杨鲁新，董文博，2

（1.中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094；2.中国科学院空间应用重点实验室，北京100094）

1 引言

位置敏感探测器（Position Sensitive Detector，PSD）是非接触精密测量领域一种常用的光电感应器件，基于非均匀半导体的横向光电效应，可以将入射光点转换成连续的位置数据，具有分辨率高、线性度好、响应速度快、光谱响应范围广、工作电路简单等特点［1］，广泛应用于工业自动控制、武器制导与控制、空间光电设备及空间科学应用载荷。近几年我国载人航天事业飞速发展，空间科学应用研究进步显著，在各种空间应用精密控制载荷中，PSD都发挥了重要的作用，例如主动减振装置的相对位姿测量［2⁃3］、微弱振动检测［4⁃5］、机器人手臂的三维位姿测量［6⁃7］等。但是在测量过程中，PSD的测量精度往往受到背景光的影响［1⁃3］。背景光照射到PSD上会产生相应的光电流，并叠加到有效信号上，使得光斑测算位置偏离正常值。所以PSD一般用于较暗的环境或者专门制作的暗箱，增大了工作量，增加了成本，应用范围受到了限制。

目前消除背景光影响的方法大致有两种：光学法和电学法。光学法一般是在PSD上加装与光源的频段匹配的滤光片，可以滤掉大部分背景光［1］。但有时候背景光与光源的频段相同，因此用电学法去解决。具体的，可以通过加反偏电流的方法来消除背景光和暗电流的影响［2］，也有人利用多光束相位法进行检测［8］。在这些措施的基础上，还可以通过软件滤波的方法从频域上改善精度位移测量的性能［9⁃10］。

本文对电学法展开研究，通过光源调制和信号处理的手段，提出一种能够有效抑制背景光的PSD位置检测系统概念。与加固定反偏电流消除背景光和暗电流的方法不同，该方法将光源调制为脉冲光信号，从而实现对背景光进行动态检测和消除，以期可以适用于背景光变化的场景，从而扩大PSD的应用范围，并保留比多光束相位法硬件结构更简单、信号处理误差更小、测量精度更高的优点。

2 利用光源消除背景光影响的方法

2.1 PSD结构及测量方法

本系统选用图1所示四边形结构二维PSD（45 mm ×45 mm），工艺简单，暗电流小，易于加反向偏置，但电极间相互影响，非线性失真较大。由于近中心区域线性度较好，故检测区域设定在近中心区域（20 mm×20 mm）内，以减小非线性误差。

图1 PSD原理示意图Fig．1 Schematic diagram of PSD

以中心点为坐标原点，则该PSD光点位置的解算公式如式（1）：

式中，I1～I4分别为四个电极输出的对应电流值，L为PSD的边长。

2.2 消除背景光影响的方法

背景光所产生的误差是由于背景光照射到PSD上，产生相应的光电流，叠加到光源所产生的光电流上，使得采集的信号高于正常值，最终导致解算位置的偏差。

本系统采用采样⁃保持的思想，首先将光源调制为一定频率的脉冲光信号，PSD的响应信号则为脉冲电信号。在响应信号的高电平和低电平处分别进行采样，高电平处采集的信号为光源和背景光叠加产生的信号，低电平处采集的信号为背景光产生的信号。将两组数据传输到数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）后，由 DSP 对两组数据对应做差值，得到四个电极去除背景光成分的实际位置电压值。为了测量的准确性，需将其进行平均值滤波，然后经式（1）解算，从而得到光斑坐标。

此方法适用于背景光强度变化频率小于100 Hz的场景。本文所进行的试验，背景光由日光灯产生，发光频率为100 Hz，其他低于该频率的场景均可应用本文所提出的方法。

3 测量系统设计

3.1 硬件系统设计

本系统硬件部分主要由光源及驱动电路、PSD探测器、采集调理电路、A／D转换电路、DSP和PC机等几部分构成，系统结构如图2所示。由于PSD光敏面近中心区域的线性度较好，故本系统选择光敏面较大的sitek公司的2L45＿SU24型PSD，有效光敏面为45 mm×45 mm，非线性误差仅为0.3%，从而保证测量的线性度和准确性。下面将详细介绍各部分的设计思路。

图2 系统框图Fig．2 System block diagram

3.1.1 调制光源及驱动电路设计

PSD所用的光源主要有发光二极管（Light E⁃mitting Diode，LED）和激光二极管（Laser Diode，LD）两种。LED驱动控制简单，亮度可通过限流电阻大小进行控制，价格便宜，体积小，重量轻，但能量不集中，光线发散，照明距离有限。相反，LD能量集中，光斑小，照明距离长，但驱动控制复杂，亮度无法控制，温度敏感，热稳定性差。试验场景中以日光灯模拟背景光环境。日光灯由50 Hz正弦电信号驱动，发光频率为100 Hz，其光谱为非连续光谱，光谱能量主要集中在可见光波段，而在红外波段也有少量能量分布。综合考虑，我们选用一种高会聚率LED，其带有聚焦透镜，光线指向性小于2%。该二极管光源响应时间为10 μs，波长主要集中在800 nm～900 nm之间，属于红外波段。因此系统在PSD上配合使用红外滤光片，该滤光片对800 nm～1600 nm的红外光波段有90%的透过率，对400 nm～680 nm的可见光波段的透过率小于5%，而对680 nm～800 nm的近红外波段的透过率约为40%，因此可与滤除大部分的背景光，而对光源基本没有影响。

由于DSP的IO口负载能力较弱，故设计图3所示的三极管驱动电路，以实现DSP对光源的快速控制。

图3 光源驱动电路Fig．3 LED driving circuit

图中，DSP⁃A2接口接 DSP的控制管脚，D1为发光二极管，R1为限流电阻，通过改变其大小可以改变发光二极管的亮度。

3.1.2 信号采集调理电路设计

由于PSD输出的是微弱的电流信号，不能够被A／D直接采集，故设计电流电压转换及放大电路将其转换为易测量的电压信号。随后由DSP驱动AD进行采集，进行平均滤波及位置解算。PSD共有四路电流输出，以其中一路为例，采集调理电路如图4所示。

图中，Port1端口连接PSD的引脚1，AIN0端口连接AD的AIN0通道。

图4 信号调理电路Fig．4 Signal conditioning circuit

3.1.3 A／D转换电路设计及DSP选型

由于本系统对精度和速度的要求较高，为了同时保证精度和转换速率，本系统选用了德州仪器公司的24 bit的ADS1258作为本系统的A／D转换芯片，其采用SPI通信，固定通道转换速率125 kSPS，自动通道扫描模式下，每个通道的转换速率可以达到23.7 kSPS，满足的本系统的需求。根据 TI公司 ADS1258 的 datasheet［11］设计图 5 所示电路。

图5 A／D转换电路Fig．5 A／D converting circuit

DSP主控选用德州仪器公司专门面向控制领域的TMS320 F2812，主频150 MHz，32位中央处理器，外设资源丰富。

3.2 软件系统设计

本系统软件部分的设计主要是DSP主控程序的编写，其主要任务包括：光源的控制与调制程序的编写、ADS1258驱动采集与通信程序的编写、DSP与PC机串口通信程序的编写。

系统整体控制思路如下：首先初始化系统外设、接口、定时器等，使定时器每2 ms产生一次中断，标志位置1；然后在主函数的无限循环语句中检测该标志位，当标志位为1时，进入处理函数，重置该标志位（置0），并在光源开启和关闭的状态下分别控制ADS1258扫描四个通道的电压值，对应相减得到四个通道的电压差值；随后进行平均值滤波，带入解算公式中即可得到光斑位置；最后通过串口发送函数将位置数据发送到PC机上显示。主程序流程图如图6所示。

3.3 PSD标定

由于PSD的放置存在一定的误差及零偏差，即PSD移动的坐标系和零点与测量的坐标系和零点不吻合，所以会产生解算位置的错位，造成测量误差。此误差可以通过最小二乘归一化的方法对数据点进行标定，使得数据点的散点图连线与坐标轴平行［12］。 设 PSD 标定点的坐标为（x，y），校正后的标定点坐标为（x∗，y∗），则可设式（2）：

图6 流程图Fig．6 Flowchart of software

其中，a、b、c、d 为待估计参数，ek1、ek2为估计误差。进行L次测量后得到L个数据点，以x∗为例，对式（2）系统进行最小二乘估计有式（3）：

根据式（3）即可估计得到待估计参数a和b，相同方法可得参数c和d，然后代入式（2）即可得到校正后的数据点。

4 测试系统和测试结果

4.1 精度测试与分析

精度是指在同一条件下，同一位置处采集若干个点，位置偏移范围的大小。此测试以PSD中心为原点建立坐标系，在背景光下光源调制前与调制后分别选取四个位置，每个位置采集100个点来测试其精度并加以对比。图中，横纵坐标为测试点在该坐标系中的位置，图示数据为未经过标定的原始数据。

4.1.1 光源未调制精度测试

在背景光下采用未调制光源，选取（－3 mm，3 mm）、（3 mm，3 mm）、（3 mm，－3 mm）、（ －3 mm，－3 mm）四个点进行测试，测试结果如图7所示。

图7 光源未调制精度测试数据Fig．7 Precision test data without light modulation

由图7可以看出，在光源未调制及背景光存在的环境下，四个位置的位移偏移范围分别为70 μm ×140 μm，40 μm ×40 μm，45 μm ×70 μm，45 μm ×70 μm，其精度超过100 μm。

4.1.2 光源调制后精度测试

在背景光下采用调制光源，选取（－3 mm，3 mm）、（3 mm，3 mm）、（3 mm，－3 mm）、（ －3 mm，－3 mm）四个点进行测试，测试结果如图8所示。

图8 光源调制后精度测试数据Fig．8 Precision test data with light modulation

由上图可以看出，在调制光源及背景光存在的环境下，四个位置的位移偏移范围分别为9 μm×13 μm，10 μm × 13 μm，10 μm × 12 μm，10 μm×15 μm，其精度可达到15 μm。

4.1.3 对比分析

在背景光存在条件下，使用未调制光源时，其精度超过100 μm，但光源经过调制后，其精度可以达到15 μm，精度大大提高，说明本系统完全可以保证背景光下测量的精度。

4.2 线性度测试与分析

PSD的线性度是指PSD的实际位置与测量得到的位置之间的线性关系程度。同样以PSD中心为原点建立坐标系，其测试方法为：选取一定数量的点阵，把每个点的实际值与经过标定后的测量值进行比较，取差值。利用精密位移台，生成从（－9 mm，－9 mm）到（9 mm，9 mm）的49个点的数据（每3 mm一个），每个点取100次数据。利用Matlab标定程序通过最小二乘法进行标定，确定线性误差及标定系数。

4.2.1 光源未调制线性度测试

当光源未调制且有背景光存在时，经过标定后的测量点（红色）与基准点（蓝色）如图9所示。经过计算得出，其平均线性误差为48 μm，最大线性误差为111 μm，标定系数分别为 a＝1.6，b＝0.008，c＝0.004，d ＝1.648。

图9 光源未调制线性度测试数据Fig．9 Linear test data without light modulation

4.2.2 光源调制后线性度测试

当光源调制后且有背景光存在时，经过标定后的测量点（红色）与基准点（蓝色）如图10所示。经过计算得出，其平均线性误差为13 μm，最大线性误差为36 μm，标定系数分别为a＝1.072，b＝0，c＝0.003，d＝1.068。

图10 光源调制后线性度测试数据Fig．10 Linear test data with light modulation

4.2.3 对比分析

对比可知，光源调制后，平均线性误差由48 μm减小到 13 μm，最大线性误差由 111 μm 减小到36 μm。采用调制光源后，本系统的线性误差大大下降，说明本系统可以有效降低背景光下PSD的线性误差。

5 结论

本文设计的PSD测量系统借助光学手段和调制思想，用滤光片滤除可见背景光，并将光源调制为脉冲光，通过高精度A／D采集并由DSP进行快速的差值、滤波、坐标运算，实现了消除背景光的目的。试验结果证明，该系统在背景光存在的条件下，精度可以达到15 μm，平均线性误差仅为13 μm，最大线性误差为36 μm，采样周期为最小2 ms，可以完全去除背景光的影响，有效地提高相对位移的精度。另外，在消除背景光影响的同时，PSD的暗电流对测量结果的影响也可以得到有效抑制，进一步提高了其测量精度。

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