如何設(shè)計新型光電定向系統(tǒng)？

1 基本原理

光電定向是指用光電系統(tǒng)測定目標(biāo)的方向，這是光學(xué)雷達(dá)和光學(xué)制導(dǎo)的重要組成部分,利用光電系統(tǒng)可以直接、間接測定目標(biāo)的方向，該系統(tǒng)主要由發(fā)射部分、光電探測器，信號處理電路，A/D轉(zhuǎn)換器和單片機、計算機顯示器組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 具體實現(xiàn)

2.1 發(fā)射部分

光發(fā)射電路主要由光源驅(qū)動器、光源（主要是半導(dǎo)體光源，包括LED（發(fā)光二極管），LD（激光二極管）等）、光功率自動控制電路等部分組成，我們用NE555組成的脈沖發(fā)射電路來驅(qū)動650nm的激光器，為了使半導(dǎo)體激光器克服供電電源波動、器件老化等因素的影響，確保激光器輸出功率穩(wěn)定，還必須有自動功率控制電路。

2.2 接收部分

接收部分主要由四象限光電探測器組成，四象限光電探測器是把4個性能完全相同的光電二極管按照直角坐標(biāo)要求排列而成的光電探測器件，目標(biāo)光信號經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限光電探測器上成像，如圖2所示[2],一般將四象限光電探測器置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或稍離開焦平面，當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時，4個象限上探測器輸出的光電信號幅度不相同，比較4個光電信號的幅度大小可以知道目標(biāo)成像在哪個象限上（也就知道了目標(biāo)的方位）。

四象限光電探測器是通過測量來自激光束的光斑質(zhì)心的位置變化，并借助某種算法來同時確定光斑的兩個方向的偏移量，如圖3所示[3],光斑被四個象限分成A、B、C、D等4個部分，其面積分別為s1、s2、s3、s4,對因的4個象限產(chǎn)生的阻抗電流分別為i1、i2、i3、i4.由i1+i4和i2+i3的比例可以確定橫向偏移量，i1+i2和i3+i4的比例可以確定縱向偏移量。

采用的算法是：

式中：k比例系數(shù)，是一常量。

當(dāng)光斑中心與四象限光電探測器中心一致時，4個象限陰極產(chǎn)生的阻抗電流i1、i2、i3、i4都相等，兩個方向的直線度誤差為0,當(dāng)兩者中心步重合時，兩個方向的偏移量可以由上式求出。

2.3 信號處理電路

四象限光電探測器將接收的4路光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)過放大后送入信號處理部分，單脈沖定向系統(tǒng)中，光脈沖通常由激光產(chǎn)生，其脈沖寬度一般為幾十納秒量級，也許更窄。而重復(fù)頻率比較低，一般為幾十赫，這種信號要用來指示或控制，需要經(jīng)過放大與展寬。由于4路相同，4路信號采用完全相同的電路，首先通過放大器對各路信號進(jìn)行放大，放大后的信號送入展寬電路（見圖4）進(jìn)行展寬，展寬實質(zhì)上是峰值保持的一個特例，由于脈沖寬度極窄要求電路響應(yīng)快，又要保持響度較長的時間，而且還需要有較高的線性輸出，所以展寬電路實質(zhì)上是用于將目標(biāo)脈沖信號在顯示時有一個持續(xù)時間，以便觀察。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換和單片機部分

實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字顯示必須對模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換時需要考慮轉(zhuǎn)換的精度和速度，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)決定了轉(zhuǎn)換的精度，時鐘頻率決定了轉(zhuǎn)換的速度，通過A/D轉(zhuǎn)換后的信號再送入單片機[,然后通過RS-232連接線與計算機相連，在計算機上顯示數(shù)字輸出。

在光電定向?qū)嶒瀮x中，單片機的任務(wù)是：4路信號的數(shù)據(jù)采集，與上位機的串口通信，驅(qū)動步進(jìn)電機，通過單片機產(chǎn)生脈沖信號。

單片機的整體程序框圖如圖5所示。

4路采樣信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳送到單片機，經(jīng)過處理，確定光斑質(zhì)心的坐標(biāo)，將質(zhì)心的坐標(biāo)及4個象限的信號值送上位機顯示。

單片機負(fù)責(zé)傳輸轉(zhuǎn)換后的信號，并接收上位機下達(dá)的指令來控制步進(jìn)電機。上位機下達(dá)控制指令，通過單片機傳到步進(jìn)電機，上步進(jìn)電機執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2.5 上位機顯示

單片機與計算機進(jìn)行串口通信，將通過A/D轉(zhuǎn)換器和單片機處理的信號送入計算機顯示。

上位機可以實現(xiàn)的功能有：

a）在軟件界面上實時顯示四象限光電探測器的每個象限接收的光信號的強弱（由電壓表示）；

b）實時顯示目標(biāo)光源的運動軌跡；

c）實時顯示目標(biāo)光源的二維坐標(biāo)；

d）實現(xiàn)目標(biāo)的手動跟蹤和自動跟蹤。

每個象限的光強伏值可以直接從單片機采集的數(shù)據(jù)讀?。荒繕?biāo)光源的運動軌跡可以固定光斑的半徑，而通過確定光心位置坐標(biāo)的改變來觀察光源的運動軌跡，而且直觀地把目標(biāo)光源的中心坐標(biāo)顯示出來，但要實現(xiàn)目標(biāo)的手動跟蹤和自動跟蹤，則要通過手動平移臺和電控平移臺來實現(xiàn)，目標(biāo)控制是希望通過在目標(biāo)控制界面下直接輸入目標(biāo)坐標(biāo)來直接定位探測器。在計算機中輸入目標(biāo)的坐標(biāo)，單片機接收上位機的指令，從而驅(qū)動步進(jìn)電機運動，把從計算機讀入的數(shù)值和從步進(jìn)電機讀取的數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者在一個很小的誤差范圍內(nèi)時，步進(jìn)電機停止運動，而光斑也到了需要達(dá)到的位置，從而實現(xiàn)了目標(biāo)控制。

自動控制是指當(dāng)偏移目標(biāo)時，可以通過自動控制來實現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤，當(dāng)單片機檢測到從計算機讀入的坐標(biāo)和從電控平移臺讀取的坐標(biāo)不一致時，就會給步進(jìn)電機一個驅(qū)動指令，從而控制步進(jìn)電機運動，以實現(xiàn)目標(biāo)的自動控制。

3 結(jié)語

本文介紹的這種裝置是目前應(yīng)用最廣泛的一種光電定向方式，在實際應(yīng)用中具有精度高、價格低、便于自動控制和操作方便的特點，因此，在激光制導(dǎo)、光電準(zhǔn)直，光電自動跟蹤、光電制導(dǎo)和光電測距等技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。