定精度误差包含考虑陀螺零漂，结构装调的等误差，且属于间接测量稳定精度。
发明内容
为了解决以往的光电吊舱稳定精度测试方法的精度不高、测试设备复杂及难以实现高角振动频率下的测量的问题，本发明提供一种基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统及方法。
方案一、基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统，所述系统包括：半导体激光器模组、半反半透镜、二维PSD、处理电路板、信号传输线缆、上位机、平面反射镜和三轴摇摆台；
所述三轴摇摆台用于承载待测吊舱；所述平面反射镜固定在所述待测吊舱上；所述半导体激光器模组发射准直激光光束至半反半透镜，经所述半反半透镜透射射入平面反射镜，经该平面反射镜反射至半反半透镜，经该半反半透镜反射后入射至二维PSD的光接收面；
所述二维PSD输出信号给处理电路板，所述处理电路板根据接收的信号获得光斑位置信息，并将所述光斑位置信息发送给上位机，所述上位机根据所述光斑位置信息获取光电吊舱稳定精度。
进一步，所述测试系统还包括窄带滤光片；所述窄带滤光片覆盖在所述二维PSD的光接收面上。
进一步，处理电路板包括电流电压转换放大模块、AD转换模块、MCU滤波及位置计算模块和接口模块；
电流电压转换放大模块接收所述二维PSD的输出信号，并将接收的信号转化为电压信号之后放大，所述放大后的电压信号输入AD转换模块，所述AD转换模块将输入的电压信号转换为数字信号，并将所述数字信号输入MCU滤波及位置计算模块，所述MCU滤波及位置计算模块输出光斑位置信息，所述光斑位置信息通过接口模块输出给上位机。
进一步，所述半反半透镜与半导体激光器模组发射的准直激光光束夹角45°。
进一步，二维PSD的光接收面与半导体激光器模组发射的准直激光光束相平行。
进一步，所述上位机根据所述光斑位置信息获取光电吊舱稳定精度的方法为：
S1、将所述光斑位置信息值N组{(X1, Y1), (X2, Y2),…(XN, YN)}存储，并通过：
；
；
获取x,y轴方向的二维PSD上光斑位置均值，其中表示x轴方向光斑位置均值，/>表示y轴方向光斑位置均值，N表示光斑位置统计样本数；
S2、以1倍标准差获取x,y轴方向的二维PSD测量结果的位移，通过：
；
；
获得，其中，表示以1倍标准差获取的x轴方向的二维PSD测量结果位移，/>表示以1倍标准差获取的y轴方向的二维PS测量结果位移；
S3、获取光电吊舱稳定精度，通过：
；
；
分别获得光电吊舱在x轴上的稳定精度，用表示，和光电吊舱在y轴上的稳定精度，用/>表示；L表示平面反射镜中心与半反半透镜中心水平距离，d表示半反半透镜与二维PSD像面距离；
S4、将光电吊舱z轴旋转90度，代替原光电吊舱x轴或y轴位置，再将旋转后的光电吊舱沿竖直方向摆放在所述三轴摇摆台上，然后重复步骤S1-S3，获得的光电吊舱在x轴或y轴上的稳定精度即为光电吊舱在z轴上的稳定精度。
方案二、基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试方法，所述方法包括如下步骤：
所述方法使用如方案一所述的系统进行，所述方法包括如下步骤：
S5、待测的光电吊舱处于编码器位置控制模式，锁定不动，开启半导体激光器模组电源使其发射准直激光光束，通过调整光电吊舱xy轴运动来控制平面反射镜角度，使所述准直激光光束的光斑落在二维PSD光接收面的中心位置，然后锁定光电吊舱编码器位置；
S6、向上位机输入平面反射镜中心与半反半透镜中心水平距离值L、半反半透镜与二维PSD光接收面距离值d和光斑位置统计样本数N；
S7、向三轴摇摆台输入正弦测试的幅值和频率，光电吊舱切换编码器位置模式到陀螺稳定模式，启动摇摆台做正弦运动；
S8、二维PSD的光接收面接收到激光光束后，输出信号给处理电路板，处理电路板根据接收的信号获得光斑位置信息，通过信号传输线缆实时传输到上位机上并获取光电吊舱稳定精度。
本发明所述系统的有益效果为：
（1）用激光做为测量光电吊舱稳定精度的媒介，当光电吊舱摆动时，位置发生变化时，固定在光电吊舱上的反射镜会通过对激光的反射将光电吊舱的微小位置变化进行准确的转换，然后又通过半反半透镜进行放大，如此经过转换和放大后更加便于二维PSD及处理电路板对光斑位置变化进行感应及计算。
所述系统利用二维PSD作为位置检测元件，在光电吊舱随着摇摆台摆动过程中实时测量激光器发出的光斑位置变化，根据变化结果计算出光电吊舱的稳定精度，将激光光束作为反应光电吊舱位置变化的媒介，激光光束传播速度极快，并且能量损失小，既能保证感应的时速又能保证感应的精度，解决了常规方式无法进行高精度的、高角振动频率下的稳定精度测量问题。
（2）由于PSD信号提取属于弱信号提取，信号噪声干扰多，对信号的提取放大和滤波的要求非常高，否则导致测量结果不准确，以往较少应用在干扰较多的精度测量领域，本发明将二维PSD扩展为一个集成的系统，包括二维PSD、处理电路板及窄带滤光片，其中窄带滤光片用于去除杂波的“光”噪声干扰，处理电路版用于减少电流噪声干扰；采用双重滤波处理可以大大增加二维PSD位置检测的精度，从而进一步提高所述系统的检测精度。
（3）自主设计处理电路板的结构，用于作为二维PSD与上位机的连接媒介，处理电路板实现了多功能复用，承担上位机的一部分计算功能，对光斑位置进行计算，减少了上位机的计算量，从而加快上位机的响应过程。
本发明所述系统及方法可以应用在光电吊舱测试技术领域、光电吊舱生产制造领域以及其他与光电吊舱类似设备的稳定精度测试领域。
附图说明
图1为本发明实施例所述光电吊舱稳定精度测试系统；
图2为本发明实施例所述二维PSD、处理电路板与窄带滤光片连接图；
图3为本发明实施例所述处理电路板结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1、
本实施例提供一种基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统，如图1所示，所述系统包括：半导体激光器模组1、半反半透镜2，二维PSD31、处理电路板32，信号传输线缆4、上位机5、平面反射镜6和三轴摇摆台7；
测试时，将所述待测吊舱沿竖直方向摆放在所述三轴摇摆台7上，并将所述平面反射镜6沿竖直方向固定在待测吊舱上，所述半导体激光器模组1发射的准直激光光束，经过半反半透镜2的透射，光束照射到平面反射镜6上，再折回到半反半透镜2，并经过半反半透镜2反射到二维PSD31的光接收面上，二维PSD31输出信号给处理电路板32，并且由处理电路板32计算出光斑位置信息，并将所述光斑位置信息通过信号传输线缆4实时传输到上位机5上，由上位机5进行处理获取光电吊舱稳定精度。
所述半导体激光器模组1波长需为人眼可见范围390nm～790nm内，方便测试前调整光斑在二维PSD31像面的位置，且激光等级为人眼安全1级。半导体激光器模组1发出的光束，要求在2米远距离，准直光束所形成的光斑直径不大于3mm，适合二维PSD31像面的接收。
所述半反半透镜2以装置基座水平倾斜45°安装，保证半反半透镜2与半导体激光器模组1发射的准直激光光束夹角45°，所述半导体激光器模组1、半反半透镜2和平面反射镜6的中心位于同一水平线上，二维PSD31中心与半反半透镜2中心位于同一条竖直线上，二维PSD31的光接收面与半导体激光器模组1发射的准直激光光束相平行。
实施例2、
本实施例是对实施例1的进一步限定，参考图1，将待测吊舱安装在三轴摇摆台7上，吊舱x,y轴与摇摆台x,y轴对齐，由于二维PSD31接收面为二维，如要测试吊舱z轴，需把吊舱z轴旋转90度转换成x或y轴再与摇摆台x或y轴对齐。检测装置固定在高低可调平台上，待测吊舱正对半导体激光器模组1的前端安装平面反射镜6反射镜面积要求大于激光光斑面积10倍左右，反射镜过大会影响光电吊舱负载不平衡，平面反射镜6中心与半反半透镜2中心点水平距离为L，半反半透镜2与二维PSD31像面距离为d。
三轴摇摆台7正弦摆动时，光电吊舱固定不动处于陀螺稳定模式，由于控制残差存在，吊舱会随着摆动微小的θ角度，由于光电吊舱前平面反射镜6的存在，光束入射与反射夹角变化2倍θ，二维PSD31中的一维通过测量光斑相对于摇摆台摆动前光斑位置原点O在x轴方向的相对位移量X，由于L+d的距离远大于相对位移量X，再通过圆弧长与半径的关系式，即可计算出θ的弧度值，从而统计出扰动下的x轴稳定精度。
通过二维PSD31中的另一维统计出扰动下的y轴稳定精度的原理与上述方式相同。
实施例3、
本实施例是对实施例1的进一步限定，如图2所示为所述二维PSD、处理电路板与窄带滤光片连接图；
所述窄带滤光片33附着在所述二维PSD31光接收面的表面，激光光束入射时，经过窄带滤光片33滤波后在二维PSD31上形成光斑，二维PSD31中产生光电流并输入所述处理电路版32，所述处理电路版32安装在二维PSD31衬底上，接收所述光电流后经处理获得所述光斑位置信息。
当光斑中心落在二维PSD31上，经窄带滤光片33去除杂波噪声干扰，“干净的”光能量电荷在入射点产生电荷，并通过二维PSD31电阻层被电极收集，收集到的光电流与入射点和电极间距成反比。I0和I1是二维PSD31其中的一维方向两端电极的光电流，S为二维PSD31其中一维有效长度一半，则任一点光斑在x轴方向上与二维PSD31中心距离的计算公式为X=，二维PSD31另一维采用同样的方式得到任一点光斑在y轴方向上与二维PSD31中心距离。
所述选二维PSD31接收的峰值波长范围应与半导体激光器模组1，及半反半透镜2的峰值波长相一致或接近，保证二维PSD31接收到的光能量足够，窄带滤光片33的通带选择为PSD峰值波长的5%左右，所述二维PSD31的光信息有效接收面尺寸应为半径10mm左右的圆，过大影响测试精度，过小影响测试量程。
如图3所示为所示处理电路版32结构图；处理电路版32包括电流电压转换放大模块、AD转换模块、MCU滤波和位置计算模块以及接口模块；所述光电流输入电流电压转换放大模块后，转化为电压信号并进行放大，放大后的电压信号输入AD转换模块转换为数字信号，所述数字信号输入MCU滤波和位置计算模块，先进行滤波处理去除信号中高频噪声再计算出光斑位置信息，所述光斑位置信息通过接口模块实时输入信号传输线缆4。
PSD全称Position Sensitive detector即位置敏感探测器，是一种与光源组合使用，用于检测光斑精确位置的光电器件，分为一维PSD、二维PSD。其响应时间微秒级，位置分辨率小于1μm，位置精度也达到μm级，输出的模拟信号可实现上百KHz采样频率，且位置测量结果与光斑形状无关，只与光斑重心位置有关，被广泛应用在精密仪器测量中。但PSD信号提取属于弱信号提取，信号噪声干扰多，对信号的提取放大和滤波的要求非常高，否则导致测量结果不准确。噪声主要包括“光”噪声和电流噪声，通过设计窄带滤光片33消除杂波的“光”噪声干扰，设计处理电路版32用于减少电流噪声干扰，同时对光斑信号进行提取、放大、滤波和实时计算。
电流电压转换放大模块中放大器选择要求具有低噪声，高带宽和低偏置电流；AD转换模块选择要求分辨率高，线性度好且能同步采样I0、I1转换的电压；MCU滤波和位置计算模块中MCU处理器选择支持硬件浮点运算，主频高运算速度快。
本发明在此实施例中，放大器选的ADI公司LT1464A低偏置电流高带宽仪表运算放大器，AD转换模块采用ADI公司双通道同步采样18位分辨率的LT2353-18，MCU处理器采用的是支持硬件浮点运算，主频最高168MHz的意法半导体STM32F407芯片。
实施例4、
本实施例是对实施例1的进一步限定，所述上位机5中获取光电吊舱稳定精度具体为：
S1、将所述光斑位置信息值N组{(X1, Y1), (X2, Y2),…(XN, YN)}存储，并通过：
；
；
获取x,y轴方向的二维PSD31上光斑位置均值，其中表示x轴方向光斑位置均值，表示y轴方向光斑位置均值，N表示光斑位置统计样本数；
S2、以1倍标准差获取x,y轴方向的二维PSD31测量结果的位移，通过：
；
；
获得，其中，表示以1倍标准差获取的x轴方向的二维PSD31测量结果位移，/>表示以1倍标准差获取的y轴方向的二维PSD31测量结果位移；
S3、获取光电吊舱稳定精度，通过：
；
；
分别获得光电吊舱在x轴上的稳定精度，用表示，和光电吊舱在y轴上的稳定精度，用/>表示；L表示平面反射镜6中心与半反半透镜2中心水平距离，d表示半反半透镜2与二维PSD31光接收面距离；
S4、将光电吊舱z轴旋转90度，代替原光电吊舱x轴或y轴位置，再将旋转后的光电吊舱沿竖直方向摆放在所述三轴摇摆台7上，然后重复步骤S1-S3，获得的光电吊舱在x轴或y轴上的稳定精度即为光电吊舱在z轴上的稳定精度。
实施例5、
本实施例提供一种基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试方法，所述方法包括如下步骤：
S5、待测的光电吊舱处于编码器位置控制模式，锁定不动，开启半导体激光器模组1电源使其发射准直激光光束，通过调整光电吊舱x,y轴运动来控制平面反射镜6角度，使所述准直激光光束的光斑落在二维PSD31光接收面的中心位置，然后锁定光电吊舱编码器位置；
S6、向上位机5输入平面反射镜6中心与半反半透镜2中心水平距离值L、半反半透镜2与二维PSD31光接收面距离值d和光斑位置统计样本数N；
S7、向三轴摇摆台7输入正弦测试的幅值和频率，光电吊舱切换编码器位置模式到陀螺稳定模式，启动摇摆台做正弦运动；
S8、二维PSD31的光接收面接收到激光光束后，输出信号给处理电路板32，处理电路板32根据接收的信号获得光斑位置信息，通过信号传输线缆4实时传输到上位机5上并获取光电吊舱稳定精度。

Claims (7)

1.一种基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统，其特征在于，所述系统包括：半导体激光器模组（1）、半反半透镜（2）、二维PSD（31）、处理电路板（32）、信号传输线缆（4）、上位机（5）、平面反射镜（6）和三轴摇摆台（7）；
所述三轴摇摆台（7）用于承载待测吊舱；所述平面反射镜（6）固定在所述待测吊舱上；所述半导体激光器模组（1）发射准直激光光束至半反半透镜（2），经所述半反半透镜（2）透射射入平面反射镜（6），经该平面反射镜（6）反射至半反半透镜（2），经该半反半透镜（2）反射后入射至二维PSD（31）的光接收面；
所述二维PSD（31）输出信号给处理电路板（32），所述处理电路板（32）根据接收的信号获得光斑位置信息，并将所述光斑位置信息发送给上位机（5），所述上位机（5）根据所述光斑位置信息获取光电吊舱稳定精度。
2.根据权利要求1所述的基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括窄带滤光片（33）；所述窄带滤光片（33）覆盖在所述二维PSD（31）的光接收面上。
3.根据权利要求2所述的基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统，其特征在于，处理电路板（32）包括电流电压转换放大模块、AD转换模块、MCU滤波及位置计算模块和接口模块；
电流电压转换放大模块接收所述二维PSD（31）的输出信号，并将接收的信号转化为电压信号之后放大，所述放大后的电压信号输入AD转换模块，所述AD转换模块将输入的电压信号转换为数字信号，并将所述数字信号输入MCU滤波及位置计算模块，所述MCU滤波及位置计算模块输出光斑位置信息，所述光斑位置信息通过接口模块输出给上位机（5）。
4.根据权利要求1所述的基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统，其特征在于，所述半反半透镜（2）与半导体激光器模组（1）发射的准直激光光束夹角45°。
5.根据权利要求2所述的基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统，其特征在于，二维PSD（31）的光接收面与半导体激光器模组（1）发射的准直激光光束相平行。
6.根据权利要求1所述的基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试系统，其特征在于，所述上位机（5）根据所述光斑位置信息获取光电吊舱稳定精度的方法为：
S1、将所述光斑位置信息值N组{(X1, Y1), (X2, Y2),…(XN, YN)}存储，并通过：
；
；
获取X,Y轴方向的二维PSD（31）上光斑位置均值，其中表示x轴方向光斑位置均值，/>表示y轴方向光斑位置均值，N表示光斑位置统计样本数；
S2、以1倍标准差获取x,y轴方向的二维PSD（31）测量结果的位移，通过：
；
；
获得，其中，表示以1倍标准差获取的x轴方向的二维PSD（31）测量结果位移，/>表示以1倍标准差获取的y轴方向的二维PSD（31）测量结果位移；
S3、获取光电吊舱稳定精度，通过：
；
；
分别获得光电吊舱在x轴上的稳定精度，用表示，和光电吊舱在y轴上的稳定精度，用/>表示；L表示平面反射镜（6）中心与半反半透镜（2）中心水平距离，d表示半反半透镜（2）与二维PSD（31）像面距离；
S4、将光电吊舱z轴旋转90度，代替原光电吊舱x轴或y轴位置，再将旋转后的光电吊舱沿竖直方向摆放在所述三轴摇摆台（7）上，然后重复步骤S1-S3，获得的光电吊舱在x轴或y轴上的稳定精度即为光电吊舱在z轴上的稳定精度。
7.一种基于PSD信号检测的光电吊舱稳定精度测试方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1-6任一项所述的系统进行，所述方法包括如下步骤：
S5、待测的光电吊舱处于编码器位置控制模式，锁定不动，开启半导体激光器模组（1）电源使其发射准直激光光束，通过调整光电吊舱x,y轴运动来控制平面反射镜（6）角度，使所述准直激光光束的光斑落在二维PSD（31）光接收面的中心位置，然后锁定光电吊舱编码器位置；
S6、向上位机（5）输入平面反射镜（6）中心与半反半透镜（2）中心水平距离值L、半反半透镜（2）与二维PSD（31）光接收面距离值d和光斑位置统计样本数N；
S7、向三轴摇摆台（7）输入正弦测试的幅值和频率，光电吊舱切换编码器位置模式到陀螺稳定模式，启动摇摆台做正弦运动；
S8、二维PSD（31）的光接收面接收到激光光束后，输出信号给处理电路板（32），处理电路板（32）根据接收的信号获得光斑位置信息，通过信号传输线缆（4）实时传输到上位机（5）上并获取光电吊舱稳定精度。
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