一种基于四象限探测器获取高斯光束高精度定位的方法与流程

本发明涉及激光定位领域，特别是一种基于四象限探测器获取高斯光束高精度定位的方法。
背景技术：
：四象限探测器是基于光生伏特效应的，常使用光刻技术将pin型光电二极管或者apd雪崩二极管的光敏面分割成四个形状和面积相同的区域，区域之间位置相互对称，每一个区域占据一个象限，每两个象限之间存在一个间隔，这个间隔俗称死区(darkzone)，对死区宽度要求比较严格，若“死区”太宽，当入射光斑较小时，就无法判别光斑的位置；如果“死区”过分狭窄，可能引起信号之间的相互串扰，对工艺的要求也高。激光信号经过光学系统后在四象限探测器像面上形成光斑，四个光电二极管将分别产生对应的光电信号，随着光斑在像面上位置的变化，四个光电二极管产生的光电信号也会随之产生变化，最后通过一定的算法处理光斑位置与探测器产生的光电流之间的关系，就能得到光斑中心的具体坐标。作为一种比较常用的定位器件，四象限探测器由于其具有体积小，灵敏度高，分辨率高以及后续信号处理电路简单等特点，在激光制导，激光告警，激光准直中得到了广泛的应用。影响四象限探测器定位精度的因素除了与探测器本身的性能相关，更重要的是与光斑中心定位算法有关。理想的光斑能量是均匀分布的，所对应的定位算法也是现阶段最经典、应用范围最广的。而实际光斑能量不是均匀分布的，大部分的激光光斑能量呈高斯分布，这种高斯分布的光斑所对应的中心定位算法很复杂，需要的计算量很大，算法大都留在理论研究和数值仿真阶段，并且也达不到高精度的要求。另外，四象限探测器由于结构的原因，会存在一定宽度的死区，而大部分算法都没有将死区的情况考虑在内，因此跟实际光斑在探测器上的中心坐标相比较，这些算法获取的中心坐标精度不是很高。技术实现要素：本发明所解决的技术问题在于提供一种获取高斯光束高精度定位的方法，大大提高了基于四象限探测器激光定位的精度。实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于四象限探测器获取高斯光束高精度定位的方法，包括以下步骤：步骤1、利用matlab构造尺寸为(n+n)*(n+n)的像素矩阵模块，其中n为有效的像面宽度，n为死区的宽度，再以像素矩阵模块的中心为坐标原点建立直角坐标系，刚好将整个模块分为四个象限；所述有效的像面宽度n和死区的宽度n两者的比值n/n的范围设定为80～100。步骤2、在所述步骤1的基础上构造一个能量服从高斯分布的光斑，光斑中心强度i0设为1，有效截面半径r设为n/4；所述的能量服从高斯分布的光斑，其表达式为：式中i(x,y)是坐标(x,y)处的光强；i0是光斑中心的光强；(x0,y0)是光斑的中心坐标，常被用来调整光斑的位置；r为光斑的有效截面半径，定义为光斑边缘到光斑中心的距离，其边缘光强为中心光强的1/e2倍。步骤3、对所述步骤2中的高斯光斑设定运动范围；所述的设定高斯光斑运动范围为x0＝-(n+n)/2～(n+n)/2,y0＝-(n+n)/2～(n+n)/2，其中(x0,y0)为光斑的实际中心坐标。步骤4、获取所述步骤3中的高斯光斑在运动范围内不同位置所对应的各个象限上的能量值；具体通过以下方法获得：假设光斑位于运动范围内的某一位置，此时光斑总的能量值q总被四个象限分成了四个部分qi,(i＝1，2，3，4)，第i个象限内的光斑能量值qi被离散成了不同的数值，需要通过累加象限内的所有数值来获取第i个象限内的光斑能量qi。同理，如果光斑在运动范围内的其他位置，此时获取光斑在四个象限上的能量值也是通过如上方法。步骤5、对所述步骤4中获取的能量值利用传统定位算法求出光斑的理论中心坐标(x,y)，所述传统定位算法为基于能量均匀分布的光斑中心定位算法；基于能量均匀分布的光斑中心定位算法所用公式为：其中x，y是光斑的中心坐标，r是光斑的半径，而δx,δy是由以下公式获得：其中qi(i＝1，2，3，4)是光斑在第i象限上的能量值步骤6、对所述步骤5得到的理论中心坐标(x,y)与实际中心坐标(x0,y0)进行对比，判断是否存在偏差，如果存在偏差则进行校正，否则不处理。采用基于最小二乘法的多项式拟合法对偏差进行校正，其中多项式拟合函数f(x)的一般表达式为：f(x)＝α0+α1x+α2x2+…+αnxn其中αi,(i＝0,1,2,…,n)为拟合系数，n为多项式拟合函数的最高阶次。对于给定的数据点(xi，yi)，为了尽可能的反映数据的变化趋势，根据最小二乘法的原理，f(x)需要满足其中n为给定数据的个数。本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明可以实现通过构造不同尺寸的像素矩阵模块来获取不同精度的定位算法。(2)本发明获得的算法能够满足实际探测中的各种要求。(3)本发明获得的定位算法具有精度高，处理速度快，分辨率高等优点。附图说明图1是本发明一种基于四象限探测器获取高斯光束高精度定位的方法流程示意图。图2是本发明构造的像素矩阵模型和构造的高斯光斑模型示意图。图3是本发明构造的1001*1001像素矩阵模块和光斑示意图。图4是校正前与校正后的示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。结合图1，本发明一种基于四象限探测器获取高斯光束高精度定位的方法，包括以下步骤：步骤1、结合图2，利用matlab构造尺寸为(n+n)*(n+n)的像素矩阵模块，其中n为有效的像面宽度，n为死区的宽度，再以像素矩阵模块的中心为坐标原点建立直角坐标系，刚好将整个模块分为四个象限，其中有效的像面宽度n和死区的宽度n两者的比值n/n的范围设定为80～100。步骤2、结合图2，在所述步骤1的基础上构造一个能量服从高斯分布的光斑，光斑中心强度i0设为1，有效截面半径r设为n/4，其中能量服从高斯分布的光斑，它的表达式为：式中i(x,y)是坐标(x,y)处的光强；i0是光斑中心的光强；(x0,y0)是光斑的中心坐标，常被用来调整光斑的位置；r为光斑的有效截面半径，定义为光斑边缘到光斑中心的距离，其边缘光强为中心光强的1/e2倍。步骤3、结合图2，对所述步骤2中的高斯光斑设定运动范围，运动范围为x0＝-(n+n)/2～(n+n)/2,y0＝-(n+n)/2～(n+n)/2，其中(x0,y0)为光斑的实际中心坐标。步骤4、获取所述步骤3中的高斯光斑在运动范围内不同位置所对应的各个象限上的能量值，可以通过以下方法获得：假设光斑中心位于运动范围内的某一位置，此时光斑总的能量值q总被四个象限分成了四个部分qi,(i＝1，2，3，4)，第i个象限内的光斑能量值qi被离散成了不同的数值，需要通过累加象限内的所有数值来获取第i个象限内的光斑能量qi。同理，如果光斑在运动范围内的其他位置，此时获取光斑在四个象限上的能量值也是通过如上方法。步骤5、对所述步骤4中获取的能量值利用传统定位算法求出光斑的理论中心坐标(x,y)，所述传统定位算法为基于能量均匀分布的光斑中心定位算法，公式为：其中x，y是光斑的中心坐标，r是光斑的半径，而δx,δy是由以下公式获得：其中qi(i＝1，2，3，4)是光斑在第i象限上的能量值。步骤6、对所述步骤5得到的理论中心坐标(x,y)与实际中心坐标(x0,y0)进行对比，判断是否存在偏差，如果存在偏差则进行校正，否则不处理。采用基于最小二乘法的多项式拟合对偏差进行校正，其中多项式拟合函数f(x)的一般表达式为：f(x)＝α0+α1x+α2x2+…+αnxn其中αi,(i＝0,1,2,…,n)为拟合系数，n为多项式拟合函数的最高阶次。对于给定的数据点(xi，yi)，为了尽可能的反映数据的变化趋势，根据最小二乘法的原理，f(x)需要满足其中n为给定数据的个数。下面结合实施例进行具体描述。实施例一种基于四象限探测器获取高斯光束高精度定位的方法，具体为：1、构造1001*1001的像素矩阵模块，其中有效像面宽度为990，死区宽度为11，如图3所示。2、如图3所示构造一个能量服从高斯分布的光斑，光斑中心强度设为1，有效截面半径r设为250，根据公式：式中i(x,y)是坐标为(x,y)处的光强；i0是光斑中心的光强；(x0,y0)是光斑的中心坐标，常被用来调整光斑的位置；r为光斑的有效截面半径，定义为光斑边缘到光斑中心的距离，其边缘光强为中心光强的1/e2倍。3、对高斯光斑设定运动范围，x0＝-250～250,y0＝-250～250,其中(x0,y0)为所构造的光斑中心坐标。4、获取高斯光斑在运动范围内不同位置对应的各个象限上的能量值如表1所示。表1部分不同位置时四个象限的数值x0y0第一象限第二象限第三象限第四象限0019607.5696919607.5696919607.5696919607.569691019751.4244819463.7655419463.7655419751.424482019895.320719320.0211919320.0211919895.32073020039.2491519176.3458319176.3458320039.249154020183.2006419032.748619032.748620183.200645020327.1659418889.2386618889.2386620327.165946020471.2711918745.8251218745.8251220471.271197020615.236518602.5170918602.5170920615.23658020759.1879818459.3236718459.3236720759.187989020903.1164418316.2539118316.2539120903.1164410021047.0126618173.3168518173.3168521047.0126611021190.8674418030.5215218030.5215221190.867445、对运动范围内所有不同位置时的四个能量值利用传统定位算法求出光斑的理论中心坐标，所述传统定位算法为基于能量均匀分布的光斑中心定位算法，其公式为：其中x，y是光斑的中心坐标，r是光斑的半径，而δx,δy是由以下公式获得：其中qi(i＝1，2，3，4)是光斑在第i象限上的能量。获取的光斑理论中心坐标如表2所示。表2部分不同位置时通过算法获得的中心坐标第一象限第二象限第三象限第四象限理论x理论y19607.5696919607.5696919607.5696919607.56969-9.11e-15-4.46e-1319751.4244819463.7655419463.7655419751.424481.440301589-6.28e-1319895.320719320.0211919320.0211919895.32072.880500024-6.10e-1320039.2491519176.3458319176.3458320039.249154.320492176-7.10e-1320183.2006419032.748619032.748620183.200645.760174962-4.74e-1320327.1659418889.2386618889.2386620327.165947.199445372-6.83e-1320471.2711918745.8251218745.8251220471.271198.638848269-6.56e-1320615.236518602.5170918602.5170920615.236510.07698033-3.92e-1320759.1879818459.3236718459.3236720759.1879811.51439165-3.01e-1320903.1164418316.2539118316.2539120903.1164412.95097974-2.91e-1321047.0126618173.3168518173.3168521047.0126614.38664231-4.10e-1321190.8674418030.5215218030.5215221190.8674415.82127727-4.74e-136、对所述步骤5得到的理论中心坐标(x,y)与实际中心坐标(x0,y0)进行对比，判断是否存在偏差，如果存在偏差则进行校正，否则不处理。利用基于最小二乘法的多项式拟合进行偏差校正并求出理论x与实际x0的关系式：同理，也能求出理论y与实际y0的关系式。这样，获得的关系式就能成为高精度算法。本发明获取高斯光束高精度定位算法的方法具有精度高，处理速度快，分辨率高等优点,大大提高了基于四象限探测器的激光定位精度。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本发明领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换或被作为某技术方案部分技术均落入本发明的保护范围内。当前第1页12