作者： 陳修濤;侯再紅;譚逢富

在試驗中，希望接收來自一公里的光斑在成像系統的中心，而由于大氣湍流的影響，光斑在成像系統中心附近抖動。目標跟蹤就是要通過改變傾斜鏡的角度使光斑始終在成像系統的中心。為此，使用位敏傳感器采集光斑的位置，微處理器處理數據，得到光斑的的偏移量，最后通過驅動壓電陶瓷晶體改變傾斜鏡角度。

激光在大氣傳輸時，由于與大氣湍流的相互作用，導致光波振幅和相位的起伏。其抖動頻率主要是低頻成分，壓電陶瓷晶體的響應頻率在1000Hz 以上，能滿足消除大氣湍流帶來的光斑抖動的影響。在光學跟蹤系統中，傳統的用于目標跟蹤器件為CCD。由于CCD 采集的數據量很大，對后面的數據處理單元的要求很高，并且處理大量的數據增加了處理的復雜性和處理時間。本跟蹤系統采用PSD 位敏傳感器采集光斑位置信息，輸出只有四路信號，只需要五次加法運算、一次減法運算和一次除法運算，運算量大大減少。并且本系統的微處理器采樣dsPIC33F系列單片機，它有40M 的指令周期。其內部加減運算為單指令周期，除法只需要19 個指令周期，大大提高了計算速度。

1.校正系統的組成與原理

校正系統總體框圖如圖1 所示，來自一公里之外的光束，經激光雷達系統接收，通過傾斜鏡反射，光束經分光鏡分光，一部分進入成像系統，一部分進入PSD 位敏傳感器。由位敏傳感器采集光斑位置，形成四路電流信號，經電流電壓轉換放大之后，由單片機進行A/D 轉換并計算出光斑的偏移量，并根據光斑的偏移量計算出驅動壓電陶瓷所需要的電壓。最后將驅動電壓值進行D/A 轉換，并通過高壓驅動器驅動PZT（壓電陶瓷晶體）改變傾斜鏡的角度，從而使光斑始終在成像系統的中心。

圖1 跟蹤系統框圖

2.總體系統設計

2.1位敏傳感器系

位敏傳感器是由Si 光電二極管組成，輸出信號為電流信號。電流大小與光斑位置和光強強弱有關。其初級電路必須是電流電壓轉換電路。四路輸出信號與光斑位置的關系為：

其中i1， i2 ， i3， i4 為四路輸出信號。上式求x， y 時用到除法運算，消除了光強變化對位置的影響，從而獲得與光強無關的位置信號。

2.2單片機控制系統

本系統采用dsPIC33F 系列單片機實現12 位的高速A/D 轉換、PID 控制、與D/A 轉換器的通信及與計算機的通信。

系列單片機的A/D 部分采用逐次比較式A/D 轉換，最多有32 路轉換通道，可實現自動通道選擇模式采樣，擁有16個結果緩沖器。在本系統中我們用125K 的采樣速率進行四路模擬信號采樣，當16 個結果緩沖器都滿之后，產生一次中斷，并對每路信號取四次的平均值。逐路采樣延長了每一路信號的采樣時間，并采取四次采樣取平均值的方法，一方面可以減小采樣誤差，另一方面，可以起到濾波的作用。

目標精跟蹤系統需要實現快速反應，這要求我們的算法必須實現快速收斂。我們采用PID（比例-積分-微分）增量算法，可以實現系統的快速收斂。其中P 項為比例項，當誤差大的時候，P 的系數也大，可以實現快速調整；當誤差小的時候，P 的系數也小，可以實現小幅度的調整。隨著時間的消失，P 項有利于減小系統的總誤差。但總有一個靜態誤差。I 項為積分項，對誤差進行積分，可以實現誤差的精度調整，使靜態誤差積累到一定的值乘以I 項的增益因子之后輸出，消除靜態誤差的影響。D 項為微分項，用來實現快速調整，，它對誤差信號的變化率進行響應。

增量算法推導如下：

其增量式為：

微分項的系數。由（2）式可以看出，由于PID 輸出與歷史狀態有關，計算工作量很大，需要對偏差信號進行累加。而采用增量式PID 算法，既（2）的算法，輸出量為誤差的增量，可以減小計算量。

轉化采用的是SPI 通信方式，D/A轉換器選用的時TLV5638，它是雙路輸出的D/A 轉換器，其輸出的最高電壓是參考電壓的2 倍，其飽和電壓為電源電壓VDD -0.4v ，也是說參考電壓不應該大于V DD -0.4v ，另外，D/A 轉換必須在片選信號CS 的下降沿。而對運放偏移量、PID 系數的確定等都是通過計算機控制，MAX232 串口與計算機的通信，很多資料都有介紹，在這里不再累述。

2.3對高壓電路的要求

壓電陶瓷是利用其在外加電場作用下，具有逆壓電效應或電致伸縮效應產生形變。壓電陶瓷致動器的驅動電源應具有輸出電流大，文波小的特點。我們采用達林頓管構成有源濾波電路，可以實現小文波，大電流的輸出。在整流電路中，需要使用高壓大電容，需要放電回路，但是使用大電阻放電時間過長；使用小電阻，在工作過長中，電阻上的電流過大，導致電阻發熱過大。為此，我們采用兩級放電的辦法，可以解決以上放電時間長，或電阻功耗過大的問題。兩級放電回路原理圖如圖2 所示。當電容電壓很高時，比較器U1 輸出低電平，Q1 截止，電容只能通過，大電阻R1，R2 放電，當電容電壓低于某個臨界值時，U1 輸出高電平，電容通過小電阻R3 放電。

如圖3 為高壓驅動電路及放電回路。輸入由D/A 轉換輸出的信號與反饋信號比較，若輸入D/A 轉換信號大，U1 輸出低電平，截止，電源對壓電陶瓷晶體充電。其中T2、構成達林頓管。U2 構成比較放大電路，輸出電壓與壓電陶瓷的電壓相比較，若壓電陶瓷晶體的電壓高，U2 輸出高電平，導通，壓電陶瓷晶體放電。反之，壓電陶瓷晶體充電。

2.4壓電陶瓷微位移裝置

壓電陶瓷（PZT）在外電場的作用下，內部的正負電荷中心產生相對位移，該位移使壓電體產生形變，表現為壓電陶瓷有一定的伸縮能力。利用壓電陶瓷（PZT）的伸縮能力可以實現對傾斜鏡的角度控制。其原理如圖4：

其中，O 為支點，A，B 為壓電陶瓷（PZT）。大圓圈代表傾斜鏡。壓電陶瓷（PZT）的平衡點為驅動器工作在100V 的工作電壓下。這樣，當驅動電壓升高時，傾斜鏡向一個方向運動；當驅動電壓降低時，傾斜鏡向相反的方向運動。

本系統的壓電陶瓷（PZT）在200V 電壓下可以伸長30μm，即壓電陶瓷（PZT）的前后變化范圍為15 μm 。OA、OB 的長為5 cm 。計算可知，傾斜鏡前后變化范圍為0.3 mrad 。又由于望遠鏡的放大倍數為10倍，

所以，本系統可以調節抖動在3 mrad 以內的光斑。完全能滿足我們的要求。

3.試驗結果與結論

試驗結果表明，本系統可以實現40Hz以內大氣擾動的校正，并且有很好的校正效果。下面我們給出具體的分析結果：采集數據是在下午3 點到4 點，當時的大氣相干長度為5.5-7 之間。圖5 光斑抖動情況。圖中帶圓圈線反映的是光斑抖動情況，從圖中我們可以看出光斑抖動的范圍比較大，并且包含高頻成分和低頻成分。不帶圓圈線反映的是跟蹤之后的光斑抖動圖像。從圖可以看出光斑的抖動范圍非常的小，并且以高頻成分為主，也含有一定的低頻成分。這是因為：一方面由于大氣湍流引起一公里光斑抖動是微弧度量的，光斑抖動非常的小，超出PSD的分辨率，另一方面由于機械抖動引起的光斑抖動。

下一步的工作：改進系統的機械性能、提高系統的分辨率并進一步提高系統的帶寬。

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