[發(fā)明專利]基于激光追蹤測量系統(tǒng)的位置敏感探測器模型建立方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010192414.4
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111272074B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳洪芳;湯亮;張爽;馬英倫;石照耀
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.基于激光追蹤測量系統(tǒng)的位置敏感探測器模型建立方法，其特征在于：該方法包括如下步驟，

步驟一：建立位置敏感探測器的坐標(biāo)系統(tǒng)；設(shè)PSD的中心為坐標(biāo)原點O，根據(jù)右手定則，建立O-xy直角坐標(biāo)系，x軸方向為水平方向且y軸方向為垂直方向；P(x₀,y₀)為照射到PSD上的入射光斑能量中心點；以P點為中心建立P-x’y’直角坐標(biāo)系，x’軸方向為水平方向且x’軸與x軸平行；y’軸方向為垂直方向且y’軸與y軸平行；P-x’y’直角坐標(biāo)系，把PSD接收面分成四個區(qū)域，且四個區(qū)域的面積分別為S₁、S₂、S₃、S₄；四個電極的長度均為2L；I₁—I₄分別為四個電極輸出的電流值；

步驟二：建立光斑能量中心與位置敏感探測器的關(guān)系；根據(jù)步驟一建立的位置敏感探測器的坐標(biāo)系統(tǒng)，得到PSD的每個電極上的電流表示為：

其中，p_i為每個電極的法向，l_i為光斑中心到四個電極的距離；ρ_R為電阻率；ω_R為P-N結(jié)的厚度；

當(dāng)入射光斑的能量中心與PSD光敏面的中心重合時，沒有估計誤差，表示為：

當(dāng)入射光斑的能量中心與PSD光敏面的中心不重合時，有：

S₁＝(L-x₀)(L-y₀) (10)

S₂＝(L+x₀)(L-y₀) (11)

S₃＝(L+x₀)(L+y₀) (12)

S₄＝(L-x₀)(L+y₀) (13)

PSD的光敏面面積表示為：

S＝S₁+S₂+S_.3+S₄＝(2L)² (14)

由于表面薄層電阻線性均勻一致,載流子的移動符合歐姆定律,四個電流分量I₁，I₂，I₃，I₄都流經(jīng)S₁、S₂、S₃、S₄后到達(dá)四個電極；入射到PSD光敏面的光斑能量中心的相對位置坐標(biāo)為：

因此，得到光斑能量中心在PSD上的坐標(biāo)表示為：

其中，K為線性常數(shù)，根據(jù)PSD的型號確定誤差補償系數(shù)；

步驟三：基于PSD的激光追蹤測量系統(tǒng)測量原理分析，由激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)過偏振分光鏡PBS后，光矢量平行于入射面的p波被透射，經(jīng)過四分之一波片QW₁后得到圓偏振光為參考光束；經(jīng)過偏振分光鏡PBS后，光矢量垂直于入射面的s光被反射；被反射的s光經(jīng)過四分之一波片QW₂后得到圓偏振光，經(jīng)過透鏡Lens聚焦后，入射到標(biāo)準(zhǔn)球，反射后再次經(jīng)過QW₂得到p波，經(jīng)過PBS透射后，經(jīng)過四分之一波片QW₃得到圓偏振光；經(jīng)過追蹤光路的分光鏡BS₂透射后經(jīng)過貓眼后被反射，再次經(jīng)過BS₂被反射的光由PSD接收，經(jīng)過光電信號處理后的信號用于反饋給電機，實現(xiàn)跟蹤控制；再次經(jīng)過BS₂被透射的光經(jīng)過QW₃后得到s偏振光，經(jīng)過PBS被反射，經(jīng)過QW₁后得到圓偏振光，該圓偏振光為測量光束；參考光束和測量光束進(jìn)入到激光追蹤測量光學(xué)系統(tǒng)的干涉光路部分形成激光干涉測量信號；

步驟四：建立激光追蹤測量系統(tǒng)中PSD測量模型；測量光l₁入射貓眼中心時，被貓眼按原路反射；反射光l₂經(jīng)分光鏡BS₂反射后入射到PSD的中心；此時，PSD的光電處理電路輸出信號幅值為零；設(shè)貓眼運動的相對位移為e_r；經(jīng)過貓眼反射后的出射光束與入射光束不重合；反射到PSD上的光束偏離PSD中心距離為2e_r；此時PSD的光電處理電路有輸出信號；設(shè)e_rx為貓眼反射鏡運動的位移量e_r在x方向的投影，e_ry為貓眼反射鏡運動的位移量e_r在y方向的投影；則PSD上的光斑能量中心坐標(biāo)x₀和y₀分別為：

x₀＝2e_rx (19)

y₀＝2e_ry (20)

PSD在x和y方向輸出的電流分別為：

I_x＝(I₁+I₄)-(I₂+I₃)＝2 x₀ D G (21)

I_y＝(I₁+I₂)-(I₃+I₄)＝2 y₀ D G (22)

其中，D為光斑直徑，G為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位為A/m²；

將PSD在x和y方向輸出的電流轉(zhuǎn)化成電壓，并通過低通濾波器后：

其中，k_e為電流電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)，τ_op為低通濾波時間常數(shù)；濾波時間常數(shù)取為τ_op＝0.001s，濾除外界雜散光的影響；

位移電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)表示為：

步驟五：PSD性能對激光追蹤測量系統(tǒng)跟蹤性能的影響分析；根據(jù)激光追蹤測量系統(tǒng)中PSD的測量模型對在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建的激光追蹤測量精密伺服控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真；分析系統(tǒng)對于階躍信號的動態(tài)響應(yīng)，分析了PSD的位移電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)對激光追蹤測量跟蹤系統(tǒng)的影響。