位置敏感探测器性能对激光追踪测量系统跟踪性能影响的分析方法技术方案

本发明专利技术公开了位置敏感探测器性能对激光追踪测量系统跟踪性能影响的分析方法，基于位置敏感探测器的性能分析，研究激光追踪测量系统的跟踪性能分析方法，根据激光追踪测量系统伺服控制的模型，进行位置敏感探测器的性能对激光追踪测量系统的跟踪性能影响规律的研究，建立激光追踪测量系统利用PSD进行跟踪控制的测量系统。建立激光追踪测量系统中PSD测量模型。在Matlab/Simulink仿真环境下搭建激光追踪测量的伺服控制系统模型。位置敏感探测器性能对激光追踪测量系统跟踪性能的影响分析。在激光追踪测量系统中，位置敏感探测器检测由于猫眼的运动引起的被猫眼反射光束的偏移量，将偏移量信号给电机来控制激光追踪测量系统的万向节式回转轴系，实现跟踪测量。

Analysis method of the influence of position sensitive detector performance on the tracking performance of laser tracking measurement system

【技术实现步骤摘要】
位置敏感探测器性能对激光追踪测量系统跟踪性能影响的分析方法
本专利技术涉及一种系统跟踪性能分析方法，特别是位置敏感探测器的性能对激光追踪测量系统的跟踪性能分析方法，属于精密测量领域。
技术介绍
激光追踪测量技术作为高精密测量装备的关键技术，在高端制造业中发挥着越来越重要的作用。激光追踪测量系统利用位置敏感探测器(PositionSensitiveDetection,PSD)检测由于猫眼的移动引起的光束偏移，进而通过电机控制万向节式回转轴系运动实现光束保持对猫眼的跟踪。位置敏感探测器是一种高精度的二维位移传感器，可以用于实现对空间目标的快速响应、高精度、平稳的跟踪测量。V.V.Nikulin等基于Lyapunov函数研制了自适应跟踪控制系统，结合位置敏感探测器实现了全局稳定、鲁棒性强的跟踪控制性能。周维虎等提出了一种基于PMSM(PermanentMagnetSynchronousMotor)矢量控制原理及SVPWM(SpaceVectorPulseWidthModulation)算法的精密伺服系统建模的方法，实现了激光跟踪系统的高性能跟踪控制测量。目前，对于位置敏感探测器的性能对激光追踪测量系统的跟踪性能影响的研究比较少。为此，有必要专利技术一种位置敏感探测器的性能对激光追踪测量系统的跟踪性能的影响的分析方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于基于激光追踪测量系统伺服控制的模型，进行位置敏感探测器的性能对激光追踪测量系统跟踪性能的影响规律的研究。对提高激光追踪测量系统的跟踪性能具有重要意义。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的：基于位置敏感探测器的性能分析，研究激光追踪测量系统的跟踪性能分析方法，根据激光追踪测量系统伺服控制的模型，进行位置敏感探测器的性能对激光追踪测量系统的跟踪性能影响规律的研究，包括以下步骤：步骤一：建立激光追踪测量系统利用PSD进行跟踪控制的测量系统。如图1所示，由激光器发出的线偏振光经过偏振分光镜PBS后，p光经过第一四分之一波片QW1后得到圆偏振光，该光束为参考光束。而经过偏振分光镜PBS被反射的s光经过第二四分之一波片QW2后经过透镜，入射到标准球，反射后再次经过QW2，经过PBS透射后，经过第三四分之一波片QW3得到圆偏振光。经过分光镜BS透射后被猫眼反射，再次经过BS后被反射的光由PSD接收，PSD将接收到的光信号转换为电信号输出后反馈给激光追踪测量系统控制系统的电机，实现跟踪控制。步骤二：建立激光追踪测量系统中PSD测量模型。在激光追踪测量系统中，猫眼对光后，经过猫眼反射的光束经BS反射到PSD的中心，PSD的光电处理电路输出模拟信号为零。当猫眼运动时，设猫眼的相对位移为er，则此时被猫眼反射的光束经BS反射到PSD后偏离PSD中心距离为2er。设定(x0,y0)为照射到PSD上的入射光斑能量中心点坐标，此时PSD的光电处理电路输出模拟信号的电流分别为：Ix＝(I1+I4)-(I2+I3)＝2x0DG(1)Iy＝(I1+I2)-(I3+I4)＝2y0DG(2)其中，Ix为x方向输出的电流，Iy为y方向输出的电流，I1—I4分别为四个电极输出的电流值，D为光斑直径，G为光电转换系数(单位为A/m2)，将PSD光电处理电路在x和y方向输出的电流信号转化成电压信号，并通过低通滤波器后得到：其中，ke为电流电压转换系数，τop为低通滤波时间常数。erx为猫眼反射镜运动的位移量er在x方向的投影，ery为猫眼反射镜运动的位移量er在y方向的投影。I0为照射到PSD上的光斑强度。位移电压转换系数表示为：PSD的传递函数P(s)表示为输出电压与位置偏差的比值，即：其中，U(s)为PSD的光电转处理电路输出电压，D(s)为猫眼的入射光与反射光之间的偏移距离。设猫眼与标准球的距离为L，且激光追踪测量光学系统的整体转速为ω，以标准球中心作为原点，入射到猫眼中心光束的线速度为：v＝2ωL(7)此时，测量光束入射到猫眼的位置为：P＝vdt＝2ωLdt(8)激光追踪测量光学系统的传递函数L(s)表示测量光束入照射在猫眼的位置与电机的转速比，表示为：步骤三：在Matlab/Simulink仿真环境下搭建激光追踪测量的伺服控制系统模型。步骤四：位置敏感探测器性能对激光追踪测量系统跟踪性能的影响分析。根据步骤二所建立的激光追踪测量系统中PSD测量模型，以及步骤三所建立的激光追踪测量的伺服控制系统模型，分析激光追踪测量系统对于输入的单位阶跃信号的动态响应，研究位置敏感探测器性能对激光追踪测量系统跟踪性能的影响。本专利技术的有益效果为：在激光追踪测量系统中，位置敏感探测器检测由于猫眼的运动引起的被猫眼反射光束的偏移量，将偏移量信号给电机来控制激光追踪测量系统的万向节式回转轴系，实现跟踪测量。本专利技术提出了一种位置敏感探测器性能对激光追踪测量跟踪性能影响的分析方法。根据激光追踪系统中的PSD测量模型，在Matlab/Simulink仿真环境下搭建激光追踪测量系统的伺服控制系统模型，分析PSD的位移电压转换系数对激光追踪测量系统跟踪性能的影响。实验结果表明，位移电压转换系数αp越大，PSD光电转换电路输出电压值的误差越大，对激光追踪测量系统跟踪性能影响越大。当αp＝1000时，PSD的响应时间短，PSD光电转换电路输出电压值的误差低，激光追踪测量系统动态响应曲线的超调量低，稳定时间短，系统响应的动态超调误差小。本专利的研究方法为有针对性提高激光追踪测量系统的跟踪性能奠定了理论基础。附图说明图1激光追踪测量系统中利用PSD进行跟踪测量的原理示意图。图中：1激光器、2偏振分光镜即PBS、3第一四分之一波片即QW1、4第二四分之一波片即QW2、5透镜、6标准球、7第三四分之一波片即QW3、8分光镜即BS、9猫眼反射镜、10位置敏感探测器PSD。图2激光追踪测量系统伺服控制系统原理框图。图3在Matlab/Simulink仿真环境下搭建的激光追踪伺服控制系统仿真模型。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步地详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。步骤一：建立激光追踪测量系统利用PSD进行跟踪控制的测量系统，如图1所示。系统包括激光器、偏振分光镜、四分之一波片、分光镜、标准球以及PSD及其光电处理电路。步骤二：建立激光追踪测量系统中PSD测量模型。在激光追踪测量系统中，设猫眼运动时，猫眼的相对位移为er。得到PSD光电处理电路输出的模拟信号的电流分别为：Ix＝(I1+I4)-(I2+I3)＝2x0DG(10)Iy＝(I1+I2)-(I3+I4)＝2y0DG(11)将PSD光电处理电路在x和y方向输出的电流信号转化成电压信号，并通过低通滤波器后得到：位移电压转换系数表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.位置敏感探测器性能对激光追踪测量系统跟踪性能影响的分析方法，其特征在于：根据激光追踪测量系统伺服控制的模型，进行位置敏感探测器的性能对激光追踪测量系统的跟踪性能影响规律的研究，包括以下步骤：/n步骤一：建立激光追踪测量系统利用PSD进行跟踪控制的测量系统；由激光器发出的线偏振光经过偏振分光镜PBS后，p光经过第一四分之一波片QW

【技术特征摘要】
1.位置敏感探测器性能对激光追踪测量系统跟踪性能影响的分析方法，其特征在于：根据激光追踪测量系统伺服控制的模型，进行位置敏感探测器的性能对激光追踪测量系统的跟踪性能影响规律的研究，包括以下步骤：
步骤一：建立激光追踪测量系统利用PSD进行跟踪控制的测量系统；由激光器发出的线偏振光经过偏振分光镜PBS后，p光经过第一四分之一波片QW1后得到圆偏振光，该光束为参考光束；而经过偏振分光镜PBS被反射的s光经过第二四分之一波片QW2后经过透镜，入射到标准球，反射后再次经过QW2，经过PBS透射后，经过第三四分之一波片QW3得到圆偏振光；经过分光镜BS透射后被猫眼反射，再次经过BS后被反射的光由PSD接收，PSD将接收到的光信号转换为电信号输出后反馈给激光追踪测量系统控制系统的电机，实现跟踪控制；
步骤二：建立激光追踪测量系统中PSD测量模型；在激光追踪测量系统中，猫眼对光后，经过猫眼反射的光束经BS反射到PSD的中心，PSD的光电处理电路输出模拟信号为零；当猫眼运动时，设猫眼的相对位移为er，则此时被猫眼反射的光束经BS反射到PSD后偏离PSD中心距离为2er；设定(x0,y0)为照射到PSD上的入射光斑能量中心点坐标，此时PSD的光电处理电路输出模拟信号的电流分别为：
Ix＝(I1+I4)-(I2+I3)＝2x0DG(1)
Iy＝(I1+I2)-(I3+I4)＝2y0DG(2)
其中，Ix为x方向输出的电流，Iy为y方向输出的电流，I1—I4分别为四个电极输出的电流值，D为光斑直径，G为光电转换系数(单位为A/m2)，
将PSD光电处理电路在x和y方向输出的电流信号转化成电压信号，并通过低通滤波器后得到：






其中，ke为电流电压转换系数，τop为低通滤波时间常数；erx为猫眼反射镜运动的位移量er在x方向的投影，ery为猫眼反射镜运动的位移量er在y方向的投影；I0为照射到PSD上的光斑强度；
位移电压转换系数表示为：



PSD的传递函数P(s)表示为输出电压与位置偏差的比值，即：



其中，U(s)为PSD的光电转处理电路输出电压，D(s)为猫眼的入射光与反射光之间的偏移距离；
设猫眼与标准球的距离为L，且激光追踪测量光学系统的整体转速为ω，以标准球中心作为原点，入射到猫眼中心光束的线速度为：
v＝2ωL(7)
此时，测...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洪芳，汤亮，孙若水，石照耀，张爽，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11