激光跟踪仪的光电瞄准与定位系统

分类：机电一体化论文发表 时间：2018-10-15 09:48 关注：(1)

　　刘娇月1，3，杨聚庆2，3*，董登峰3，周维虎3

　　(1.河南工业职业技术学院，河南南阳473009;2.北京工业大学应用数理学院，北京100124;3.中国科学院光电研究院，北京100094)

　　摘要：考虑激光跟踪仪的光电瞄准与定位直接影响仪器的整体测量精度和使用性能，讨论了激光跟踪仪的光电瞄准和跟踪定位控制技术并提出了光电探测瞄准、信号调理采集、数字处理及智能跟踪伺服的系统整体技术方案。对系统关键部件进行选型，利用角锥棱镜和位敏探测器(PSD)作为光电探测核心，设计了探测光路和信号处理电路。研制了系统样机，搭建了目标位移量标准测试平台，对样机光电瞄准系统探测信号进行了测试。测试结果显示：采用该设计方案设计的激光跟踪仪样机的静态定位测量精度达到6μm，随机动态跟踪测量速度大于1m/s。结果表明：提出的方法可解决激光跟踪仪定位精度低、动态跟踪效果差等常见问题，可为研制高精度、大范围、大尺寸测量仪器提供技术参考。

　　关键词：激光跟踪仪;光电瞄准;光电跟踪;定位系统;位敏探测器;信号处理

　　中图分类号：TP273.5;TN247

　　文献标识码：Adoi：10.3788/OPE.20152306.1558

　　Abstract：Astheoptoelectronicaimingandorientationofanoptoelectronictrackereffectdirectlytheoverallmeasurementaccuracyandoperationalperformanceofinstruments，thispaperproposesanimproveddesignscheme.Firstly，theoptoelectronicaimingandorientationcontroltechnologyofthelasertrackerwasanalyzed，andasystemictechnologicalschemeforoptoelectronicdetectionandaiming，signalregulateacquisition，digitalsignalprocessingandintelligenttrackingservowasproposed.Thekeycomponentsinthesystemwereselected，andthedetectionopticalpathandsignalprocessingcircuitweredesignedbyusingacube-cornerprismandaPositionSensingDetector(PSD)asthephotoelectricdetectingcore.Then，asystemprototypewasdevelopedandastandardtestplatformfortargetdisplacementwasestablishedtotestthedetectingsignalsofphotoelectronicaimingsystemintheprototype.Thetestedresultsdemonstratethattheproposedsystemperformanceindexhasachieved，inwhichthestaticprecisionofthestochasticdynamictrackingmeasurementspeedismethodimprovesorientationaccuracyandtrackingfordevelopmentofmeasurementinstrumentswithh

　　Keywords：lasertracker;optoelectronicaiming;opsensitivedetector;signalprocessing

　　1引言

　　激光跟踪仪主要用于超大尺寸空间几何量测量及动态轨迹测量，它具有测量功能多、精度高、速度快、量程大、可现场测量等特点，是大型科学工程和大型高端装备制造中重要的测量装备[1]。

　　目前，我国大型飞机零部件、工装型架测量以及总装测量、卫星安装测量等高端智能制造领域对激光跟踪仪测量的需求越来越大[2-3]。激光跟踪仪的光电瞄准与定位技术是实现目标空间坐标精确测量和空间运动轨迹动态跟踪测量的关键，它直接影响到仪器的整体测量精度和使用性能。由于测量对象具有典型的空间随动目标特性，采用空间运动目标光电探测瞄准和快速定位技术可以实现对大范围远距离运动目标的实时精确跟踪和精密测量。动态目标的快速位置探测与跟踪控制是空间坐标测量仪器实现动态精确测量的主要技术手段和发展方向[4]。目前，国内激光跟踪仪研究大多还处于实验研究和试制阶段，仪器的整体设计、精确瞄准定位、系统动态跟踪精度等主要性能指标与国外主流激光跟踪仪相比还有一定差距。2009年中科院光电研究院联合多家单位在国内率先开始激光跟踪仪的研制工作，现已经完成了样机测试。本文基于该激光跟踪仪样机对光电位置探测瞄准和跟踪定位控制技术及其应用进行了研究，为我国自主研制高精度大范围大尺寸测量高端仪器领域积累了技术与经验。

　　2光电位置瞄准和跟踪定位控制系统方案设计

　　激光跟踪仪工作时，激光测距系统捕获目标到仪器的精确距离，方位和俯仰测角系统分别测出目标方位角和俯仰角，然后通过极坐标与直角坐标的转换关系，获得目标的空间直角坐标[2]。根据激光跟踪仪的工作原理，本文设计了“角锥+光电位敏探测器(PositionSensingDetecter，PSD)”光电探测瞄准，“调理+现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)”信号采集处理，“DSP+伺服”智能跟踪控制的光电瞄准与定位系统技术方案。

　　3光电瞄准与定位

　　光电瞄准单元起到目标捕获与运动位置偏差精确指向的作用。通过捕获目标靶镜的反射光信号，精确探测靶镜移动产生的空间位置变化量，经过信号处理电路转换成数字量偏差的控制信号，最终提供给跟踪伺服控制单元进行动态跟踪测量。本文采用光斑位置检测法，利用物体移动时探测器上的测量光斑位置会相应改变的原理来进行静态精确瞄准和动态快速跟踪测量。光电瞄准探测单元主要由激光光源、准直光路、目标靶镜、PSD等组成。

　　4系统测试

　　本文搭建了目标位移量标准测试平台，对样机光电瞄准系统探测信号进行测试。实验环境为室内夜晚，位移平台选用德国PI公司的M-112.1DG高精度电机驱动位移平台，行程为25mm，精度为1μm。目标靶镜固定在位移平台，距离跟踪仪反射镜1m，调整测试平台使反射镜出射光束基本与目标靶镜平行，分别以匀速固定步长和动态变化速度控制位移平台使目标靶镜移动。上位机接收处理器输出的位移信号数据。

　　4.1定位瞄准测试

　　以0.1mm为步长，分别匀速运行0～1mm距离，然后进行了10组定位静态测量。用MATLAB软件处理测得数据结果，误差分布如图7所示。由图可知，PSD的最大静态位置测量误差在6μm以内，能够达到激光跟踪仪的精度要求.

　　5结论

　　本文针对激光跟踪仪的光电瞄准和跟踪定位控制技术进行了研究与设计，提出了“角锥+PSD”光电探测瞄准，“调理+FPGA”信号采集处理，“DSP+伺服”智能跟踪控制的技术方案。最后进行了样机研制和测试，解决了定位精度低，动态跟踪效果差等常见问题。样机测试结果显示，静态定位测量精度达到6μm，随机动态跟踪测量速度大于1m/s。结果证明，采用该设计方案的激光跟踪仪样机在测量精度和跟踪性能等关键方面已经接近和达到国际先进水平。光电瞄准与定位技术同时也是空间运动目标动态跟踪测量的关键，在空间飞行器、智能机器人、军事装备等领域具有重大意义和重要应用价值。

　　参考文献：

　　[1]周维虎，丁蕾，王亚伟，等.光束平差在激光跟踪仪系统精度评定中的应用[J].光学精密工程，2012，20(4)：851-856.ZOUWH，DINGL，WANGYW，etal..Avisualinspectionsystemforon-linemeasurementapplica-tionofbundleadjustmenttoaccuracyevaluationoflasertracker[J].Opt.PrecisionEng.，2012，20(4)：851-856.(inChinese)

　　[2]周维虎，崔惠绒，丁金滨，等.基于激光跟踪仪的天基望远镜安装测量技术[J].红外与激光工程，2008，37：250-252.ZHOUWH，CUIHR，DINGJB，etal..Assemblymeasurementtechniqueforspacebasedtelescopesys-tembasedonlasertrackersystem[J].InfraredandLaserEngineering，2008，37：250-252.(inChinese)