一種高精度激光束跟蹤系統(tǒng)設計.pdf

1、目錄目錄%n艦11.1研究背景11.2國內外研究現(xiàn)狀21.3課題研究內容31.4研究意義4第二章系統(tǒng)設計方案52.1用于光斑定位的光電探測器的結構及工作原理52.2光電探測器的選取92.3系統(tǒng)總體結構9第三章系統(tǒng)硬件結構介紹113.1HeNe激光器113.1.1HeNe激光器結構113.1.2模式和發(fā)^角113.1.3大氣湍流效應對光束的影響133.2四象限探測器及性能分析143.3

2、前置放大電路163.4濾波電路183.5真有效值轉換電路193.6二級放大電路223.7單片機控制電路243.7.1MSP430系列單片機243.7.2單片機控制模塊253.7.3時鐘電路263.812位AD轉換模塊273.8.1AD轉換器的主要指標273.8.2ADC12模塊結構273.8.3ADC12內核工作原理27摘要摘要光束自動跟蹤技術對于激光通信、激光測距、激光制導等激光應用系統(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，受到大氣湍流的影響，會產生光束漂移、光束抖動、光束強度閃爍，這些因素均容易引起像光斑的隨機位移。如果探測系統(tǒng)不能實時靈敏地對光斑的微小位移做出反應并調整接收器的位置，則會導致定位不準確或定位精度不高，從而影響系統(tǒng)的性能。本文設計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器、以超低功耗單片機MSP430為核心設計的信號處理電路、步進電機控制系統(tǒng)等部分。通

4、過合理設計光路降低背景光的影響、檢測四象限探測器的輸出特性、檢測四個信號處理通道在溫度變化下的一致性等方法提高定位精度。通過相關算法計算出光斑中心坐標和修正后的坐標，證明用四通道輸出電壓信號求解對應的光斑中心坐標具有較高的精度。論文首先介紹了用于光電探測系統(tǒng)的各種光電探測器的結構、工作原理和適用情況，通過分析比較以及對本實驗的實驗條件和需達到的檢測要求等方面的綜合考慮，選擇四象限光電探測器作為前端探測器件，并在實驗中針對四象限探測器的不

5、足采取了相應的方法降低影響。在信號處理電路部分，設計了前置放大電路、濾波電路、真值轉換電路、次級放大電路，將探測器輸出的光電流信號轉換成能被單片機處理的電壓信號。根據(jù)測量要求和外圍器件的應用，選擇MSP430單片機作為控制器，該單片機功耗超低、處理能力強大、片內外設豐富，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、完全能滿足系統(tǒng)的自動控制要求。系統(tǒng)要求光電探測器能精確跟蹤光斑位置，這一功能是通過二維方向上的歩進電機實現(xiàn)的，步進精度為lwm，單片機通過相關算法實時處理

6、信號數(shù)據(jù)，據(jù)此準確地控制歩進電機的運轉。本實驗設計并調試了系統(tǒng)程序，采用閉環(huán)控制的方法，實現(xiàn)探測器對光斑中心的精確實時跟蹤。論文分析了激光光斑特性，推導了探測器輸出電壓和照射到探測器表面的輻通量的關系，測試了四象限跟蹤系統(tǒng)各通道輸出電壓隨溫度變化的關系，建立了一種校正光斑中心坐標的模型，用于補償溫度變化引起的漂移量，采取控制電路工作溫度的措施，實現(xiàn)光斑定位精度的提高。檢測了四象限探測系統(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