一種高精度激光束跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、目錄目錄%n艦11.1研究背景11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3課題研究?jī)?nèi)容31.4研究意義4第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案52.1用于光斑定位的光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)及工作原理52.2光電探測(cè)器的選取92.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)9第三章系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)介紹113.1HeNe激光器113.1.1HeNe激光器結(jié)構(gòu)113.1.2模式和發(fā)^角113.1.3大氣湍流效應(yīng)對(duì)光束的影響133.2四象限探測(cè)器及性能分析143.3

2、前置放大電路163.4濾波電路183.5真有效值轉(zhuǎn)換電路193.6二級(jí)放大電路223.7單片機(jī)控制電路243.7.1M(jìn)SP430系列單片機(jī)243.7.2單片機(jī)控制模塊253.7.3時(shí)鐘電路263.812位AD轉(zhuǎn)換模塊273.8.1AD轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)273.8.2ADC12模塊結(jié)構(gòu)273.8.3ADC12內(nèi)核工作原理27摘要摘要光束自動(dòng)跟蹤技術(shù)對(duì)于激光通信、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等激光應(yīng)用系統(tǒng)

3、具有重要的意義。本系統(tǒng)中采用HeNe激光器作為發(fā)射光源。激光在大氣中傳輸時(shí)，受到大氣湍流的影響，會(huì)產(chǎn)生光束漂移、光束抖動(dòng)、光束強(qiáng)度閃爍，這些因素均容易引起像光斑的隨機(jī)位移。如果探測(cè)系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)靈敏地對(duì)光斑的微小位移做出反應(yīng)并調(diào)整接收器的位置，則會(huì)導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確或定位精度不高，從而影響系統(tǒng)的性能。本文設(shè)計(jì)了一種高精度激光束跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括四象限探測(cè)器、以超低功耗單片機(jī)MSP430為核心設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)等部分。通

4、過(guò)合理設(shè)計(jì)光路降低背景光的影響、檢測(cè)四象限探測(cè)器的輸出特性、檢測(cè)四個(gè)信號(hào)處理通道在溫度變化下的一致性等方法提高定位精度。通過(guò)相關(guān)算法計(jì)算出光斑中心坐標(biāo)和修正后的坐標(biāo)，證明用四通道輸出電壓信號(hào)求解對(duì)應(yīng)的光斑中心坐標(biāo)具有較高的精度。論文首先介紹了用于光電探測(cè)系統(tǒng)的各種光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)、工作原理和適用情況，通過(guò)分析比較以及對(duì)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件和需達(dá)到的檢測(cè)要求等方面的綜合考慮，選擇四象限光電探測(cè)器作為前端探測(cè)器件，并在實(shí)驗(yàn)中針對(duì)四象限探測(cè)器的不

5、足采取了相應(yīng)的方法降低影響。在信號(hào)處理電路部分，設(shè)計(jì)了前置放大電路、濾波電路、真值轉(zhuǎn)換電路、次級(jí)放大電路，將探測(cè)器輸出的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成能被單片機(jī)處理的電壓信號(hào)。根據(jù)測(cè)量要求和外圍器件的應(yīng)用，選擇MSP430單片機(jī)作為控制器，該單片機(jī)功耗超低、處理能力強(qiáng)大、片內(nèi)外設(shè)豐富，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、完全能滿足系統(tǒng)的自動(dòng)控制要求。系統(tǒng)要求光電探測(cè)器能精確跟蹤光斑位置，這一功能是通過(guò)二維方向上的歩進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，步進(jìn)精度為lwm，單片機(jī)通過(guò)相關(guān)算法實(shí)時(shí)處理

6、信號(hào)數(shù)據(jù)，據(jù)此準(zhǔn)確地控制歩進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并調(diào)試了系統(tǒng)程序，采用閉環(huán)控制的方法，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器對(duì)光斑中心的精確實(shí)時(shí)跟蹤。論文分析了激光光斑特性，推導(dǎo)了探測(cè)器輸出電壓和照射到探測(cè)器表面的輻通量的關(guān)系，測(cè)試了四象限跟蹤系統(tǒng)各通道輸出電壓隨溫度變化的關(guān)系，建立了一種校正光斑中心坐標(biāo)的模型，用于補(bǔ)償溫度變化引起的漂移量，采取控制電路工作溫度的措施，實(shí)現(xiàn)光斑定位精度的提高。檢測(cè)了四象限探測(cè)系統(tǒng)的輸出特性，確定了該系統(tǒng)的線性工作范圍，保證光斑位