一种椭圆高斯分布光斑质心的高精度定位方法技术

本发明专利技术提供的一种椭圆高斯分布光斑质心的高精度定位方法，针对入射光斑为椭圆高斯光斑情况下，提出基于二次融合的椭圆高斯光斑位置精估计算法，实现椭圆高斯光斑位置的精确估计，相比于现有Composite拟合算法只进行了一次融合定位精度受限，本发明专利技术关键点是将Composite拟合算法得到的估计值与光斑质心实际值进行以傅里叶函数为基函数的高精度建模，再将新模型与原Composite算法模型进行了二次融合，从而得到更高精度的椭圆高斯光斑定位模型，以该模型进行椭圆高斯光斑位置检测，可达到1e

【技术实现步骤摘要】
一种椭圆高斯分布光斑质心的高精度定位方法


[0001]本专利技术属于激光光斑定位
，具体涉及一种椭圆高斯分布光斑质心的高精度定位方法。

技术介绍

[0002]四象限光电探测器(Quadrant Photoelectric Detectors，QPD)是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，具有探测灵敏度高、信号处理简单和抗干扰能力强等优点，常用于激光制导、激光准直或者激光测角中。
[0003]由于QPD是二维器件，可以获取两个正交方向的光斑位置解算值。当激光束照射到四象限探测器表面上时，四个光电二极管根据照射到其表面光斑功率的大小，输出四路对应大小的光电流信号，根据四路光电流信号进行光斑位置解算，得到光斑位置的解算值。实际中，鉴于探测器不同区域能量的不均匀性、探测器不同区域的响应速率、灵敏度等的不均匀性等因素的影响，使得光斑位置解算值与光斑质心实际位置不是线性关系，而是呈现“S”型曲线关系。因此研究这种“S”型曲线关系模型，并由解算值通过一定的算法获得光斑的质心实际位置是研究的难点和重点。
[0004]目前，对圆形光斑的定位算法有很多，文献“基于四象限探测器的高精度激光光斑位置检测技术研究”(吴佳彬，博士学位论文，中国科学院大学，2016)中提到的Composite拟合法，算法误差仅为0.0007mm，但随着测量范围变大，QPD非线性增强，非线性误差变大。文献“一种基于数据库查询的四象限探测器光斑位置高精度定位算法”(高紫俊、董丽丽，大连海事大学，2013)通过建立光斑中心位置坐标与探测器各象限电流比的一一对应表，然后通过线性插值的方法估算光斑中心坐标，光斑检测误差不超过3.4μm，但算法精度受限于实验标定精度，需要采集大量实验数据，操作复杂，而插值计算也会带来误差。文献“Extended the linear measurement range of four
‑
quadrant detector by using modified polynomial fitting algorithm in micro
‑
displacement measuring system”(Q.Vo，XiaodongZhang，FengzhouFang，Optics&Laser Technology Volume 112,15April 2019,Pages 332
‑
338)中提出了将中心逼近法与多项式拟合法相结合的新算法，扩展了线性测量范围，分辨率为20nm，但仅分析了圆形均匀和圆形高斯光斑，适用范围局限。文献“基于四象限探测器的高精度激光光斑位置检测技术研究”(吴佳彬，博士学位论文，中国科学院大学，2016)中提到的Composite拟合算法，是对入射到四象限探测器上服从圆形高斯分布的光斑进行位置解算。首先是利用Infinite integral拟合函数对光斑位置进行拟合，Infinite integral拟合函数是针对圆形高斯光斑的几何近似法，并且考虑死区宽度与光敏面半径的影响，得到带参数的拟合函数表达式，表达式中的参数由最小二乘法得到，然后因为圆形高斯光斑位置解算值与实际值之间满足“S”型函数关系，文献中选用Boltzmann函数对光斑位置进行拟合，系数同样由最小二乘法得到，将Infinite integral拟合算法得到的函数与Boltzmann拟合算法得到的函数进行线性组合，称为Composite拟合算法，算法的拟合精度较前两种算法有提升，光斑位置检测误差为10
‑4mm。
[0005]可以看出，上述研究假设光斑服从圆形高斯型，而实际中，光在传播过程中会受到各种因素的影响，导致光斑并非是服从标准高斯光斑特性，而是近似椭圆高斯光斑；而现有算法所用高斯光斑模型不适合椭圆高斯光斑模型。尤其在高精度测量领域，比如角秒级微小偏角测量方面，上述算法精度将不能满足实际需求。针对该问题，研究符合实际的椭圆高斯光斑定位模型及高精度定位算法至关重要。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种椭圆高斯分布光斑质心的高精度定位方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0007]本专利技术提供的一种椭圆高斯分布光斑质心的高精度定位方法包括：
[0008]步骤1：建立激光实际传播的椭圆高斯光斑模型；
[0009]步骤2：根据所述椭圆高斯光斑模型，建立椭圆高斯光斑质心位置解算值与质心位置实际值之间的关系模型；
[0010]步骤3：在所述关系模型的基础上，分别建立基于Infinite integral方法和Logistic方法的椭圆高斯光斑位置估计模型，并将两个椭圆高斯光斑位置估计模型进行融合，得到IL椭圆高斯光斑位置融合估计模型；
[0011]步骤4：利用所述IL椭圆高斯光斑位置融合估计模型对椭圆高斯光斑位置进行粗略估计，得到椭圆高斯光斑位置的粗略估计值；
[0012]步骤5：对所述椭圆高斯光斑位置的粗略估计值和光斑位置实际值进行高精度建模，得到精确椭圆高斯光斑位置检测模型；
[0013]步骤6：利用所述精确椭圆高斯光斑位置检测模型对椭圆高斯光斑位置进行精确估计，得到椭圆高斯光斑位置的高精度估计值。
[0014]可选的，所述步骤1包括：
[0015]根据入射至四象限探测器的光斑能量，在椭圆高斯光斑长轴、短轴及光斑能量中心确定的前提下，建立激光实际传播的椭圆高斯光斑模型；
[0016]所述椭圆高斯光斑模型表示为：
[0017][0018]式中，(x0,y0)为光斑能量中心，I0为(x0,y0)点的能量大小，ω
a
、ω
b
分别为椭圆高斯光斑的长轴和短轴。
[0019]可选的，所述关系模型表示为：
[0020][0021]其中，四象限探测器的死区宽度为d，圆形探测器光敏面的半径为R。
[0022]可选的，所述IL椭圆高斯光斑位置融合估计模型表示为：
[0023]x0(σ
x
)＝m*x
01
(σ
x
)+(1
‑
m)*x
02
(σ
x
)
[0024]式中0≤m≤1，m代表融合项中基于Infinite integral和Logistic的两个加权估计模型的加权系数，且两个加权估计模型加权系数和为1。
[0025]可选的，所述步骤4包括：
[0026]利用探测器椭圆高斯光斑位置解算值和实际值，基于最小二乘法构建第一椭圆高斯光斑位置残差模型，选取最优加权系数参数；
[0027]在所述最优加权系数参数确定下，利用所述IL椭圆高斯光斑位置融合估计模型对椭圆高斯光斑位置进行粗略估计，得到椭圆高斯光斑位置的粗略估计值。
[0028]可选的，所述第一椭圆高斯光斑位置残差模型表示为
[0029][0030]最优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种椭圆高斯分布光斑质心的高精度定位方法，其特征在于，包括：步骤1：建立激光实际传播的椭圆高斯光斑模型；步骤2：根据所述椭圆高斯光斑模型，建立椭圆高斯光斑质心位置解算值与质心位置实际值之间的关系模型；步骤3：在所述关系模型的基础上，分别建立基于Infinite integral方法和Logistic方法的椭圆高斯光斑位置估计模型，并将两个椭圆高斯光斑位置估计模型进行融合，得到IL椭圆高斯光斑位置融合估计模型；步骤4：利用所述IL椭圆高斯光斑位置融合估计模型对椭圆高斯光斑位置进行粗略估计，得到椭圆高斯光斑位置的粗略估计值；步骤5：对所述椭圆高斯光斑位置的粗略估计值和光斑位置实际值进行高精度建模，得到精确椭圆高斯光斑位置检测模型；步骤6：利用所述精确椭圆高斯光斑位置检测模型对椭圆高斯光斑位置进行精确估计，得到椭圆高斯光斑位置的高精度估计值。2.根据权利要求1所述的高精度定位方法，其特征在于，所述步骤1包括：根据入射至四象限探测器的光斑能量，在椭圆高斯光斑长轴、短轴及光斑能量中心确定的前提下，建立激光实际传播的椭圆高斯光斑模型；所述椭圆高斯光斑模型表示为：式中，(x0,y0)为光斑能量中心，I0为(x0,y0)点的能量大小，ω
a
、ω
b
分别为椭圆高斯光斑的长轴和短轴。3.根据权利要求2所述的高精度定位方法，其特征在于，所述关系模型表示为：其中，四象限探测器的死区宽度为d，圆形探测器光敏面的半径为R。4.根据权利要求3所述的高精度定位方法，其特征在于，所述IL椭圆高斯光斑位置融合估计模型表示为：x0(σ
x
)＝m*x
01
(σ
x
)+(1
‑
m)*x
02
(σ
x
)式中0≤m≤1，m代表融合项中基于Infinite integral和Logistic的两个加权估计模型的加权系数，且两个加权估计模型加权系数和为1。5.根据权利要求4所述的高精度定位方法，其特征在于，所述步骤4包括：利用探测器椭圆高斯光斑位置解算值和实际值，基于最小二乘法构建第一椭圆高斯光斑位置残差模型，选取最优加权系数参数；在所述最优加权系数参数确定下，利用所述IL椭圆高斯光斑位置融合估计模型对椭圆
高斯光斑位置进行粗略估计，得到椭圆高斯光斑位置的粗略估计值。6.根据权利要求5所述的高精度定位方法，其特征在于，所述第一椭圆高斯光斑位置残差模型表...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈利荣，孙海峰，魏雨晨，邓忠文，李小平，刘彦明，方海燕，张树威，陈文军，唐昊，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：