基于PSD的空间信标测量系统研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.8MB 74 页 15积分
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摘 要
随着现代科技和测量科学的发展，空间信标测量技术的应用越来越广泛，在
激光通信、航空制导、空间对接、高精度非接触测量和建筑设计等领域，对目标
角位置的测量精度和速度的要求越来越高。为满足空-地激光通信中空间信标角度
测量的需要，本文设计了一种基于 PSD 的空间信标测量系统，实现空中运动目标
的光电跟踪功能。
论文以 PSD 的空间信标测量的实现为宗旨，从理论和实践两个方面研究了实
现过程中所涉及的关键技术和问题，研究了涉及空间信标测量的理论、PSD 的工
作原理和仿真算法，分析了测量系统的误差来源，设计了实现电路，初步达到了
设计指标要求。整篇论文由以下几方面组成。
首先，对国内外空间信标测量领域的方法进行了概述，通过对比各种测量方
法的优缺点，确定了以 PSD 传感器为敏感器件的测量方案，着重分析了位置敏感
探测器的工作原理和特点，推导了 Lucovusky 方程，通过简化 Lucovusky 方程导出
了入射光斑的位置，为后续研究做了必要的理论铺垫；根据需要设计了 PSD 光电
信号的处理方案，确定了系统框图，实现了基于 PSD 的空间信标测量；详细研究
了系统误差的来源，提出了合理的解决方法，通过实验数据分析发现影响光电系
统测量精度的主要因素是安装误差和信号处理电路的信噪比，只要提高这两项指
标就能较好的提高系统的测量精度。
关键词：位置敏感探测器 信标测量 数据采集 C8051F Lucovusky
方程
ABSTRACT
With the development of industry and progress of science, The space beacon of
measuring technology is applied more and more extensively at present, the requirements
of measurement speed and accuracy are getting higher and higher in all fields, for
example, in laser space communication, the fields of aviation , guidance, spacecraft
docking and the high accuracy of non-contact measurement. A method for detecting
space beacon location described in this paper is to satisfy the requests of space beacon
measurement in the laser space communication.
While the implement scheme of space beacon measurement is the aim of the
research, the key techniques and problems to realize the space beacon of measuring
technology, it is involved with the the method of space beacon measurement, the
principle of PSD and the simulation algorithm of PSD, the error sources of measuring
system are analyzed. To sum up, this thesis mainly consists of the following parts.
Firstly, the method of detect space beacon location in the world is introduced,
contrasting the characteristics of the various methods of measurement. Finally, it
chooses PSD as the sensor. Secondly, It emphatically analysises the principle and key
performance parameters of PSD and the derivation of Lucovusky equation, then the
incident light spot can be calculated by simplify the Lucovusky equation, all this is the
basis for the following research. What is more, the configuration of system is presented
and the signals processing scheme of PSD are designed in this paper, the hardware
circuit of the whole system is reasonable design, at last, it is realized that using the PSD
as the method of detect space beacon location is fully practicable. Finally, the error
sources of the system are studied in details in this paper, and some reasonable
resolutions are proposed, the results show that the main causes that affect the accuracy
of system are the degree matching of the mechanical parts and the magnitude of Signal
to Noise Ratio (SNR), so the measurement accuracy of beacon location can be improved
if we increase d the degree matching of the mechanical parts and the SNR.
Key Word ：PSD, Beacon Measurement, Data Collection, C8051F,
Lucovusky Equation
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论 .................................................................................................................1
§1.1 空间信标测量概述 .......................................................................................1
§1.2 位置敏感位置探测器(PSD)原理 .................................................................3
§1.3 课题主要工作 ...............................................................................................4
第二章 位置敏感探测器 .............................................................................................6
§2.1 PSD 工作理论原理 .......................................................................................6
§2.1.1 半导体的光吸收 ...................................................................................6
§2.1.2 PN 结的纵向光电效应 ..........................................................................7
§2.1.3 PN 结的横向光电效应 ........................................................................10
§2.1.4 Lucovusky 方程 ..................................................................................11
§2.2 Lucovusky 方程的求解 ..............................................................................13
§2.2.1 Lucovusky 方程的简化求解 ..............................................................13
§2.2.2 FlexPDE 软件求解 ..............................................................................14
§2.3 PSD 主要结构和性能 ..................................................................................17
§2.3.1 一维 PSD ..............................................................................................17
§2.3.2 二维 PSD ..............................................................................................18
§2.3.3 PSD 性能参数及影响因素 ..................................................................19
§2.4 本章小结 .....................................................................................................20
第三章 测量原理和系统方案 ...................................................................................21
§3.1 PSD 空间信标测量算法研究 ......................................................................21
§3.2 光学镜头 .....................................................................................................23
§3.3 系统整体设计 .............................................................................................24
§3.4 PSD 信号处理方案 ......................................................................................25
§3.4.1 模拟方案 .............................................................................................26
§3.4.2 数字方案 .............................................................................................31
§3.5 本章小结 .....................................................................................................32
第四章 硬件设计 .......................................................................................................33
§4.1 系统的组成 .................................................................................................33
§4.2 PSD 选型 ......................................................................................................33
§4.3 运放选型及预处理电路设计 .....................................................................35
§4.4 单片机最小系统设计 .................................................................................37
§4.4.1 外围振荡电路设计 .............................................................................41
§4.4.2 通讯电路设计 .....................................................................................42
§4.5 参考电压电路 .............................................................................................43
§4.6 供电模块设计 .............................................................................................43
§4.7 PCB 设计所注意事项 ..................................................................................44
§4.7.1 电源和地线方面的处理 .....................................................................44
§4.7.2 PCB 设计 ..............................................................................................45
§4.7.3 C8051F 的 I/O 口的处理 ....................................................................45
§4.7.4 外接晶振处理 .....................................................................................45
§4.8 本章小结 .....................................................................................................45
第五章 软件设计 .......................................................................................................46
§5.1 软件开发及设计环境 .................................................................................46
§5.2 系统程序设计 .............................................................................................50
§5.2.1 系统初始化程序 .................................................................................50
§5.2.2 数据采集与处理程序设计 .................................................................52
§5.3 上位机调试程序设计 .................................................................................54
§5.4 本章小结 .....................................................................................................56
第六章 系统测试及数据误差处理 ...........................................................................57
§6.1 系统测试 .....................................................................................................57
§6.2 影响系统精度的主要因素及消除方法 .....................................................59
§6.2.1 机械结构安装误差 .............................................................................59
§6.2.2 硬件电路噪声干扰 ..........................................................................63
§6.3 系统实验及数据误差分析 .........................................................................64
§6.4 本章小结 .....................................................................................................66
第七章 总结与展望 ...................................................................................................67
§7.1 结论 .............................................................................................................67
§7.2 展望 .............................................................................................................67
参考文献 .....................................................................................................................68
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .........................................71
致 谢 .........................................................................................................................72
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 空间信标测量概述
空间信标(Space Beacon)是指处于自由空间中的目标或标靶，常用来作为寻的
使用，可以是具体的物体、惯性坐标或光电信号的信源。空间信标测量是实现这
种对空间信标位置测量的技术。目前在许多领域都需要进行空间信标位置的获取
工作，例如军事上的导弹制导、惯性导航、飞机的自动着陆、航空航天器中的舱
口对接、卫星的对地通信等，都需要可靠的获得信标点的位置信息，并且在获取
速度、精度上要求越来越高。通常空间信标位置主要包括被测目标自身的图像、
光电信标器发出的信号、惯性坐标系本身的坐标或者地磁信号等，为获取信标位
置信息，目前常用于空间信标姿态获取的传感器主要有 CCD/COMS 相机、四像限
探测器、光电二极管阵列、陀螺仪或电子罗盘等。
电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)是一种半导体元件，由一系列
MOS 电容阵列按照一定规律排列而成，能将光学信号转换为数字信号，能够实现
对图像的获取、存储、处理、传输和复现等功能，通过对图像进行分析可获取多
个目标点信息，具有直观、可进行多个目标点处理的特点，其显著优点是：(1)体
积小、重量轻；(2)功耗小、电压低、抗冲击与震动、性能稳定、寿命长；(3)灵敏
度高、噪声低、动态范围大；(4)响应速度快等。但一般 CCD/COMS 图像传感器的
驱动电路复杂，动态响应带宽窄，对于高速运动的信标位置测量具有一定的局限
性，并且由于 CCD 是阵列型(分割型)器件，与光电二极管阵列一样，其像素大小
限制了其分辨率，另外 CCD 成像对光源、成像系统及被测物表面要求较高，并且
价格相对较昂贵[1,2]。
四象限探测器(Quadrant Detector,QD)也称为象限光电池，可用于激光准直、定
位、跟踪和制导等应用，其结构是把一块大的圆形光敏面分割成数个相互隔离的
区域(象限)，各个区域相当于一个光电二极管，通过比较各个象限的电流来确定光
斑位置，具有响应速度快、可连续位置测量、分辨率高等优点[3]。但是由于 QD 的
特殊结构，各个象限之间存在间隙，存在盲区，并且当在入射光斑较小、形状不
对称或不均匀情况下，光斑无法跨越四个象限，QD 无法准确测出光斑位置，只适
合均匀对称的大光斑位置信息的测量。
光电二极管阵列一般是用来探测大光斑图像的位置信息，其基本构成是一系
列光电二极管以面阵或线阵的形式集成在一块芯片上，所有光电二极管将其各自
所在位置的光强转换成电信号，在取样电路驱动下通过扫描方式输出。由于图像
基于 PSD 的空间信标测量系统研究
2
分辨率取决与光敏单位的尺寸和间距，且扫描输出方式影响响应速度，在高精度、
高速场合应用有限。
陀螺仪主要测量空间的惯性坐标变化，其基本原理是在一定初始条件和一定
外力矩作用下，刚体绕着一个固定的转轴不停地旋转，旋转轴所指的方向在不受
外力影响时不会改变。每次陀螺仪使用时，都需要初始标定，累积误差会造成长
时测量惯性坐标系产生严重的偏差，不适合长时姿态测量使用。
电子罗盘是一种地磁测量器件，主要通过测量近地地磁场分布获得空间姿态
信息，具有灵敏度高、不受地理环境限制等优点。由于易受电磁或铁磁部件干扰，
在实际使用中也有诸多限制。
位置敏感探测器(Position Sensitive Detectors 简称 PSD)类似于光电二极管，通
过合理分布电极收集产生的光电流，再根据各个电极所收集到的光电流比例确定
入射光斑位置，实现对入射光斑信息的连续测量。通过合理的光路布局和控制，
可以对物体位移、角度、速度、振动、轮廓等物理量进行实时在线检测[4~10]，从而
完成对平面度、直线度、同轴度等特性的评价，其缺点是无法检测多个入射光斑
的重心位置，与其他光电位置探测器相比较，PSD 具有分辨率高、响应速度快、
信号处理相对简单、对光源、光学系统的要求较低、光谱响应比较宽、检测出位
置的同时还可以检测出光的强度。
综上所述，对空间信标位置跟踪系统来说，选择一种兼顾精度、速度、稳定
性和成本的传感部件显得尤为重要，基于上述器件，本文选择对比了一些常见的
测量器件，如表 1-1 所示，从表中可看出 PSD 具有分辨率高，速率高，功耗低，
且可连续测量出位置信息等优点，为此本课题通过将 PSD 引入空间信标测量中，
将实现一种连续的、快速的、分辨率不受像元尺寸限制的信标位置检测系统，该
系统具有信号处理电路简单、光源要求较低、具有较宽光谱响应的优点，除满足
信标位置检测功能外，还能应用在汽车电子、安全防护、土木工程、纺织机械和
角度测量等领域，可促进新型位置检测仪器的发展和 PSD 传感器的应用，具有一
定的实际使用价值。
表1-1 常见测量器件
DA系列面阵
CCD
LUPA1300行
CMOS
S4404型
QAPD
S8302型
PSD
数据读出速率
慢
较快
最快
快
光谱响应
范围(nm)
400～1100
400～1100
400～1000
760～1100
分辨率(μm)
16×16
14×14
250
30
第一章 绪论
3
是否具有
细分能力
能
能
能
不能
灵敏度
14V/μJ/cm²
0.75A/W
0.5A/W
0.55A/W
固有噪声
噪声等效电子
数50
噪声等效电子
数100
NEP：5×
14
10
暗电流
0.05nA
输出线性度
最好
较好
一般
好
处理电路结
构复杂程度
复杂
简单
较复杂
比较简单
填充系数
100%
<70%
85%
100%
是否具有死区
无
无
有
无
是否能够获得
连续位置信号
能
能
不能
能
测量范围
大
最大
小
较大
系统功耗
大
最小
较大
较小
系统质量
较大
大
小
较小
§1.2 位置敏感位置探测器(PSD)原理
位置敏感探测器(Position Sensitive Detectors 简称 PSD)的理论研究方面可追溯
到20 世纪 30 年代，1930 年，Schottky 首先发现了横向光电效应，但当时并未引
起人们的关注，直到 1957 年Wallmark 等重新发现了这个现象，并利用复合载流子
理论初步解释了这一现象，首次提出可利用这一现象进行光点位置检测。1960 年，
Lucovusky 对Wallmark 的理论作了进一步深入研究，推导出描述横向光电效应的
Lucovusky 方程，从此奠定了 PSD 检测技术的理论基础。此后 Allen、Fieret 等人
首次用硅材料制作成圆形和方形结构的 PSD，但其灵敏度、响应速度和线性度都
比较差，进入 70 年代，四横向结构的 PSD 出现，其性能指标都得到大幅度提高，
但线性度仍然比较低(6%～8%)，其中，美国 UDT 公司开发的一种产品，主要用于
探测光、红外以及高能射线的能量分布和横向光电特性，初步具有了位置测量功
能。为了提高 PSD 线性度，许多科研人员又研究背景、偏置和负载对 PSD 性能的
影响，后来开发了双横向结构型 PSD，这种结构的 PSD 避免了各电极间相互影响，
线性度得到显著提高，但缺点暗电流较大，随后 Woltring、Noorlag、Gear 等人分
别对 PSD 理论和制作工艺进行了深入研究，使得 PSD 的线性度进一步提高[9~12]。
在国外不仅对 PSD 的理论研究较早，且在其应用技术方面也早有深入研究，
1985 年，欧空局在其“交会对接敏感器的研究报告”中，首次提出可利用 PSD 用
基于 PSD 的空间信标测量系统研究
4
于空间科学探测中，1993 年，日本松田公司和电气公司利用 PSD 研制出汽车避障
雷达，用于监视汽车前方和探测障碍物[12~13]，如果以 120m/s 以上的速度探测前方
车辆，其测量精度可达到
0.5m
，此外 PSD 还能广泛应用于工业检测中，其中美国
MTI 公司研制的 PSD 测距仪，其分辨率高达
0.25 ~ 5.08um um
，可广泛应用于各种
高精度工业检测监控中。
在国内，80 年代末才开始有关这方面的研究工作，90 年代电子部 44 所研制
出a-Si:H 一维 PSD 和单晶硅双面结构 PSD，机电部 215 所对一维和枕型结构二维
PSD 的设计、制作工艺等方面进行过研究。长春光学精密机械与物理研究所的陶
忠祥博士研究过 PSD 在头位跟踪中的应用，论证了以 PSD 为光电探测器实现头位
跟踪的可行性，提出了一个改进的位置计算公式，使 PSD 的非线性修正更为简单
[13]。浙江大学黄梅珍博士就 PSD 的设计原理，讨论了 PSD 的主要性能参数以及影
响这些参数的主要因素，理论分析、计算了四边形结构 PSD 的场分布，首次推导
出从电极输出的电流表达式，并研制出梳状结构的一维 PSD，具有优良的线性度，
典型位置误差
，该项性能已达到国内领先水平[14~17]。上海技术物理研究所、
西南技术物理研究所、华中科技大学、哈尔滨理工大学、清华大学、南京理工大
学、天津理工大学、长春理工大学等多单位，分别对 PSD 应用于角度测量、位移
监测、空间定位、空间飞行器对接、空间信标跟踪、自动对焦、汽车避障、三维
形貌测量、机器人传感等方面各有相关文献进行报道，这里不一一列举[18~22]。总
体上目前国内对 PSD 研究主要集中在 PSD 的应用方面，对 PSD 器件原理、设计
以及制作工艺上的研究开展的相对比较少，且在高性能的系列 PSD 产品及相应处
理器供应上缺乏，极大多数 PSD 应用采用进口产品。
§1.3 课题主要工作
为了实现空间激光信号的位置方位检测，本文设计了基于 PSD 的空间信标测
量系统，整个测量系统的框架如图 1-1 所示，其主要包括光学成像系统、PSD 元件、
信号处理、数据采集处理电路、上位机显示调试程序、液晶实时显示。
图1-1 系统框架
激光可以在规定的视场内水平上下自由移动，通过透镜聚焦将其焦点投射到
PSD 传感器上，传感器上信号通过信号调理板和数据采集板采集数据上传到 PC 机
摘要：

摘要随着现代科技和测量科学的发展，空间信标测量技术的应用越来越广泛，在激光通信、航空制导、空间对接、高精度非接触测量和建筑设计等领域，对目标角位置的测量精度和速度的要求越来越高。为满足空-地激光通信中空间信标角度测量的需要，本文设计了一种基于PSD的空间信标测量系统，实现空中运动目标的光电跟踪功能。论文以PSD的空间信标测量的实现为宗旨，从理论和实践两个方面研究了实现过程中所涉及的关键技术和问题，研究了涉及空间信标测量的理论、PSD的工作原理和仿真算法，分析了测量系统的误差来源，设计了实现电路，初步达到了设计指标要求。整篇论文由以下几方面组成。首先，对国内外空间信标测量领域的方法进行了概述，通...

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