基于四象限探测器的激光定位系统研究

摘要

激光定位在当今科学研究和技术应用中具有非常广阔的发展前景，可广泛应用于激光制导、自由空间光通信、光镊技术以及精密工业检测等领域。随着现代工业的发展与生产力的提升，人们对激光定位测量的精度和线性范围的要求越来越高。本文围绕激光定位技术中系统结构、信号预处理、定位算法和修正算法进行深入研究与改进，并将定位系统在FPGA上硬件实现。
　　首先，比较了市面上常用的三种光电位置探测器的原理与特性，选用四象限探测器作为定位系统光电位置探测器。在分析了系统组成结构后，设计并绘制了放大、信号采集与处理、电源电路板，为之后信号预处理与算法实现提供了硬件平台。硬件实现时为获得更真实有效的回波信号，以便后续定位算法的求解，设计了伪随机编码、波门锁定、自增益控制以及脉冲提取等信号预处理模块。
　　其次，通过分析能量非均匀分布的光斑对系统测量精度和线性范围的影响，在传统加减算法基础上，提出了一种基于高斯分布的光斑质心定位算法，提高了定位精度和线性范围。同时，对四象限探测器定位原理的误差分析，分别从非均匀性和背景光、暗电流干扰两个方面进行数据修正，以此改进了定位系统标定的方法，减小了系统误差。
　　最后，设计并搭建了一套完整的基于四象限探测器的激光定位实验系统。通过实验测量验证了本文所提算法的可行性，并与传统加减算法相比较，在算法复杂度仅增加了一个标准正态分布表的存储的情况下，提升了系统线性范围和定位精度，使其适用于对探测精度和测量实时性要求都相对较高的场景。