易瑔，王林森，杨建昌，李晨，孙先知

（装甲兵工程学院，北京，100072）

基于PSD的光轴平行性测试装置电路系统

易瑔，王林森，杨建昌，李晨，孙先知

（装甲兵工程学院，北京，100072）

为了能够实现对车载观瞄系统光轴平行性的高精度测量，利用PSD捕捉微弱光信号来获取光斑的空间位置坐标，对该电路系统主要从信号处理电路部分和延时电路部分进行分析和设计。首先，在分析PSD基本工作原理的基础上，设计其信号处理电路部分和延时电路部分，实现激光三轴的光轴平行性检测。然后，结合误差理论，分析电路系统的测量误差和精度。结果表明：选择位置分辨率为1.5μm的S1880型PSD时，其测量精度能够达到±1.7407"。

PSD；信号处理；延时电路；精度分析

0 引言

目前对于车载观瞄系统光轴平行性的检测主要是借助于CCD来实现信号的采集和处理，通过加入一块上转换板将近红外光波段转换为可见红光波段，以提高CCD的信号响应率[1]。这样的测试方法虽然也能够实现光轴平行性的检测，但由于光束经过上转换板后其成像光斑的质量会受到一定程度的影响，这就降低了该系统的检测精度。因此，本文提出一种基于PSD实现的光轴平行性检测装置，有效地提高了检测的精度。

1 PSD的基本工作原理

PSD主要由表面电阻、P衬底和PIN二极管组成，其结构示意图如图1中所示。

图1 PSD的结构示意图

光斑落在PSD上时产生的光电子通过P型电阻层被电极收集（P型层是一层均匀的电阻层），电极收集到的光电流与光斑中心和电极间距成反比[2]。

式中，lx=ly=14mm ，为PSD的有效面积尺寸。

2 PSD信号处理电路及其精度分析

在本实验中，利用离轴反射式光学系统会聚从被测观瞄系统发出的测距激光束。当光束落在PSD光敏面上时，通过信号处理电路计算成像光斑能量中心和PSD标定原点的距离值，实现对观瞄系统白光瞄准轴和激光发射轴的光轴平行性测试。离轴反射式光学系统结构图如图2中所示。

图2 离轴反射式光学系统结构图

2.1 PSD信号处理电路的设计

结合PSD的基本工作原理，将PSD四个端口x1，x2，y1，y2输出的电流信号分别送入放大器U1，U2，U3，U4，其电路结构图如图3中所示。其中，端口y2的输出信号送入加法器U5和U8，U5完成(lx2+ly2

)的运算过程。然后，由减法器U9，加法器U10，减法器U11分别计算出ΔY，Σ，ΔX。最后，ΔY，Σ，ΔX送入模拟计算器AD538，即可计算出光斑中心的位置坐标(x0，y0)。

图3 PSD信号处理电路的电路结构图

2.2 PSD信号处理电路的精度分析[3]

2.2.1 PSD的安装偏移误差1δ

由于人眼分辨率"Pγ有限，PSD的安装位置会出现一定程度上的偏差，设安装偏移量2emµ=，"ρ为弧度化秒系数，那么，

2.2.2 分划中心的对准误差2δ

在测试前，需要将观瞄系统的分划中心与测试装置光学系统的十字分划中心进行对准，以保证PSD的中心原点严格落在主光轴上，如图4中所示。

图4 分划中心的对准

在照明亮度条件较好时，人眼分辨率"Pγ可达到10"，那么，

2.2.3 PSD的测量误差3δ

从表1中可知，S1880在ZONE A的测量误差特征值为± 80μm，那么，

2.2.4 AD538的计算误差4δ

AD538是美国ADI公司出品的一款实时模拟计算器，在很宽的动态输入范围（1000:1）内可实现高精度的模拟除法运算[4]。

由于/XΔΣ和ΔΣ的数值较小，所以AD538选用100:1的输入范围即可，其计算误差约为1%～2%。那么，在ZONE A区域中的极限计算误差约为25μm，

2.2.5 PSD信号处理电路的误差合成

结合误差合成理论，各项误差均成正态分布曲线[6]，那么，

车载观瞄系统光轴平行性的测试要求精度能够达到3.24"。因此，该电路模块能够达到光轴平行性测试的精度要求。

3 延时电路及其精度分析

如图4中所示，当PSD接收到光斑信号时，同样位于离轴反射式光学系统焦点处的LD激光器立即发出一束激光用于模拟回波信号。如果观瞄系统能够接收到回波信号，则说明其白光瞄准轴和激光接收轴的光轴平行性良好。同时，通过比较左目镜处的测量值与延时电路所对应的理论值，也可实现对观瞄系统激光测距模块电源计数器的性能测试。

3.1 延时电路的设计

该光学系统的焦距f=1000mm，则观瞄系统左目镜处的测量值a为：

式中，tΔ即为延时电路所延迟的时间。所以，延迟时间tΔ所对应的距离其理论值1A为：

而实际的测量值2A为：

那么，观瞄系统激光测距模块电源计数器的准确度可以用2l来表示：

因此，当观瞄系统在对3km处目标进行测距时，我们要求满足2l≤0.33%。

3.2 延时电路的精度分析

由于3km的距离光束传播仅需要10μs，为保证测量精度选用128MHz晶振作为计数时钟。

3.2.1 触发信号的时间延迟5δ 和LD激光器的响应时间延迟6δ

采用边沿触发的方式来控制LD激光器输出激光模拟回波信号，通常触发信号的时间延迟在10ns ~30ns。而LD激光器的延迟时间也较短且抖动非常小，约为1ns。

3.2.2 计数器的计数误差7δ

“±1误差”是影响计数器测量精度的主要误差，那么，

3.2.3 延时电路的误差合成

因此可以看出，延时电路中的各项误差影响都比较小，最终的测量精度也比较高，远远低于观瞄系统电源计数器的脉宽。

4 总结

本文主要是结合PSD的基本工作原理及特点来设计离轴反射式光学系统的电路系统，通过分析和计算，验证该设计方案的可行性。结果表明：该光学系统的信号处理电路模块的测量精度能够达到±1.7407"，满足了观瞄系统光轴平行性测试的要求；而延时电路模块的测量精度也能够达到±21.49ns，满足了观瞄系统电源计数器准确度测试的要求。

[1]丁振勇,叶露等.激光与可见光系统光轴平行性检测[J]. 红外与激光工程, 2007, 37(5): 890-893.

[2]徐伟龙,顾金亮等. 基于PSD及激光器的空间基准系统研究[J].计算机测量与控制, 2015, 23(4): 1378-1380.

[3]王尔祺, 宋德慧.光学仪器精度分析[M]. 北京: 测绘出版社, 1988.

[4]林葵, 李刚.实时模拟计算芯片AD538[J]. 国外电子元器件, 1999, 9: 13-15.

Circuit system of optical axis parallelism testing device based on PSD

Yi Quan, Wang Linsen, Yang Jianchang, Li Chen, Sun Xianzhi
(The Academy of Armored Forces Engineering, Beijing, 100072)

in order to realize the concept of high precision measurement of optical axis parallel to the pointing system on vehicle, the space coordinates using PSD to capture the weak optical signal to obtain the spot, the circuit system mainly from the signal processing circuit and a delay circuit analysis and design Firstly, on the basis of analyzing the basic working principle of PSD, the signal processing circuit and the time delay circuit are designed to realize the parallel detection of the optical axis of the three axis of the laser. Then, combining the error theory, the measurement error and accuracy of the circuit system are analyzed. The results show that the measurement accuracy can be achieved when the S1880 PSD with a position resolution of 1.5 mu m is selected.

PSD; signal processing; delay circuit; accuracy analysis