一种实用的高精度四象限探测器高斯光斑质心定位方法与流程

本发明涉及激光光斑定位
技术领域：
，特别涉及一种实用的高精度四象限探测器高斯光斑质心定位方法。
背景技术：
：四象限探测器(quadrantdetector,qd)是一种常用的位置检测传感器，由于其信号处理电路简单，波长响应范围宽，固有噪声水平低，灵敏度高和响应速度快等优势，已被广泛地应用于激光准直、激光制导、激光监听、激光跟踪仪和空间激光通信等需要提供高精度微小位移或角度测量的领域。影响激光光斑位置检测精度的因素主要有两个：一个是由于信号处理电路、背景光和大气湍流等噪声造成解算值随机波动而形成的随机误差。另一个是系统的固有误差，如光斑模型误差，四个象限非一致性误差，系统光学装调误差等。固有误差中，光斑质心定位算法占据着举足轻重的作用，由于高斯光斑质心和光斑质心解算值之间为非线性关系，直接计算几乎是不可能的，相关算法大多停留在理论研究和数值仿真阶段，能应用在实时应用领域的只有近似算法，但近似算法只在中心位置附近具有较高的精度，当光斑质心远离探测中心时会产生较大的误差。要想获得高精度的光斑质心定位，一种可行的办法是利用查找表的方式，目前查找表的算法都是直接利用光斑质心的解算值或者光电流比值建立二维数据库，查找计算光斑质心，这类方法的缺点是数据库较大，查找计算量大，不利于实时应用，更重要的是二维数据库与半径相关，当半径改变时就需要构造二维数据库，费时费力，使用非常不便。技术实现要素：本发明所解决的技术问题在于克服现有算法直接计算光斑质心，与光斑半径相关的不足，提供一种实用的高精度四象限探测器高斯光斑质心定位方法，极大的提高定位精度、加快处理速度和增加易用性。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：一种实用的高精度四象限探测器高斯光斑质心定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、利用四象限探测器四路输出光电流计算出光斑质心的解算值；步骤2、以四象限探测器中心为坐标原点，建立直角坐标系，利用高斯光斑能量分布模型，根据精度要求，构造出光斑质心解算值和相对位置一一对应的查找表；步骤3、根据所述步骤1中的解算值在所述步骤2中构造的查找表中查找出对应的相对位置；步骤4、如果精度不满足要求，则对所述步骤3查找的结果进行校正，如果精度满足要求，则进行下一步骤；步骤5、依据光斑半径和所述步骤4中的相对位置计算出光斑质心。优选的，所述步骤1中光斑质心的解算值计算公式为：式中，ia、ib、ic、id分别为四个象限的光电流，和分别为x和y方向上的光斑质心解算值。优选的，所述步骤2中的高斯光斑能量分布模型的表达式为：式中，p0为光斑中心光强，(x0,y0)为光斑质心，r为高斯光斑半径。优选的，所述步骤2中构造出光斑质心解算值和相对位置一一对应的查找表，光斑质心解算值和相对位置的关系为：式中，xr和yr分别为x和y方向的相对位置，x方向计算公式为xr＝x0/r，是光斑质心x0与光斑半径r的比值，取值范围为[-1,1]；y方向计算公式为yr＝y0/r，是光斑质心y0与光斑半径r的比值，取值范围为[-1,1]。优选的，所述步骤2中根据精度要求，查找表大小设定为(2n+1)×1，其中2n+1为对四象限探测器动态范围[-r,r]的细分数；优选的，根据x和y方向的对称独立性，所述步骤2中构造查找表表格的方法包括以下几种：(1)x和y方向共用一个全动态范围[-r,r]的查找表，(2n+1)为对四象限探测器动态范围的细分数，则表格大小为(2n+1)×1，表格数量为1，可直接利用解算值查表计算相对位置；(2)x和y方向共用一个正半动态范围[0,r]的查找表，(2n+1)为对四象限探测器动态范围的细分数，则表格大小为(n+1)×1，表格数量为1，正半动态范围[0,r]的解算值可直接利用解算值查表计算相对位置，而负半动态范围[-r,0]的解算值先取其绝对值查表计算相对位置，最后取查得的相对位置的负值；(3)x和y方向共用一个负半动态范围[-r,0]的查找表，(2n+1)为对四象限探测器动态范围的细分数，则表格大小为(n+1)×1，表格数量为1，负半动态范围[-r,0]的解算值可直接利用解算值查表计算相对位置，而正半动态范围[0,r]的解算值先取其负数查表计算相对位置，最后取查得的相对位置的负值；(4)考虑实际应用x和y方向可能存在差异，x和y分别构造独立的表格，同样有以上三种方法，表格数量增加为2个。优选的，所述步骤2中构造查找表中的数列可以采用升序排列或者降序排列。优选的，所述步骤3中在查找表中查找的方法可以是适用于排序序列的任意快速查表法；优选的，所述步骤4中对查找的相对位置进行校正，采用线性插值法进行校正。优选的，所述步骤5依据光斑半径和相对位置计算光斑质心的公式为：x0＝xr×ry0＝yr×r本发明具有以下的有益效果：本发明的一种实用的高精度四象限探测器高斯光斑质心定位方法，与现有技术相比，其显著优点为:(1)本发明可以根据实际应用对精度和计算速度的需求，构造不同细分数的查找表，来获得满足不同应用需求的高斯光斑质心定位算法。(2)本发明获得的算法能够满足实际高斯光斑质心定位中的各种要求。(3)采用本发明的方法制作的表格与光斑半径无关，当光斑半径发生变化时，无需重新构造表格，因此具有定位精度高、处理速度快、通用性强易于实现等优点，在需要高斯光束高精度定位的场合(激光通信、激光制导、激光准直等)，尤其在对计算量较敏感的嵌入式实时应用场合具有广阔的应用前景和实用价值。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。图1为本发明的一种实用的高精度四象限探测器高斯光斑质心定位方法的流程图；图2为本发明的一种实用的高精度四象限探测器高斯光斑质心定位方法的高斯光斑模型下四象限探测器工作示意图；图3为本发明的一种实用的高精度四象限探测器高斯光斑质心定位方法中本算法计算的光斑质心和理论质心的误差曲线图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1-3，一种实用的高精度四象限探测器高斯光斑质心定位方法，包括以下步骤：步骤1、利用四象限探测器四路输出光电流计算出x和y方向上的光斑质心的解算值和其计算公式为：式中，ia、ib、ic、id分别为四个象限的光电流。步骤2、在以四象限探测器中心为坐标原点，建立直角坐标系，利用高斯光斑能量分布模型，根据精度要求，使用matlab构造出光斑质心解算值和相对位置一一对应的查找表。高斯光斑能量分布模型的表达式为：式中，p0为光斑中心光强，(x0,y0)为光斑质心，r为高斯光束半径。步骤2构造出光斑质心解算值和相对位置一一对应的查找表，光斑质心解算值和相对位置的关系为：式中，xr和yr分别为x和y方向的相对位置，x方向计算公式为xr＝x0/r，是光斑质心x0与光斑半径r的比值，取值范围为[-1,1]；y方向计算公式为yr＝y0/r，是光斑质心y0与光斑半径r的比值，取值范围为[-1,1]。查找表大小设定为(2n+1)×1，其中2n+1为对四象限探测器动态范围[-r,r]的细分数。根据x和y方向的对称独立性，步骤2构造查找表表格的方法包括以下几种：(1)x和y方向共用一个全动态范围[-r,r]的查找表，(2n+1)为对四象限探测器动态范围的细分数，则表格大小为(2n+1)×1，表格数量为1，可直接利用解算值查表计算相对位置；(2)x和y方向共用一个正半动态范围[0,r]的查找表，(2n+1)为对四象限探测器动态范围的细分数，则表格大小为(n+1)×1，表格数量为1，正半动态范围[0,r]的解算值可直接利用解算值查表计算相对位置，而负半动态范围[-r,0]的解算值先取其绝对值查表计算相对位置，最后取查得的相对位置的负值；(3)x和y方向共用一个负半动态范围[-r,0]的查找表，(2n+1)为对四象限探测器动态范围的细分数，则表格大小为(n+1)×1，表格数量为1，负半动态范围[-r,0]的解算值可直接利用解算值查表计算相对位置，而正半动态范围[0,r]的解算值先取其负数查表计算相对位置，最后取查得的相对位置的负值；(4)考虑实际应用x和y方向可能存在差异，x和y分别构造独立的表格，同样有以上三种方法，表格数量增加为2个。步骤2构造查找表中的数列可以采用升序排列或者降序排列。步骤3、根据步骤1中的解算值在步骤2中构造的查找表中查找出对应的相对位置；在查找表中查找的方法可以是适用于排序序列的任意快速查表法；步骤4、依据精度要求，对步骤3查找表的相对位置采用采用线性插值法进行校正。步骤5、依据光斑半径和步骤4中的相对位置计算出光斑质心，其计算公式为：x0＝xr×ry0＝yr×r。以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：结合图1，本发明一种实用的高精度四象限探测器高斯光斑质心定位方法，包括以下步骤：步骤1、结合图2，利用四象限探测器四路输出光电流计算出x和y方向上的光斑质心的解算值和其计算公式为：式中，ia、ib、ic、id分别为四个象限的光电流。步骤2、结合图2在以四象限探测器中心为坐标原点，建立直角坐标系，利用高斯光斑能量分布模型，根据精度要求，使用matlab构造出光斑质心解算值和相对位置一一对应的查找表。高斯光斑能量分布模型的表达式为：式中，p0为光斑中心光强取为1，(x0,y0)光斑质心，r为高斯光斑半径取0.75mm。步骤2构造出光斑质心解算值和相对位置一一对应的查找表，光斑质心解算值和相对位置的关系为：式中，xr和yr分别为x和y方向的相对位置，x方向计算公式为xr＝x0/r，是光斑质心x0与光斑半径r的比值，取值范围为[-1,1]；y方向计算公式为yr＝y0/r，是光斑质心y0与光斑半径r的比值，取值范围为[-1,1]。本实施例中，四象限探测器全动态范围细分数(2n+1)取为151，即查找表分辨率为10μm，x和y共用一个升序排列表格，获得的光斑质心解算值和相对位置查找表如表1所示。表1部分光斑质心解算值和相对位置查找表计算结果序号光斑质心(mm)光斑质心解算值光斑质心相对位置1-0.7500-0.9545-1.00002-0.7400-0.9515-0.98673-0.7300-0.9484-0.97334-0.7200-0.9451-0.96005-0.7100-0.9417-0.94676-0.7000-0.9381-0.93337-0.6900-0.9342-0.92008-0.6800-0.9302-0.90679-0.6700-0.9260-0.893310-0.6600-0.9216-0.8800…………1510.75000.95451.0000步骤3、利用快速查表二分法在步骤2的查找表中查找计算值对应的相对位置。步骤4、使用线性插值法校正相对位置。步骤5、利用公式x0＝xr×r计算出光斑质心。图3为计算出的光斑质心和光斑质心的误差曲线，可以看到最大误差为66.21nm，可以满足大部分应用需求，需要更高精度，增加四象限探测器全动态范围细分数即可。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。当前第1页12