大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器及光斑定位方法
【专利摘要】本发明提供一种大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器及光斑定位方法，该光斑定位跟踪传感器包括：由多个矩形光电池连接形成的光电池组，每个矩形光电池彼此电性绝缘；多路探测信号预处理模块，包括多个预处理支路模块，对光电池信号进行放大处理得到模拟信号；AD转换模块，连接至每一路预处理支路模块的输出端，将输出的模拟信号转换成数字信号；计算机信号处理系统，连接至AD转换模块的输出端，对依次编序输入的数字信号进行处理，计算光斑位置，包括：由光斑覆盖的连续矩形光电池组成自适应的局域二象限坐标系，得到光斑在该自适应局域二象限坐标系中的位置，再按所述光电池组的固定结构参数，计算出光斑在所述光电池组所形成坐标系中的位置。
【专利说明】大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器及光斑定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及精密测量与自动控制【技术领域】，具体而言涉及一种大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器及光斑定位方法。
【背景技术】
[0002]激光具有优良的方向性和高亮度，可作为直线与扫描平面基准，已广泛用于大地测量与建设工程的直线或水平线测量基准，作为公路铺路、河道、隧道开通、机场、广场建筑保证直线度与平面度的基准，进而实现按激光平面进行自动加工，在这些测量与控制工程中最重要的关键技术和设备就是准直激光或扫描激光的探测与跟踪传感与控制，定量实时给出待测量和待加工的平面离基准线和平面的差值，以保证待测量平面的高程形貌，或为保证待加工平面的平面度或直线度所需要的进刀量，以实现自动跟踪控制。
[0003]CO)光斑位置探测、PSD (Position Sensitive Device)光斑位置探测传感器都是测量和定位领域中常用的探测技术，而两象限或四象限光电池因其结构简单价格低且光敏面大而在光束导引和跟踪工程和光斑位置靶中也得到有大量应用，因此研制一种精度与CCD和PSD相当而价格低得多，特别是量程或动态范围有大得多的光电传感器是很有必要的。
[0004]作为直线度与平面度测量和控制系统对光电探测技术的要求是高精度与大量程，特别是在复杂工作面的跟踪控制要求大的动态范围和量程，而现有的用于定位的探测传感器精度皆达0.0lmm级，可满足要求，但由于受到CXD和PSD芯片尺寸的限制，量程都在10毫米级，较大尺度价格很高，在很需要大长度的跟踪测量不得不用多个线CCD或PSD拼接，但存在拼接间隔，坐标统一校正困难，光电池作为光斑位置探测与自动跟踪传感器远比CCD等价格低，两象限光电池也常用于精密测量，特别是跟踪控制工程中，但工作区也仅局限于象象限和光斑大小尺度，因此研制既有高精度又具有几十厘米的动态测量与跟踪范围的光电探测与跟踪传感器是迫切需要的。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明旨在提供一种大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器及光斑定位方法。
[0006]为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0007]一种大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器，包括:
[0008]由N个矩形光电池连接形成的光电池组，其中每个矩形光电池彼此电性绝缘；
[0009]N路探测信号预处理模块，包括N个预处理支路模块，分别对所述N个矩形光电池输出的光电池信号进行放大处理，得到模拟信号；
[0010]AD转换模块，连接至所述每一路预处理支路模块的输出端，将每一路预处理支路模块输出的模拟信号转换成数字信号；以及
[0011]计算机信号处理系统，连接至所述AD转换模块的输出端，对依次编序输入的数字信号进行处理，计算光斑位置，其中:
[0012]由光斑覆盖的连续矩形光电池组成自适应的局域二象限坐标系，得到光斑在该自适应局域二象限坐标系中的位置，再基于所述光电池组的固定结构参数，计算出光斑在所述光电池组所形成坐标系中的位置。
[0013]进一步的实施例中，所述N个矩形光电池的正极相连形成为一极引出，所述N个矩形光电池的负极分别引出并与所述N路探测信号预处理模块的N个预处理支路模块连接。
[0014]进一步的实施例中，所述计算机信号处理系统包括一单片机，其运行有用于对依次编序输入的数字信号进行处理和计算光斑位置的程序。
[0015]进一步的实施例中，所述计算机信号处理系统包括一个数字信号处理器，用于对依次编序输入的数字信号进行处理和计算光斑位置。
[0016]进一步的实施例中，所述N个矩形光电池实际输出的光电池信号经过放大处理和AD转换后，得到η个数字信号，η ^N,η个数字信号依次编序输入所述计算机信号处理系统并按序建立光电池坐标，其中:
[0017]基坐标为Xq-Yq,各分界坐标为Yn-Xn，其中:
[0018]Y0-X0, Y1-X1, Y2-X2, Y3-Xf Ym-Xn/" Yn-Xn，其中 Xm 为第 m 个矩形光电池与第 m+1 个矩形光电池的分界；
[0019]光斑覆 盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值位于光斑覆盖区域的强度中心。
[0020]进一步的实施例中，光斑覆盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值k满足:
[0021]k= (n- (m-1) )/2+ (m-1),
[0022]则光斑测量坐标为Yk_X，光斑中心在自适应二象限坐标系中的位置为Yk，则光斑在基坐标YcrXtl中的位置为Y=Yk+G1+G2+G3+-+Gk_1，其中G表示分界坐标的间隔。
[0023]根据本发明的改进，本发明的另一方面还提出一种利用上述的大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器实现的光斑定位方法，该光斑定位方法包括以下步骤:
[0024]接收光斑覆盖的多个光电池所输出的光电池信号；
[0025]将光电池信号进行放大处理；
[0026]对放大后的光电池信号进行模数转换，转换为数字信号输出；以及
[0027]将数字信号依次编序输入一计算机信号处理系统，计算光斑位置，其中:
[0028]由光斑覆盖的连续矩形光电池组成自适应的局域二象限坐标系，得到光斑在该自适应局域二象限坐标系中的位置，再基于所述光电池组的固定结构参数，计算出光斑在所述光电池组所形成坐标系中的位置。
[0029]进一步的实施例中，所述N个矩形光电池实际输出的光电池信号经过放大处理和模数转换后，得到η个数字信号，η ( N，η个数字信号依次编序输入所述计算机信号处理系统并按序建立光电池坐标，其中:
[0030]基坐标为Xtl-Ytl,各分界坐标为Yn-Xn，其中:
[0031]Y0-X0, Y1-X1, Y2-X2, Y3-X^Ym-XfYn-Xn，其中 Xm 为第 m 个矩形光电池与第 m+1 个矩形光电池的分界；
[0032]光斑覆盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值位于光斑覆盖区域的强度中心。
[0033]进一步的实施例中，光斑覆盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值k满足:
[0034]k= (n- (m-1))/2+ (m_I)，
[0035]则光斑测量坐标为Yk_X，光斑中心在自适应二象限坐标系中的位置为Yk，则光斑在基坐标YcrXtl中的位置为Y=Yk+G1+G2+G3+-+Gk_1，其中G表示分界坐标的间隔。
[0036]进一步的实施例中，所述计算机信号处理系统包括一单片机或数字信号处理器，利用该单片机或数字信号处理器实现光斑位置定位。
[0037]由以上本发明的技术方案可知，本发明提出的大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器及光斑定位方法由被光斑实际覆盖的相邻连续的光电池元自适应组成局域二象限坐标系，解决光斑直径随距离而变化而在光电池上的覆盖面积和光强度都在变化带来的计算问题。本发明的技术方案利用自适应的局域二象限坐标系以及光电池元的固有结构参数、光电池排列的固有分界间隔参数，利用DSP或MCU处理，得出光斑在自适应二象限坐标系中的位置，进而得出其在整个基坐标中的位置。可见，本发明的技术方案可满足在复杂环境和长距离变化条件下光斑位置与大小变化的测量要求。而且目前，光电池技术比较成熟，其价格远比同类的光电探测器低，多光电池长列连接成一体可做到远比同类光电探测器动态范围大得多的线阵探测器，光斑在局域坐标和到统一坐标的变换皆为常见的代数运算，可通过信息处理DSP或MCU实现，与现有技术相比，本发明的技术方案成本较低，实现过程不复杂，具有较大的推广价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为本发明一实施方式大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器的结构示意图。
[0039]图2为图1实施例中光电池坐标的示意图。
[0040]图3为利用图1实施例大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器实现光斑定位方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0041]为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0042]图1所示为本发明一实施方式大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器的结构示意，其中，一种大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器，包括:由N个矩形光电池(la、lb、lc、ld、le、lf、lg、lh)连接形成的光电池组1，其中每个矩形光电池彼此电性绝缘；N路探测信号预处理模块2，包括N个预处理支路模块(2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h)，分别对所述N个矩形光电池输出的光电池信号进行放大处理，得到模拟信号(％、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8);AD转换模块3，连接至所述每一路预处理支路模块的输出端，将每一路预处理支路模块输出的模拟信号转换成数字信号(Ul、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8);以及计算机信号处理系统4，连接至所述AD转换模块3的输出端，对依次编序输入的数字信号进行处理，计算光斑位置，其中:由光斑覆盖的连续矩形光电池组成自适应的局域二象限坐标系，得到光斑在该自适应局域二象限坐标系中的位置，再基于所述光电池组的固定结构参数，计算出光斑在所述光电池组所形成坐标系中的位置。[0043]图1所示的实施例中，所述N取值为8，即前述的光电池组I由上述8个光电池(la、lb、lc、Id、le、If、lg、lh)组成。在另外的实施例中，前述的光电池组I还可以视设计或实际情况包括其他数目的光电池组，不限于8个。
[0044]本实施例中，光电池组的固定结构参数包括光电池在依次排列连接时，各光电池之间的距离，以及各光电池本身的长度和宽度。这些固定参数可以认为是已知参数，因为这些参数都是可以通过光电池的铭牌数据、说明书或通过事先坐标标定，容易得到的。
[0045]有优选地，所述N个矩形光电池的正极相连形成为一极弓丨出，所述N个矩形光电池的负极分别引出并与所述N路探测信号预处理模块的N个预处理支路模块连接。
[0046]每个矩形光电池与对应的预处理支路模块构成多个并行的信号通道。
[0047]在一个可选的实施例中，前述计算机信号处理系统4包括一单片机(MCU)，其运行有用于对依次编序输入的数字信号进行处理和计算光斑位置的程序。
[0048]在另一些实施例中，前述计算机信号处理系统4包括一个数字信号处理器(DSP),用于对依次编序输入的数字信号进行处理和计算光斑位置。
[0049]显然的，上述单片机(MCU)或数字信号处理器(DSP)均可作为一个微处理器系统使用，包括运算器、控制器、存储器、输入输出设备。
[0050]由于光斑沿长列光电池运动，特别是在复杂控制环境下位置变化动态范围很大。跨过不同横坐标线的局域二象限坐标，如何正确快速确定光斑在传感器中的位置是传感器控制的关键问题，在实际控制与测量中存在的有一难题就是由于激光的发散性，光斑直径随距离而变化，在光电池上的覆盖面积和光强度都在变化，不能用固定的二象限方法计算。因此本实施例中，如上所述结合图1、图2所示，所述N个矩形光电池实际输出的光电池信号经过放大处理和AD转换后，得到η个数字信号，n ^ N, η个数字信号依次编序输入所述计算机信号处理系统并按序建立光电池坐标，其中:`[0051]基坐标为Xq-Yq,各分界坐标为Yn-Xn，其中:
[0052]Y0-X0, Y1-X1, Y2-X2, Y3-X^Ym-XfYn-Xn，其中 Xm 为第 m 个矩形光电池与第 m+1 个矩形光电池的分界，如图2所示；
[0053]光斑覆盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值位于光斑覆盖区域的强度中心。
[0054]作为本发明较佳的实施方式，光斑覆盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值k满足:
[0055]k= (n- (m-1))/2+ (m_I)，
[0056]则光斑测量坐标为Yk_X，光斑中心在自适应二象限坐标系中的位置为Yk，则光斑在基坐标YcrXtl中的位置为Y=Yk+G1+G2+G3+-+Gk_1，其中G表示分界坐标的间隔。
[0057]参考图2所示，Y1, \、Y3> Y4> Y5> Y6> Y7> Y8确定分界坐标的间隔G，作为前述的光电池组的固定结构参数。
[0058]若光班实际跨123光电池的光电池信号U1、U2、U3，选123电池的中值，如Y1-X1或Y2-X2为横坐标线，光斑在此坐标中心为J1=R (U2+U3—Ul)/ (U2+U3+U1)=BR，而光斑随距离变化、现场标定的困难等问题，确定R是关键点。本实施例中，采用事先标定的方法。
[0059]由每次测量时光斑覆盖光电池产生的信号强度占空比C= (Ul+U2+U3/3Um，Um为U1、U2、U3中的最大值，即满覆盖光电池信号值，R=H/2=C (GfGfG3)/2，R等于光斑半高，如此确定光斑高更恰当。可用移动测微器测量光电池横轴X1——Xn依次经过同一光斑居中差值为零时的位置为Yn相邻差值为Gn的标定,则光斑在基坐标Ytl-Xtl的坐标值为=Y=Y1 (k取值为I)，如取Y2-X1坐标，则Y=YJG1 (k取值为2)。
[0060]例如，若光电池的输出信号为U2、U3、U4、U5，则表明光斑实际覆盖光电池2、3、4、5，如前述中值k计算公式，中值线为:(5- (2-1)) /2+1=3，取Y3—X为横轴，可得到光斑位置Y3，则在基坐标 Y0-X0 中的位置为 Y=YfGAGJG3+...+Gh=YJGJG1ij
[0061]图3所示为利用图1实施例大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器实现光斑定位方法的流程，其中，该光斑定位方法包括以下步骤:
[0062]接收光斑覆盖的多个光电池所输出的光电池信号；
[0063]将光电池信号进行放大处理；
[0064]对放大后的光电池信号进行模数转换，转换为数字信号输出；以及
[0065]将数字信号依次编序输入一计算机信号处理系统，计算光斑位置，其中:
[0066]由光斑覆盖的连续矩形光电池组成自适应的局域二象限坐标系，得到光斑在该自适应局域二象限坐标系中的位置，再基于所述光电池组的固定结构参数，计算出光斑在所述光电池组所形成坐标系中的位置。
[0067]如前所述，所述N个矩形光电池实际输出的光电池信号经过放大处理和模数转换后，得到η个数字信号，η ( N，η个数字信号依次编序输入所述计算机信号处理系统并按序建立光电池坐标,其中:`[0068]基坐标为Xq-Yq,各分界坐标为Yn-Xn，其中:
[0069]Y0-X0, Y1-X1, Y2-X2, Y3-X^Ym-XfYn-Xn，其中 Xm 为第 m 个矩形光电池与第 m+1 个矩形光电池的分界；
[0070]光斑覆盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值位于光斑覆盖区域的强度中心。
[0071]作为优选的，斑覆盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值k满足:
[0072]k= (n- (m-1) )/2+ (m-1),
[0073]则光斑测量坐标为Yk_X，光斑中心在自适应二象限坐标系中的位置为Yk，则光斑在基坐标YcrXtl中的位置为Y=Yk+G1+G2+G3+-+Gk_1，其中G表示分界坐标的间隔。
[0074]作为可选的方式，所述计算机信号处理系统包括一单片机或数字信号处理器，利用该单片机或数字信号处理器实现光斑位置定位。
[0075]虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属【技术领域】中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【权利要求】
1.一种大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器，其特征在于，包括: 由N个矩形光电池连接形成的光电池组，其中每个矩形光电池彼此电性绝缘； N路探测信号预处理模块，包括N个预处理支路模块，分别对所述N个矩形光电池输出的光电池信号进行放大处理，得到模拟信号； AD转换模块，连接至所述每一路预处理支路模块的输出端，将每一路预处理支路模块输出的模拟信号转换成数字信号；以及 计算机信号处理系统，连接至所述AD转换模块的输出端，对依次编序输入的数字信号进行处理，计算光斑位置，其中: 由光斑覆盖的连续矩形光电池组成自适应的局域二象限坐标系，得到光斑在该自适应局域二象限坐标系中的位置，再基于所述光电池组的固定结构参数，计算出光斑在所述光电池组所形成坐标系中的位置。
2.根据权利要求1所述的大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器，其特征在于，所述N个矩形光电池的正极相连形成为一极引出，所述N个矩形光电池的负极分别引出并与所述N路探测信号预处理模块的N个预处理支路模块连接。
3.根据权利要求1所述的大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器，其特征在于，所述计算机信号处理系统包括一单片机，其运行有用于对依次编序输入的数字信号进行处理和计算光斑位置的程序。
4.根据权利要求1所述的大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器，其特征在于，所述计算机信号处理系统包括一个数字信号处理器，用于对依次编序输入的数字信号进行处理和计算光斑位置。
5.根据权利要求1所述的大量`程线阵光电池光斑定位跟踪传感器，其特征在于，所述N个矩形光电池实际输出的光电池信号经过放大处理和AD转换后，得到η个数字信号，η ( Ν，η个数字信号依次编序输入所述计算机信号处理系统并按序建立光电池坐标，其中: 基坐标为Xc1-Yci，各分界坐标为Yn-Xn,其中: Yq-Xci, Y1-X1, Y2-X2, Y3-X3-Ym-Xm-Yn-Xn，其中Xm为第m个矩形光电池与第m+1个矩形光电池的分界； 光斑覆盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值位于光斑覆盖区域的强度中心。
6.根据权利要求5所述的大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器，其特征在于，光斑覆盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值k满足:
k= (n- (m-1) )/2+ (m_l)， 则光斑测量坐标为Yk_X，光斑中心在自适应二象限坐标系中的位置为Yk，则光斑在基坐标YcrXo中的位置为，其中G表示分界坐标的间隔。
7.一种利用权利要求1所述的大量程线阵光电池光斑定位跟踪传感器实现的光斑定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 接收光斑覆盖的多个光电池所输出的光电池信号； 将光电池信号进行放大处理； 对放大后的光电池信号进行模数转换，转换为数字信号输出；以及 将数字信号依次编序输入一计算机信号处理系统，计算光斑位置，其中: 由光斑覆盖的连续矩形光电池组成自适应的局域二象限坐标系，得到光斑在该自适应局域二象限坐标系中的位置，再基于所述光电池组的固定结构参数，计算出光斑在所述光电池组所形成坐标系中的位置。
8.根据权利要求7所述的光斑定位方法，其特征在于，所述N个矩形光电池实际输出的光电池信号经过放大处理和模数转换后，得到η个数字信号，η ( N，η个数字信号依次编序输入所述计算机信号处理系统并按序建立光电池坐标，其中: 基坐标为Xc1-Yci，各分界坐标为Yn-Xn,其中: Yq-Xci, Y1-X1, Y2-X2, Y3-X3-Ym-Xm-Yn-Xn，其中Xm为第m个矩形光电池与第m+1个矩形光电池的分界； 光斑覆盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值位于光斑覆盖区域的强度中心。
9.根据权利要求7所述的光斑定位方法，其特征在于，光斑覆盖区域为从第m到第η元矩形光电池时，其中值k满足:
k= (n- (m-1) )/2+ (m_l)， 则光斑测量坐标为Yk_X，光斑中心在自适应二象限坐标系中的位置为Yk，则光斑在基坐标YcrXo中的位置为，其中G表示分界坐标的间隔。
10.根据权利要求7所述的光斑定位方法，其特征在于，所述计算机信号处理系统包括一单片机或数字信号处理器`，利用该单片机或数字信号处理器实现光斑位置定位。
【文档编号】G05B19/042GK103777547SQ201410027547
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2014年1月21日
【发明者】贺安之, 贺宁, 贺斌 申请人:南京理工技术转移中心有限公司