光电跟踪技术精选(九篇)

前言：一篇好文章的诞生，需要你不断地搜集资料、整理思路，本站小编为你收集了丰富的光电跟踪技术主题范文，仅供参考，欢迎阅读并收藏。

第1篇：光电跟踪技术范文

关键词：光伏系统；最大功率点跟踪；占空比；改进模式搜索算法

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

由于太阳能具有取之不尽、分布广泛的特性，所以光伏发电技术在新能源领域脱颖而出，为了能够实现光伏系统输出功率的最大化，需要对光伏阵列的最大功率点进行跟踪。目前有很多算法可以确定系统的最大功率点[1-3]，如查表法、曲线拟合技术、开路电压法、短路电流法、扰动观测法、电导增量法等。查表法和曲线拟合技术需要很大的数据存储空间；开路电压法和短路电流法不适合工作条件发生变化的场合；扰动观测法会在最大功率点附近产生振荡；电导增量法实现过程比较复杂。然而尽管恒压法能够实现MPPT的基本功能并在光伏发电现场得以广泛应用，但在使用过程中无法引入外界条件参量的变化情况，难以实现MPPT的高精度搜索功能。模式搜索算法[4，5]具有很强的细搜索能力，因此将改进的模式搜索算法与恒压法结合用于最大功率实时精确跟踪。

光伏发电系统主要包括光伏阵列、MPPT功率级、控制器、负载几部分[6]，而最大功率点跟踪主要由MPPT功率级和控制器来控制，对此本文首先建立功率级输入端的模型[7， 8]，然后应用改进的PSA算法优化控制器使其精确改变占空比，实现最大功率点的稳定跟踪。

1 光伏组件模型及最大功率点控制

光伏组件功率级输入端即光伏组件的输出主要是产生的电流信号和电压信号，设在参考条件下，构建考虑太阳辐射变化和温度影响时的光伏发电系统中光伏电池阵列数学模型如下式：

（1）

式中，U为光伏电池阵列电压，I为对应的输出电流，，，

，，

，；Sref为太阳辐射参考值，取1 kW/m2；Tref为温度参考值，取25℃；Isc为短路电流，Uoc为开路电压，Im、Um分别为最大功率点电流和电压，为电流随温度变化系数，为电压随温度变化系数，以上参数都在Sref、Tref条件下获取；Rs为光伏模块串联电阻；S为总太阳辐射，Tc为太阳电池温度，Ta为环境温度，tc为电池模块温度系数。

当负载电阻和内阻相等时会产生最大的输出功率。由于光伏阵列产生的功率会随太阳辐照度和温度变化而变化，因此参数的变化也会引起光伏电池的输出特性变化，可根据输出特性实时调整负载，使其与光伏阵列内阻相匹配，实现最大功率点跟踪。

2 仿真实验与分析

2.1 光伏电池功率曲线特性

实验采用的太阳能电池板在光辐射度为1 000 W/m2，温度为25℃的标准测试条件下的基本参数为：Im=5.5 A、Um=36.3 V、Uoc=43.5 V、Isc=5.85 A。基于Matlab/SimuLink工具箱构建的光伏电池仿真模型如图1所示。

由图2（a）可知，最大功率点处电压受光辐射度影响较小，电流值随着光辐射度的增加而增大；由图2（b）可知，最大功率点处电压随着温度的升高而降低，电流值受温度影响较小。

2.2 MPPT功率级和控制器

MPPT算法的主要组成部分包括系统的功率级和控制器，功率级为DC-DC变换器的主电路[9， 10]，通过调整IGBT的导通时间和辅助电路完成升降压功能；控制器主要用于产生控制IGBT通断的PWM控制信号，与功率级共同作用，调整负载与光伏阵列内部阻值动态匹配，实现最大功率点跟踪。MPPT控制算法实现过程如图3所示。

图3中，改进的PSA算法和恒定电压法均包含于控制器部分[11]，改进的PSA算法根据外界环境变化实时计算出最大功率点处电压Umax作为恒定电压法的参考电压，从而改善了经典恒压法使用固定电压值导致其忽略外部环境不足的问题，可大大提高最大功率点跟踪的精确性。

2.3 改进的PSA算法

为实现当外界环境变化时，光伏发电系统能够对最大功率点进行精确跟踪，避免传统跟踪方法的缺点，提高光伏发电系统的输出效率，本文提出了基于改进的PSA算法的最大功率点跟踪方法。其流程图如图4所示。其中，搜索分段数=10，电压间隔=Uoc/，初始步长=/4，初始电压值U（1）=[， 3， …， Uoc-]T，初始点xi=Ui（1），方向因子=[1，-1]，速度因子c1=2，终止条件=10-3，c2=2，k=1，全局比较因子=/100。

2.4 优化控制输出

将改进的模式搜索算法实时计算得出的最大功率点处的电压替换恒压控制法实现最大功率点跟踪时的固定电压值，并构建其整体的仿真模型。其具体架构如图5所示。

图5 基于改进PSA的MPPT仿真模型

按照实际原型参数进行设定，为验证跟踪的效果，当系统从温度25℃、光辐射度从1 000 W/m2变化为800 W/m2时，其仿真结果如图6所示。

根据图6可知，该系统在光辐射度变化的条件下能够快速做出调节，使其工作在最大功率点附近，且稳定性较好，改善了传统恒压方法无法对系统进行及时调整，使其工作至最大功率点的现象。

3 结 语

为了实现光伏发电系统最大功率点的准确跟踪，本文结合经典的恒压控制法提出了基于改进PSA算法的光伏最大功率点跟踪方法，对光伏系统最大功率点跟踪中功率级输入端特性曲线和MPPT控制算法进行了深入分析，通过比较可知：

（1）最大功率点处电压、电流值可随光辐射度和温度的变化而变化；

（2）可以通过外界环境变化实时计算出参考电压，改善经典恒压法，进而提高最大功率点跟踪的精确性；

（3）该系统在光辐射度变化的条件下能够快速调节，始终工作在最大功率点附近，稳定性较好。

参考文献

[1]赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：北京科学出版社，2005.

[2]熊远生，俞立，徐建明.固定电压法结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中应用[J].电力自动化设备，2009，29（6）：85-88.

[3]Al-Sumait JS， Al-Othman AK， Sykulski JK. Application of pattern search method to power system valve-point economic load dispatch[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems， 2007， 29（10）： 720-730.

[4]Salas V， Olias E， Barrado A， et al. Review of the maximum power point tracking algorithms for stand-alone photovoltaic systems[J].Solar energy materials and solar cells， 2006， 90（11）： 1555-1578.

[5]黎静华，韦化.基于模式搜索算法的电力系统机组组合问题[J].电工技术学报，2009，24（6）：121-128.

[6]吴理博，赵争鸣，刘建政.用于太阳能照明系统的智能控制器[J].清华大学学报（自然科学版），2003，43（9）：1195-1198.

[7]Fermia N， Granozio D， Petrone G， et al. Predictive & adaptive MPPT perturb and observe method[J]. Aerospace and Electronic Systems， IEEE Transactions on， 2007， 43（3）： 934-950.

[8]卫东，楼洪，肖昌允.太阳能光伏输出特性最大功率点计算与模型参数求解[J].中国电机工程学报，2013，33（10）：121-127.

[9]Vaz AIF， Vicente LN. A particle swarm pattern search method for bound constrained global optimization[J]. Journal of Global Optimization， 2007， 39（2）： 197-219.

第2篇：光电跟踪技术范文

关键词：星载平台；跟踪精度；跟踪误差；稳定跟踪

中图分类号：TN927 文献标识码：A 文章编号：1004373X(2008)1703403

Analysis for Tracking Accuracy of a Space-borne Electro-optical Tracking System

LIAO Sha,CHAI Jinguang,WANG Xuhui

(Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai,200083,China)

Abstract：In accordance with the particularity of space-borne environment and design demand of tracking system,tracking accuracy of space-borne tracking electro-optical tracking system is analyzed qualitatively and expatiated.On the basis of theoretical analysis of these,in the paper,tracking accuracy of a tracking system project is analyzed quantificationally,and an applicable method of improving system tracking accuracy is given.Finally,experimentation proves that stabilized tracking technology mentioned above meet the requirement of the system tracking accuracy target.

Keywords：space-borne；tracking accuracy；tracking error；stabilized tracking

跟踪精度作为系统重要性能之一能够最直接地反映系统总体跟踪性能。影响星载光电跟踪系统跟踪精度的主要因素有卫星的振动、摄动及旋转、星载系统工作状态、机械结构及参照系误差、轨道预测误差和背景光噪声等。其中，参照系采取星载坐标系，其误差由实际工作情况决定。轨道预测误差由探测识别系统等星载前续系统给出的数据决定。背景光噪声影响主要来自太阳、悬浮粒子、尘埃及能对光产生反射和散射的星体等［1-3］。由于系统的工作状态及自身对跟踪精度都有影响，所以在工程应用中，需要根据实际情况分析影响跟踪精度的主要因素，并有针对性地提出提高系统跟踪精度的方法，满足系统指标的要求。

1 星载光电跟踪系统跟踪精度

1.1 星载光电跟踪系统跟踪误差的主要来源

对星载光电跟踪系统来说，从光电探测器开始敏感外界信号到伺服控制器收到脱靶量信息要有一定的延迟时间，其中包括探测器的积分延迟、信号处理延迟和通讯传输延迟等。在探测系统中，由于图像处理器与主控制器之间，主控制器与伺服控制系统之间均通过总线进行信息传输，这都增加了伺服控制器收到脱靶量的延迟时间。长延迟的存在对跟踪系统的带宽、跟踪精度等造成严重的影响。因此，分析跟踪误差的主要来源，建立星载光电跟踪系统的稳定跟踪技术对于提高系统的跟踪性能有着重要的意义。

第3篇：光电跟踪技术范文

对于整体设计思路，首先要搞清楚需要什么样的要求，要达到哪些功能，再来选择设备。

首先，要求功能教室要达到教学过程可视化，教学过程全程录播数字化。

第二，此教室还应适应高中的一切文化科目的教学要求，任何文化科目都用得上。特别是英语语言教学上双向对话要求，因此，有必要安装模拟语音教学设备和数字语音教学系统。

第三，此教室应有适用现代教学要求的多媒体教学系统。

因此，在要求上要实现三大功能：1）录播功能；2）语言教学功能；3）多媒体教学功能。设施包括多镜头分区多画面切换自动跟踪录播系统、语音教学系统和多媒体电化教学系统三大设施功能组合为一体的现代化数字化教学系统。而在这三大系统中，各个系统在应用上又要求有一定的独立性和组合性，分则各为一体，合则为一系统组合，因此对设备有较高的要求。

全自动录播跟踪系统，是这套系统中最关键的一个单项系统，涉及较多设备和模式。目前市场上的录播跟踪系统基本上有3种控制原理：超声波跟踪切换技术、红外跟踪技术和图像识别分析技术。三者各有利弊。

1）超声波技术是通过超声波控制。其中教师跟踪要求教师配戴无线麦克风，通过语音激励，使摄像机跟踪教师来实现。对于讲台区域的跟踪摄像是多机位分区，就是在教室后面安装多个固定摄像机，在黑板下沿安装超声波感应头，实际上是一种超声波收发器，有效作用距离在0.5～1米之间可调。当教师靠近黑板时，相应位置的超声波感应头检测到人体，立即触发相对应的摄像机拍摄画面，未检测到人体的其他板书摄像机则处于封闭状态；当教师进入另一区域时，相对应的摄像机就会拍摄教师（如图1所示）。这种摄像定位精确，画面清晰不抖动。

2）红外跟踪技术是通过红外线控制的，其基本设备是红外发射源和红外接收装置。通过红外信号的变化，指使系统作出判断，然后发出指令，令摄像机跟踪定位，进行跟踪摄像。

3）图像识别分析跟踪技术。图像识别是人工智能的一个重要领域。识别某个图像，必须在过去的经验中有这个图像的记忆模式。识别图像时，这个图像与记忆相似或匹配，则这个图像被识别。依靠计算机的专门软件对摄像机捕获的人像进行分析处理，将其设定为跟踪对象，使其始终处于拍摄范围内，实现人像的自动跟踪。这是当前技术含量较高的跟踪技术，现在国际上的一些大公司都在努力研究图像识别分析技术。图像识别分析技术是解决自动跟踪的终极方案。

针对几种技术流派，各有其应用的场所主导方向。目前图像识别技术在自动录播跟踪的应用上还有很多技术难关未解决好。超声波技术主要应用于大学课堂教学，红外技术近几年应用于中学课堂有所兴起。中学课堂教学模式与大学有明显的不同：大学课堂以教师讲授为主，师生互动较少，在互动这一块不必过于强化；而中小学课堂师生互动量远远大于大学课堂，学段越低，互动越多。所以为适应高中要求，在开始选型上选择了红外跟踪技术。

红外跟踪技术又有两个流派：一种是点对点被动红外跟踪技术（如图2所示）；一种是主动红外空间网格定位跟踪技术。这两种技术中关键的区别就是目标定位上的差距。

点对点被动红外跟踪技术是在教师身上配戴的无线话筒上安装一个红外发生器，发生器不停地发出红外信号；高速球摄像机上有一个红外接收装置，不停地接收教师红外发生器的信号而控制教师摄像机，随时跟踪教师活动情况。在黑板上、下方各安有红外传感装置，教师板书时切断红外信号，系统将信号传给板书摄像机，拍摄教师板书情况。或者是教师通过手动按扭来控制板书摄像机拍摄板书画面。

学生跟踪是通过在学生座位上安装一个光电感应器，当学生坐好时，借用学生身体遮挡住光电感应器的感光孔，光电信号就不会发出；当学生站起来回答问题时，人离开座椅，感光孔就有光线进入而产生光电信号发射出去，光电信号接收装置就收到信号而判定此光电信号发生点有一位学生站起来回答问题，随后指令学生摄像机对此学生进行跟踪摄像；当学生回答完毕坐下时，光电感应孔被遮挡住而没有信号产生，因此，学生摄像机就不再跟踪此学生，而自动切换到教师。通过两种点对点跟踪来完成对教师和学生的跟踪切换。

这种技术的优点是跟踪定位准确，由于教师身上配戴了无线咪，因此后台摄像时录音效果相当好；由于学生每个椅子上都有光电感应器，只要学生站起来回答问题，学生摄像机就会马上跟踪，所以定位精确度很高。

但也有缺点：

其一，教师跟踪后录制下来的画面，整幅画面都在不停地变动。中学教师上课不是静止不动的，他一动，摄像画面也动，因此作为可视化教学资源时，打开视频录相，视频画面在不停地晃动，人眼浏览视频几分钟后就会感到头晕而不想继续观看。如果教师走动稍快或转身，就会出现跟踪丢失。

其二，学生跟踪是通过光电感应而发生的。学生坐在椅子上时，臀部不一定恰好遮住光电感应器，一旦产生漏光现象，光电感应器就会发出信号，指使学生摄像机跟踪此学生，而此学生此时并未回答问题，是不需要跟踪、不需要特写的，因而可能产生较多的垃圾镜头。

主动红外空间网格定位跟踪原理是借助于红外发生器和红外感应带将整个教室建立一个三维空间网格坐标系，来将教室内每个点进行网格坐标定位。不论教师、学生在任何一点站立，都会改变某一区域网格内红外信号，系统就会收到信号令摄像机自动跟踪（如图3所示）。这种空间网格定位最大的优点就是关键的定位设备是安装在教室四周墙壁上和天花板上的，因此，教师和学生都无需配戴任何设备，完全等同于普通教室的常态化教学，教师、学生都很自然。

当教师在讲台区域时，教师通过改变讲台区域的红外网格内的红外信号而获得教师定位信号，教师摄像机就自动跟踪教师的一举一动。当教师走下讲台进入学生区域时，由于教师的进入而改变了学生区域某网格红外信号，因此摄像机就会跟踪教师。当学生站起来回答问题时，学生身体高度的改变触发了学生所在的某一网格红外探测信号，摄像机就会自动跟踪学生；当学生回答完毕坐下时，系统认为此时红外信号恢复原值，就认为没有学生回答问题，自动调整到教师画面。通过这种原理来实现教师与学生的互动教学过程（如图4所示）。

空间网格技术将整个教室空间三维网格化，无论是教师还是学生，系统都可以准确地感知目标的空间位置，实现跟踪“无盲区”。教师不再限制在讲台上，无需配戴任何设备，学生不再需要按话筒开关或按扭，无论教师走到教室的哪个位置，无论学在哪个位置起立回答问题，只要空间网格中某个红外接收信号有所改变，系统都可以准确地感知。配合合理的策略，可以轻松解决师生互动。此设施最大的优点是教学常态化，不因系统录像而做些其他的任何动作要求。最大的缺点是对讲台区域的教师跟踪时同样会产生视频画面的晃动，且板书跟踪解决得不大完美；跟踪时对教室环境要求较高，受光线、衣服材料、温度等干扰。

而超声波技术却有着其自身的优点，将教室讲台通过分区来实现对讲台区域教师的跟踪。就是在教室的后面安有3～4个固定摄像头，将讲台分为几个区，每一个摄像头覆盖一个区域，当教师进入此区域时，此区域对应的一个摄像头就会摄像，而在此区域内教师的动作幅度无论多大，录制视频的画面都不会晃动，视觉效果很好。当教师由某一区域进入另一区域时，另一区域的摄像头就跟踪教师在此区域的一切动作，而且区域之间的切换很自然，虽有一定的跳跃性，但镜头不晃动。当教师板书时，可对板书内容进行特写放大，符合视频教学要求。

学生定位是通过按扭操作来完成，每两个学生共同使用一个遥控设备或话筒。当学生发言时，学生按一下“开始发言”按键，镜头会自动切换给学生；结束发言时，按“结束发言”，图像会切回到教师。整个系统由于学生区域有很多话筒，声音效果很好。

由于讲台区域分区位跟踪，跟踪时画面不会晃动，因此，超声波技术有红外技术难以企及的优点。

当然，也有其缺点。

一是学生区域话筒过多。如果学生因好奇乱按话筒，或学生打开话筒而忘记关闭话筒，可能会将杂音放大或产生垃圾镜头。学生回答问题时，必须按一下课桌上的话筒按扭，将信号发给系统，此时摄像机才会对回答问题的学生进行特写摄像跟踪，否则可能只有学生的声音而没有学生的图像。这不是常态教学。因此，应用前提是教师很熟练，学生很自觉，习惯很好。正是由于这种原因，更多地适用于大学的课堂教学，特别是讲座型的教学模式。

二是超声波产品长时间使用，对人体健康是否有害，学术界对此也一直争论不休。

综合超声波技术、点对点被动红外技术、主动红外空间网格定位技术和图像识别分析技术的优缺点，根据高中教学的针对性和适用性，提出了自己的目标方案，就是将超声波技术讲台分区的优点应用于红外技术中，提出多机位分区多画面切换全自动红外跟踪录播系统方案。基于这种技术要求，要求讲台区域分为3个区域（分区越多，视频画面越晃；分区越少，镜头覆盖面越大，人像越小）。教师、学生要求教学常态化，不需要配戴或在坐椅上安装任何设备。实现这种方案的技术原理是主动红外+空间网格定位跟踪，目前能较好地解决中学课堂教学中教师、学生图像跟踪问题。当然这种技术也存在设备成本较高，室内装修要求较高，教师板书特写跟踪不大理想等不足，录播跟踪技术还有待进一步完善。

在应用中发现空间网格对教师板书画面的拍摄不大满意。为此，针对高中教学要求，提出一种新的技术解决方案，有待专家研究，有待厂家研发。这就是在主动红外+空间网格基础上，在黑板的上沿、下沿安装红外装置，在黑板区域建立一个红外平面场，当教师板书时触发红外场，使板书摄像机进行板书特写，这样就可实现教师分区跟踪、学生跟踪、板书特写，再加上电脑课件几种信号整合的优良效果。因此，笔者期待的解决方案是主动红外+空间网格+板书红外三合一的红外录播跟踪系统，如图5所示。

参考文献

[1]图像识别原理及技巧[EB/OL].http：///.

第4篇：光电跟踪技术范文

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)17-4250-02

The Range of Photoelectric Theodolite Target Intersection Measurement Analysis

LI Yang

(Chinese People’s Liberation Army 91245 Armed Forces, Changchun 130033, China)

Abstract: This paper based on theodolite and two theodolites intersection measuring principle, points out the intersection calculation, expounds the two photoelectric theodolite intersection measurement results and analysis of the error.

Key words: the principle of photoelectric theodolite;intersection measuring result; error analysis

随着数字视频技术的发展及应用，动态目标跟踪是军事以及民用等很多多领域中有广泛的应用，也成了人们研究的重要课题。雷达系统和光电系统是我国目前靶场常用的测试系统，也通常采用两种系统协同测量模式。光电系统中光电经纬仪是我国靶场中获取外弹道跟踪数据和飞行状态的重要测量工具。为了获取目标在靶场中的3维坐标，实现目标位置的精确定位，通常用到多台经纬仪交汇测量的方式。

1经纬仪的工作原理

在测量工作中，经纬仪是经常被用到的测角仪器。经纬仪由望远镜、水准器、水平度盘、竖直度盘和基座五部分组成。经纬仪由很多种，按读数设备可分为光学经纬仪和游标经纬仪；按精度分为精密经纬仪和普通经纬仪；按轴系构造分为复测经纬仪和方向经纬仪。测量时，经纬仪被安装在三脚架上，用垂球或光学对点器将仪器中心对准地面测站点上，望远镜瞄准测量目标，水准器将一起定平，从水平度盘和竖直读盘上可以读出水平角和竖直角的度数。当跟踪目标高速运动时，是来不及测出它的水平角和竖直角的，这时候就需要用到将摄影机和经纬仪结合起来的一种摄影经纬仪。

2两台经纬仪交汇测量原理及计算公式

2.1两台经纬仪交汇测量原理

如图1中，O1和O2分别为两台经纬仪的原点，假设发射坐标系为(O；x,y,z),M为运动目标在空中的瞬时位置。

图1经纬仪和目标点在发射坐标系下的位置

如图2中，我们把两台经纬仪O1和O2和目标点M在发射坐标系Oxz平面上做投影。其中，O1和O2分别为O1和O2在Oxz平面上做投影；XO1, YO1，ZO1，XO2, YO2，ZO2分别为两台经纬仪原点在发射坐标系中的坐标;x1,y1,z1，x2，y2，z2为目标M在测站坐标系中的坐标；Al，A2，El，E2为两台经纬仪测得目标M在本站坐标系中的方位角和俯仰角。

3光电经纬仪交汇测量结果及误差分析

4结束语

光电经纬仪是在现代靶场测量中广泛应用的一种测量仪器，但是光电经纬仪在跟踪飞行目标的过程中，会因各种原因产生测角误差，影响弹道的测量精度。通过对靶场光电经纬仪目标交汇测量的研究和分析，从而得到确完整的弹道测试数据和外推数据，提高弹道数据获取的精度，是非常有意义的。

参考文献：

[1]张玲霞,马彩文,刘轶,陈明.靶场光电经纬仪多台交会测量的融合处理及其仿真分析[J].光子学报,2002(12).

[2]赵晓萌,刘李楠.一种基于最小均方误差准则的多台光电经纬仪测量融合方法[J].现代电子技术,2010(11).

第5篇：光电跟踪技术范文

关键词： 光敏器件； PWM波； PID闭环控制； MSP430单片机； 光电跟踪

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）16?0143?03

光电跟踪系统是以光电器件（主要是激光器和光电探测器）为基石，将光学技术、电子/微电子技术和精密机械技术等融为一体，形成具有特定跟踪功能的装置。目前国内外较先进 的光电跟踪系统多以激光测距仪、电视跟踪仪和红外跟踪仪三位一体为核心构成。采用机械方法实现跟踪系统控制起来还不太灵敏。对于一个光电追踪系统，一般通过目标识别、位置信号检测、位置信号处理、PID伺服控制计算、驱动控制、位置反馈、目标不间断跟踪，完成特定跟踪任务[1]。而与之配套的目标识别检测处理与PID伺服控制实现是非常重要的部分，是保证整个系统能否正常工作的关键。

为更好地实现精确的跟踪伺服系统，本设计中使用MSP430单片机完成对目标定位跟踪的PID闭环控制， 采用S066A的国产四象限探测对目标进行识别跟踪定位。MSP430 单片机是美国TI（德州仪器）公司近年推出的16 位高性能混合信号处理器。由于它具有处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点，因此在许多领域内都得到了广泛的应用[2]。S066A国产四象限探测器光谱响应范围在400～1 100 nm，它的峰值波长为940 nm，它具有较高的灵敏度和精确度，广泛运用于位置检测，光学定位，距离探测等方面。

本课题研究的意义在于一方面对四象限探测器件以及新式低功耗高集成的微处理器的使用和推广；另一方面探索一种新的机械对准结构设计以及为低成本跟踪系统的研制提供一种可行性方案。

1 总体设计方案

整个系统的设计如图1 所示，主要由机械传动设计和系统电路设计两部分组成。

机械部分中目标实时位置信号发生源采用四象限探测器对目标进行定位，并输出包含目标位置信息的4路电信号，电机传动跟踪定位则是根据四路位置信号来驱动探测器所在的定位面板对目标进行搜索和锁定。机械部分将探测和定位集为一体，目标可见即可识，电机与定位面板的传动以角位移为变量进行快速方便的传动。系统电路设计部分中MSP430F169片内集成了多个功能模块。

本设计利用其作为处理核心，其片内A/D模块实现模拟信号与数字信号的转换。一方面Timer对时钟进行分频从而提高时钟频率，使A/D获得更快的采样率或转换速度，以保证A/D 转换的精度；另一方面Timer的输出端单元可作为PWM信号发生器根据片内编程进行PID高速运算处理所得结果产生PWM输出控制信号，设置简单方便简化了电路的设计，进而降低了系统设计的复杂性。接收前端的位置信号使用低偏置，高精密度放大器对信号进行调整，利用滤波器对位置信号进行优化，以满足更好的精度和定位要求。在控制信号输出端采用现有的电机驱动芯片确保电机的稳定运行。基于总体设计方案，本文将其划分为4个不同但又彼此相互作用的4个方面来实现该研究。具体包括硬件电路设计、机械模拟模型设计、PID算法设计以及软件编程。

2 硬件模块设计

2.1 硬件电路设计原理

依据总体设计方案，硬件电路主要由电源模块、四象限信号放大处理模块、系统控制模块、电机驱动模块以及相关辅助模块构成（见图2）。

四象限探测器可探测波长范围（380～1 100 nm），其原理是将光照强度转换为电流信号。但由于其输出电流信号较小，四象限探测器的预处理模块电路实现将电流信号经放大和运算处理，并将电流转化为单片机A/D能够采集到电压范围0～2.5 V。采样的数字信号经单片机内的数字滤波和算法的运算，进而控制PWM波的占空比来调节电机的速度。

2.2 机械模拟机构实验设计原理

模拟机构设计灵感源于地动仪的设计原理，采用两个不同的轴来调节两个不同但相关的平面实现四象限探测器的大范围搜寻目标的目的，模型图如图4所示。其中下平板主要用于带动上平板实现大范围搜寻目标，上平板及其配置设备实现精确定位和跟踪功能。研究中利用皮筋的弹性以及牵引丝线柔软且形变相对较小的优势，实现搜索平面的任意角度转动。并利用废弃的中心笔管代替齿轮实现轴的小摩擦先转动。使得模型轻小便捷，制作简单方便，并且变废为宝。

3 软件编程

软件编程部分主要包括目标的粗搜寻和目标的精定位及跟踪两个部分。编程中载入自动搜索程序搜寻目标光源，对目标进行三维维的空间片区性搜索，并载入判别搜到目标程序，具体通过A/D采集到的电压范围判别是否搜到目标。目标一旦搜到，即载入坐标运算程序，计算当前四象限面板与目标位置的归一化坐标差值，进而调用PID算法程序，将PID的调节量转化为PWM波的输出持续时间和占空比，通过调用控制电机转动圈数程序对目标进行追踪。通道误差计算程序如图5所示。

4 PID控制算法设计

PID算法主要有位置式算法和增量式算法两类。一般增量式算法适用于控制精度要求不高的系统中，位置式适用于控制精度要求较高的控制系统中[4]。

由于位置式控制算法会出现积分饱和问题[5]。工程中通常采用的消除积分饱和问题的方法有限制PI调节器输出的方法、积分分离法和欲限削弱积分法。由于限制PI调节器输出法有可能在正常操作中不能消除系统的余差，而积分法可以在小偏差时利用积分作用消除偏差。因此本文选用位置式算法的改进形式，即积分分离法[5?8]。

采用的PID控制算法的公式如下式（1）所示：

[un=un-1+KPen-en-1+KIen+ KDen-2en-1+en-2] （1）

PID算法程序流程图如图6所示。研究中控制参数的确定采用先选定控制度，依据不同的控制度预设控制参数通过实验输出波形，调整控制参数取值，从而达到研究期望的控制精度。

5 测试结果及分析

实验中采用波长为650 nm激光作为目标物，实验过程中先调用目标搜寻程序，大范围搜寻目标，一旦探测到目标，四象限探测器即会有较大电流输出。通过磁性判断转入目标精定位及追踪程序。利用PID算法配合调节电机转动，使光斑移至四象限光敏面中心。实验结果如图7所示。

本设计采用性能优越的MSP430F169 作为控制核心。使用MSP430内部的A/D模块以及定时器模块能够实现精准的多路数据采集。电路的设计，利用RC滤波器，减小了噪声对信号的影响，同时利用相位补偿技术消除了自激干扰，使信号稳定输出。软件编程部分采用位置式PID算式，当达到设定的门限值之后再加入积分运算，这样就能够避免积分饱和问题，使跟踪设备平缓地到达指定位置。

6 结 语

本研究设计中采用性能优越的 MSP430F169 作为控制核心。通过四象限光电探测器将光照强度转化成电流信号，经过四象限信号处理电路转化成MSP430F169单片机ADC能够采集到的电压范围，利用PID算法及相关转化控制两路 PWM 波输出控制电机转动，实现目标定位跟踪。通过使用激光器将定位和追踪过程直观显示，便于直接观察。使用MSP430内部A/D模块和时钟模块能够快速实现精准的PID误差信号与PWM波占空比的转换。本研究的意义并不仅在于其具体研究结果及利用价值，是通过实验研究丰富了小组成员的专业知识且使得大家的动手解决问题的能力得到了很好的提升，极大地培养了小组成员的工程意识。

参考文献

[1] 俞金寿，蒋慰孙.过程控制工程[M].北京：电子工业出版社，2007.

[2] 谢兴红，林凡强，吴雄英.MSP430单片机基础与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3] 彭华，郭建强，高晓蓉，等.基于MSP430单片机的USB接口固件编程的研究[J].信息技术，2012（7）：115?120.

[4] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[5] 司栋森，李增智，王晓旭.采用四象限探测器的智能跟踪定位算法[J].西安交通大学学报，2012（4）：13?17.

[6] 李玲琪，李诚，周航.实用PID控制算法的改进及其编程技巧[J].黑龙江电子技术，1998（3）：27?29.

[7] 梅田，郭建强，高晓蓉，等.MSP430控制的恒温晶体振荡器[J]. 信息技术，2011（11）：88?92.

第6篇：光电跟踪技术范文

关键词：AT89S51；光电检测；硬件电路；太阳能跟踪系统

中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0001-03

1 内核设计

51单片机是本系统的核心处理器，在本设计中它的主要作用是：接收从光电检测部分得到的信号，通过对该信号的分析处理后，输出信号控制步进电动机转动，从而带动太阳光接收装置水平竖直双轴转动，最终实现对太阳能的跟踪。

本设计中采用的是AT89S51单片机。AT89S51是一个低功耗高性能单片机，DIP40封装有40个引脚，32个外部双向并行I/O口线，2个外部中断源，2个16位可编程的定时/计数器，2个全双工串行通信口，支持在线编程。

2 光电检测模块的设计

2.1 光电传感器的选择

本设计采用光敏二极管作为前端太阳能电池板上的检测传感装置，因其具有良好的光电特性和较高灵敏度，且具有良好的稳定性和输出持续性。其符号和外形，如图1所示。

光敏二极管的参数：

①Umax：最高工作电压，无光照，其反向电流不超过0.1安培时，两端所加的反向最高电压值。

②Tr：响应时间，将光信号转换为电信号所需的时间。

③IL：光电流，有光照时，其两端加有正常反向工作电压时的电流值。

④Sn：光电灵敏度，光敏二极管对光的敏感程度。

⑤ID：暗电流，无光照射时，光敏二极管两端加有正常工作电压时的反向电流。

主要型号与参数，如图2所示。

根据上表，对价格、响应时间、灵敏度等参数进行综合考量后，确定了本设计中光敏二极管的型号：

①2CU1E作为检测昼夜的光敏元件。原因：响应时间短，光敏区大，易接收光线。

②2CU101D作为检测阴晴的光敏元件。原因：灵敏度高，细微的光线变化也能检测到

③3DU33作为晴天时检测太阳光是否正射的光敏元件，原因光敏区大，感应电流大，响应时间短。

2.2 前端太阳能检测装置的设计

前端太阳能光线检测装置由五个光敏二极管的组成，外部套有顶部开孔的圆柱形罩子，如图3 所示。

要想达到理想的检测效果，则需对罩子上开孔的直径、罩子的高度、内部光敏二极管的排列及间距等有严格的要求。照射的示意图，如图4所示。

为了达到良好的照射效果，圆柱体外罩上孔的直径D应为光敏二极管3DU33（D0）的直径5 mm。并处于其正上方。确保阳光直射时，完全照射到D0上。

同时必须注意的是：D0与D1、D2、D3、D4中任一个光敏二极管之间的距离不可以小于5 mm，各二极管之间的间距略大于光敏二极管的直径便可，确保光线时刻都能照射到任一个光敏二极管，且只能照射到卫衣一个光敏二极管上。因此，本设计中将间距定为6 mm（二极管直径为5 mm）。

我们设定每次检测的间隔时间为15 min，直射D0开始， 15 min后，太阳偏移，光线经外罩中孔斜射入内，照射二极管。当太阳光斜射时，设斜射角度为β，则可计算出圆柱型外罩的高度。在下一次检测到来之前，即15 min内，光线要从正射D0移动到照射D0不足直径的一半，或能照射到D1＼D2＼D3＼D4中的任意一个的直径一半以上。则阳光移动距离的L要大于或等于0.5倍光敏二极管的直径，即>=2.5 mm，同时要小于或等于1.5倍光敏二极管直径，再加二极管之间6mm的间距，即

故可得以下结论：L=Htanβ，（2.5≤L≤13.5）（1）

H=Lcotβ（2）

太阳24个小时旋转360 °，每10 min移动的角度是一个定值。每小时15 °，则太阳15 min约为 4 °，可计算出：36 mm≤H ≤193 mm。本设计中取高度为40 mm。

2.3 光电检测电路设计

光电检测部分的电路主要有：昼夜检测电路、阴晴检测电路、晴天光线检测电路。

2.3.1 昼夜检测电路

昼夜检测电路的作用是通过初检判断当前是白天还是黑夜，若为黑夜，则系统进入中断，无需工作，切换为睡眠模。若为白天，则进一步进行阴晴检测步骤。

工作原理：采用2CU1E型光敏二极管作为光敏元件，用其判断白天黑夜。比较电路采用运算放大电路，该运放的输出端接单片机P3.2上。运放的反相输入端接固定电压+5 V，运放的同相输入端接2CU1E光敏二极管的正极，通过试验确定R51=100 kΩ，R52=1 kΩ，R2=1 kΩ，R53=1 kΩ。昼夜检测电路原理图，如图5所示。

2.3.2 阴晴检测电路

本设计中采用两种太阳能跟踪方法：光电跟踪法和角度跟踪法。由于白天的太阳光线的强弱是不确定的，有阳光灿烂的晴天，也有阴云密布的阴天。有时阴天的太阳光线较弱，无法使光敏二极管导通，从而导致系统的光电检测模块失效，甚至是整个系统的混乱，此时采用角度跟踪法更加合理。所以，在确定为白天之后，需要判断的是否为晴天。电路图，如图6所示。

2.3.3 晴天时的光电检测电路

该电路是本设计中实现太阳能光电跟踪方式的核心电路。将五个3DU33型光敏二极管按照图5安放在前端圆柱形太阳光接收装置的底部。与接收阳光照射的电池表面平行，目的是保持统一的阳光入射角度。

此电路由D0-D4五个3DU33型光敏二极管、R0-R4五个定值电阻 、一个LM324芯片（封装四个运算放大器U1-U3）构成。具体接线如下：5个3DU33型光敏二极管的负极共接电源；它们的正极分别与LM324芯片的输入端相接：LM324芯片的4个同相输入端均连接在D0的正极上，芯片的4个反相输入端分别与剩余四个3DU33型光敏二极管D1-D4的正极相连接。构成了D0与D1、D2、D3、D4组成的四个相同的比较电路。LM324芯片的四个输出端即四个运放的输出端与单片机 AT89S51 P2.0-P2.3并行I/O口线相连接。因此，通过读取P2.0-P2.3端口输入电平的高低即可判断出太阳光线入射的角度。电路图，如图7所示。

3 电机控制电路设计

在前篇所述的光电检测电路中，光信号一步一步被转化为单片机可识别的电信号，从而完成由单片AT89S51为内核的太阳能跟踪系统的实现。本设计采用步进电动机来控制前端太阳能接收装置的角度调整。而电机的转动是通过AT89S51来控制的，通过对两级 NPN三极管导通和截止的控制，进而实现对继电器闭合或断开的控制，从而达到控制电机的转动目的。如图8所示。

该电路的工作原理：当太阳光未正射前端接收装置，通过前端的光电检测电路，将电信号转换为单片机AT89S51可以识别的电信号，假设D1受到光照，此时单片机的P2.0口线会输入一个低电平。此时通过软件控制系统的程序将P1.4口线清零，导致电机控制电路的第一个晶体管Q1截止，第二个晶体管Q2导通，于是继电器闭和，电动机有电流而转动，由此实现了单片机对电动机的控制。

4 时钟电路设计

当光电检测电路检测到当前天气为阴天时，软件控制系统将转变太阳能跟踪方式，采用角度跟踪方式，由于角度跟踪方式是将当地当时的太阳角度参数的计算函数写入，只需确定当前时间就可计算出确切数值。

本设计中采用DALLAS公司生产的DS1302串行实时时钟芯片，与单片机相连，需要的串行时钟SCLK、数据线I/O、复位线RST三根线。数据是以一次1-31个字节进行传送的。如图9所示。

5 结 语

基于AT89S51单片机的太阳能跟踪系统，采用光电检测追踪与角度追踪相结合的太阳能跟踪方式，使用电机带动双轴实现360度无死角旋转，能够实现低成本、高精度、高稳定性的跟踪效果。

参考文献：

[1] 王涛.基于光敏感应及角度计算的太阳追踪系统的设计与实现[D].成 都：电子科技大学，2009.

[2] 王东娇，朱林泉，薛忠晋.太阳能独立光伏发电系统控制系统的研究与 设计[J].山西电子技术，2010，（2）.

[3] 崔惠柳.串行实时时钟芯片DS1302及其应用[J].广西工学院学报，

1998，9（1），60-64.

[4] Datta M，Senjyu T，Yona A，et al.A coordinatedcontrol method for

leveling PV output powerfluctuations of PV-diesel hybrid systems

connected toisolated power utility[J]. 2009.

第7篇：光电跟踪技术范文

关键词： Monte Carlo法； 最坏情况法； 误差分析； 跟踪测量

引言

靶场光测设备是对弹道导弹、飞行器、卫星等武器设备进行精确观测的有效工具，它通过角度测量和交误差分析实施对空间目标精确定位以完成外弹道的观测。测量中的各种误差源直接决定定位精度[1，2]。但误差并不是越小越好还要受到研制成本等多种因素的制约，同时各种误差因素对光测系统而言，其重要性和影响方式有所不同，对各种误差源进行精确分析对靶场光测设备有重要的实际意义。一方面在设计的初期研制过程中可以对设备测量不确定度有影响的各种因素进行严格的过程控制，同时对优化材料选用、设备制造等多种环节进行控制，以更低的研制成本更好地满足用户的使用要求[35]；另一方面通过对光测设备进行合理的布站以提高光测设备测量精度[6，7]。光测设备的精度模型和光测设备的布站是两个相互联系的问题，对光测设备的布站优化必须以精确的误差模型为基础，同时对光测设备的误差分析也需要给出在一定布站方式下对特定目标轨迹的精度分析。

文中以光电经纬仪为例，对光电经纬仪建立了精确的VerilogA模型，并在此基础上使用Monte Carlo法对光电经纬仪的各种误差源的影响进行了详细的统计学分析和研究，并针对弹道导弹不同的布站方式进行数值分布，给出能适应不同靶场地形的通用的布站优化方法。

1光电经纬仪的误差模型

文中提出的误差分析方法具有一定的通用性，使用通用的模拟系统建模语言VerilogA以对光电经纬仪建立数学模型，并在数学模型中对测量精度有影响的各种误差源进行建模。VerilogA提供了层次化的模拟系统模型构架，可以一定的数学表达式在抽象的层次上对系统建模，以方便系统的分析设计和验证。VerilogA支持直流、交流、瞬态、Monte Carlo法等多种分析方法。提供给用户一定的设计参数，用户使用VerilogA模型可以对设备的性能进行仿真分析进一步指导光测设备的应用。对各种光测设备建立通用的VerilogA模型具有非常重要的实际意义。光电经纬仪的VerilogA模型分为基本模型和误差模型，如图1所示。

2.1最坏情况法分析法

在最坏情况下假定所有的误差源都取最大误差，由于在实际情况下所有的误差源不是同时取得最大误差数值，因此最坏情况分析将得到较为悲观的预测数值，但这种分析方法可以快速估计各单项误差对系统误差影响程度和影响方式，同时给出理论上最大误差。使用此模型仿真了各单项误差都取最大数值的最坏情况，误差主要影响方位角A，而对俯仰角E影响较小。其中编码器误差直接加入到方位角和俯仰角误差中，而传感器误差、照准差、横轴差对系统误差的影响相对较为复杂，可以通过扫描相关误差参数计算出各误差参数对系统性能的影响。

使用该模型仿真了因俯仰角变化而引起的传感器误差、轴系照准差和水平轴误差A分量的变化曲线，如图3所示。从图3中可以看出，随着俯仰角的增加，三种误差源快速增加，文献表明照准差和水平轴误差的δE分别与sec（E）和tan（E）成正比，而水平轴误差与tan（E）与仿真结果相一致。同时可以看出在俯仰角较大时照准差对系统影响约为横轴误差的2倍。其中图3（a）表示了不同误差像素数目对系统误差的影响，传感器误差将随着误差像素数目的提高而增加，误差像素主要来自量化误差、细分误差和拖尾误差。

2.2Monte Carlo法分析法

在实际情况下各个单项是以一定概率分布的形式出现的，误差合成不是简单的线性叠加关系，传统的方法是基于统计学的t分布和χ2分布不确定度分析法，这种方法在处理测量误差传递时是基于线性化近似模型，同时假设各种误差源间是相互独立的。由于光测设备本身是一个复杂的非线性系统，同时误差源间也不是完全独立的，因此决定了这种方法具有一定的局限性。Monte Carlo法是一种通用的误差分析工具，它将设备的各项误差源表达为一定概率分布函数的形式，以相同概率分布产生随机数进行仿真计算，从而得到各种误差对系统的影响。系统的输出呈现出一定统计分布，通过使用MatLab统计学工具箱拟合的方法，可以得到系统输出的准确的统计分布函数，并以一定的数字特征如期望和方差的形式来表达。Monte Carlo算法的准确度主要取决于采样点的数目，可以通过合理的选用采样点的数目以达到所需的计算精度。

4结论

对光电经纬仪建立了包含各种误差源的准确的数学模型，使用此模型进行最坏情况分析和Monte Carlo法分析，分析了各种误差源影响系统性能的程度和方式。进一步使用此模型对双站异侧布站情形进行了优化，分析表明针对沿x方向发射的弹道轨迹，飞行段x方向中部位置布站可以获得最小测量误差；布站z方向存在最优位置z*，此处y方向交汇测量误差最小，当布站z向距离zz*时，x方向和z方向误差随z增加快速增加。提出的基于Monte Carlo法的布站优化可以进一步推广到特定靶场地形的情况，对经纬仪总体设计及布站方式的选择具有一定的理论指导意义。

参考文献：

[1]赵学颜，李迎春.靶场光学测量[D].北京：装备指挥技术学院，2001：35-38.

[2]王家骐.光学仪器总体设计[D].长春：长春光机所研究生部，2003：27-32.

[3]杜俊峰.光电经纬仪测量精度指标的确定[J].应用光学，2006，5（6）：506-509.

[4]张宁，沈湘衡.应用跟踪误差等效模型评价光电经纬仪跟踪性能[J].光学精密工程，2003，18（3）：677-684.

[5]李慧，沈湘衡.光电经纬仪数字化模型的建立方法及其应用[J].光电子技术，2007，27（2）：97-100.

第8篇：光电跟踪技术范文

关键词： 光电传感器； 光电开关； 匹配； 良品率

中图分类号： TN214?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）24?0144?03

Matching of emitter and detector in optoelectric sensor

WENG Jian?hua

（School of Energy & Mechanical Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China）

Abstract： The output current of optoelectric sensor is one of the key parameters for the optoelectric sensor. Its output current is related not only to the radiant intensity of emitter， collector current of detector， distance or angle between emitter and detector， and width of apertures in front of these discretes， but also to the manufacturing process control of discretes and sensor housing， sensor assembling， discrete testing， etc. Based on analysis of design and manufacturing factors which affect the output current of the sensor， the measures to improve the yield of optoelectric sensors are proposed， including selection of proper discretes with proper radiant intensity or collector current， enhancement of manufacturing process control， and matching of discretes in different stages.

Keywords： optoelectric sensor； optoelectric switch； matching； yield

光电传感器广泛应用于生产过程自动化、办公自动化设备、医疗器械、光控玩具等行业，且不断在一些新的研究领域中得以应用，如智能车自动寻迹系统、临床医学检测、焊缝自动跟踪系统、军事装备、能源利用系统等[1?5]。常用的光电传感器有槽型光电传感器（Transmissive Optical Sensor）、反射型光电传感器（Reflective Optical Sensor）等[6]。槽型和反射型光电传感器均由发光器件即发射器（Emitter）和光接收器件即接收器（Detector）组装而成。槽型光电传感器将发射器与接收器隔开一定距离安装在外壳中，发射器发射的红外或可见光通过外壳的槽缝到达接收器，用以检测发射器与接收器之间是否有物体遮挡。反射型光电传感器则将发射器与接收器按某一角度安装在外壳中，用以检测传感器前是否有反射介质或反射介质的类型[7]。光电传感器的基本特性包括输出电流与接收器两端电压之间的关系曲线、输出电流与发射器输入电流之间的关系曲线、输出电流随温度变化的关系曲线、脉冲响应特性曲线[8]等。尽管从工作原理上槽型和反射型光电传感器都并不复杂，但要设计与制造一款满足要求、性能稳定、可靠性好、成本合理的光电传感器亦并非易事， 更何况有些应用场合对传感器性能参数的要求十分苛刻。本文从设计与制造角度讨论影响光电传感器输出电流的因素，并提出提高传感器生产制造过程良品率的一些相应措施。

1 发射器与接收器的选取

光电传感器的输出电流ICON是光电传感器一个十分关键的参数。对槽型光电传感器而言，在给定条件下， ICON不仅与发射器辐射强度Ee、接收器集电极电流IC有关，还和发射器与接收器的距离以及发射器与接收器前槽缝的宽度有关。图1为侧面发光发射器与侧面受光接收器之间距离改变时，发射器电流10 mA时测量得到的接收器集电极电流IC随距离的变化曲线。距离越大，相同条件下接收器集电极电流IC就越小。而发射器与接收器前槽缝的宽度越大，相同条件下光电传感器的输出电流ICON就越大[9]。在槽型光电传感器设计过程中，发射器辐射强度与接收器集电极电流应结合发射器与接收器之间的距离，以及槽缝宽度进行选取。

图1 接收器集电极电流IC随发射器与接收器之间距离的变化

对反射型光电传感器而言，在给定条件下， ICON不仅与发射器辐射强度Ee、接收器集电极电流IC有关，还与传感器与反射面之间的距离以及发射器与接收器之间的角度有关。在反射型光电传感器设计过程中，发射器辐射强度与接收器集电极电流应结合传感器与反射面之间的距离以及发射器与接收器之间的角度进行选取。

2 工艺与制造过程的影响

一般而言，高的发射器辐射强度Ee与高的接收器集电极电流IC装配组成的光电传感器， 其输出电流ICON也较高； 反之亦然。但由于工艺、测试及制造过程中的变差，例外的情况也不少。图2中的样品6与样品10，尽管两者的发射器辐射强度Ee接近，样品10的接收器集电极电流IC高于样品6的IC，但样品10的输出电流ICON却要低于样品6的ICON； 样品8与样品13的发射器辐射强度Ee与接收器集电极电流IC都相近，但样品8的输出电流ICON却高许多；同样，样品1与样品5的发射器辐射强度Ee与接收器集电极电流IC都相近，但样品5的输出电流ICON却要低很多。造成这种情况的影响因素有许多，主要包括塑料外壳注塑过程中引起的尺寸变差、传感器组装过程中引起的变差、发射器辐射强度在空间分布的变化以及测试过程中造成的误差等。

（1）外壳尺寸变差。槽型和反射型光电传感器绝大多数的外壳采用塑料外壳， 模具加工制造、注塑件的注塑以及冷却过程都会引起同一尺寸在不同塑料外壳之间的变化，这包括槽型光电传感器发射器与接收器前槽缝宽度的变化、外壳上用于安装发射器与接收器部分之间距离的变化， 反射型光电传感器发射器与接收器前孔尺寸的改变、外壳上用于安装发射器与接收器部分之间角度的变化等。这些尺寸的变化将引起传感器输出电流的变化。

图2 某反射型传感器发射器Ee、接收器IC及其输出电流ICON

（2）装配过程中产生的变差。槽型和反射型光电传感器中发射器、接收器与外壳间的装配与固定需要通过一定的工艺来完成，如槽型光电传感器，对一些外壳材料可通过热压的方式将发射器和接收器与外壳固定。在装配过程中，对槽式光电传感器，发射器透镜的光轴并不能保证与接收器透镜光轴在同一条线上，一些产品偏离设计要求小一些，而另一些则偏离大一些；同样，对反射型光电传感器，发射器透镜的光轴与接收器透镜光轴的交点也不可能都如设计所要求正好位于反射物的表面上，有些产品的交点靠前，而另一些则可能靠后一些。这些装配过程中的变差也会引起传感器输出电流的变化。

（3）发射器辐射强度及其空间分布上的变化晶片位置对发射器辐射强度及在空间分布有影响[10]。在设计条件下，晶片位于发射器透镜的中心线上。但在发射器的生产制造过程中，固晶（die?attach）和封胶（encapsulation）这两道工序都可能使晶片偏离中心线，而封胶过程造成的偏离一般会更大。图3为同一晶圆（wafer）不同批次（lot）发射器辐射强度的分布。由图可见，批次1辐射强度在0.07～0.08 mW/10°范围内发射器的比例为34.2%，而批次2 辐射强度在相同范围内的比例为41.8%。由于发射器辐射强度的测试与发射器在光电传感器中的使用条件一般并不相同，辐射强度在空间分布的变化有可能导致在相同条件下，装配测试得到的高辐射强度发射器的光电传感器，其输出电流反而比装配测试得到的低辐射强度发射器的光电传感器低。另外，通常情况下用于填充反射杯和覆盖晶片的硅胶的折射率与封胶用的环氧树脂（epoxy）的折射率十分接近，故硅胶与环氧树脂交界面的形状对发射器的辐射强度分布的影响很小。但若两者有一定差别，则交界面的形状会对发射器的辐射强度分布产生影响，这种情况下控制点胶工序中所用硅胶的量相同或相近十分重要，以便使不同发射器硅胶与环氧树脂交界面的形状保持一致，避免由此引起发射器辐射强度在空间分布的变化。

图3 同一晶圆不同批次发射器辐射强度的分布

（4）测试误差。在发射器与接收器测试过程中，由于机台、测试人员不同，会导致测试结果的变差。图4为3位测试人员在同一机台测试相同的三个接收器样品得到的结果。由图可见， 样品2不同集电极电流测试值之间的最大差值甚至略高于0.5 mA。测试误差与机台的测量精度、测试过程中用于固定元件的夹具的精度等有关。

图4 三个样品不同测试人员的测试结果

3 提高产品良品率的措施

（1）合理确定光电传感器输出电流的范围。根据应用场合的不同， 光电传感器输出电流的范围有宽有窄。对输出电流的范围有较高要求的应用场合，需合理确定范围，过高的要求会导致产品良品率的下降，导致成本增加。

（2）样品应具代表性。在样品制作阶段，应从不同生产批次中抽取发射器和接收器来组装传感器样品，从而在设计阶段对一个批次中可用的发射器和接收器的比例有正确的估计，避免批量生产时良品率偏低。

（3）工艺与制造过程的控制。外壳尺寸的变化、装配中发射器与接收器的固定、晶片位置的变化以及测试误差都会导致传感器输出电流的变化，严格控制外壳注塑工艺过程、传感器的装配过程、发射器与接收器的制造过程，是提高传感器良品率的必要条件。另外，发射器与接收器测试前都应采用标准元件对测试机台进行校准。

（4）分等级匹配。若光电传感器输出电流的范围要求比较窄，可考虑将同一批次的发射器或接收器按辐射强度或集电极电流分成两至三个等级，高辐射强度发射器与低集电极电流接收器相匹配，或低辐射强度发射器与高集电极电流接收器相匹配，以提高同一批次中可用发射器和接收器的比例。在特定情况下，如外壳成本较高，甚至可考虑增加返工工序，替换不合格产品中的发射器或接收器，使其满足对输出电流的要求。

4 结 论

大多数应用场合对光电传感器的输出电流的范围有一定要求，有些场合的要求还很苛刻，如何合理确定发射器的辐射强度与接收器的集电极电流，以及光电传感器的其他一些设计参数，是光电传感器设计与研发中的一个关键。同时，发射器与接收器制造过程中的一些变差、外壳注塑及装配过程中的变差、测试误差等都会影响光电传感器的输出，需要对这些工艺及制造过程进行严格控制。对输出电流要求苛刻的光电传感器，在制造过程中，还可考虑将接收器与发射器按辐射强度与集电极电流进行分等级匹配，以提高产品良品率。

参考文献

[1] 尹懿，洪波，张晨曙，等.光电传感器式焊缝自动跟踪系统[J]. 焊接学报，2006，27（9）：93?98.

[2] 蔡锦达，赵国初，宋韫峥.基于光电传感器的血清与血细胞分层面的检测[J].传感器与微系统，2012，31（2）：143?145.

[3] 吕霞付，罗萍.基于光电传感器的智能车自动寻迹系统设计[J].压电与声光，2011，33（6）：939?942.

[4] 杨海成，林国村.光电传感器在战场侦察车上的应用与发展[J].应用光学，2004，25（6）：43?46.

[5] 杜云峰.基于单片机的太阳自动跟踪系统的研究[J].现代电子技术，2010，33（15）：157?159.

[6] NUNLEY W， BECHTEL J S. Infrared optoelectronics： devices and applications [M]. New York： Marcel Dekker，Inc.，1987：127?163.

[7] 缪家鼎，徐文娟，牟同升.光电技术[M].杭州：浙江大学出版社，1995.

[8] 王庆有.光电技术[M].2版.北京：电子工业出版社，2008.

第9篇：光电跟踪技术范文

Abstract： The design of navigation pod FLIR device is due to the large field of view， scanning lines， high spatial resolution， which causes particularly large frame pixels in the system， amount of data processing per second is very large， which has brought great difficulties in the design of high-speed real-time image processing system. In this paper， acoording to imaging characteristics of navigation pod FLIR device， the real-time imaging technology in the the core part of the image processing system of FLIR device was carried out research.

关键词： 高速图像处理；设计；FPGA；DSP

Key words： high-speed image processing；design；FPGA；DSP

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）01-0197-03

0 引言

在阿富汗战争中，美军作战模式有了最典型的转变，即在对方的防空系统很弱甚至不存在的情况下，美军也采取了将低空攻击转变为中空和防区外实施精确武器攻击的作战模式。而这种转变正是由于机载光电瞄准、导航系统，包括新型合成孔径雷达等一系列数字电子、光电子设备的应用和不断改进的结果。

在现代战争条件下，不但要求机载火控系统具有精度高，作用距离远，而且要有在昼夜和恶劣天气条件下工作的能力。实战表明，机载光电目标搜索捕获、识别和指示系统与其它传感器如毫米波雷达、高精度导航等组合，就能满足战场要求。从20世纪70年代初开始，美、英、法、德等国的军事航空部门就开始重视发展各种机载光电导航瞄准系统，这些光电系统有如：前视红外系统（FLIR）、红外搜索跟踪系统、激光测距仪和激光目标指示系统、激光自动跟踪系统，以及微光电视设备、CCD摄像机、可见光电视设备、光电平面显示装置等。这些机载光电导航和瞄准系统在上世纪的中东战争、海湾战争、科索沃战争等历次局部战争中发挥了重要的作用，至今，这类光电设备已成为确保飞行员实施敌方“火力圈”外安全准确攻击目标的必备装备。

导航吊舱前视红外装置的设计由于视场大，扫描线多，空间分辨率高，造成系统的帧像素数特别大，每秒处理数据量也非常大，这样给高速实时图像处理系统的设计带来了很大困难。

本文主要根据导航吊舱前视红外装置成像的特点，重点开展前视红外装置的核心部分图像处理系统实时成像技术方面的研究。

1 系统设计

1.1 系统总体构建 本系统主要实现对前端波红外探测器输出的模拟图像信号采集、模数转换，实时图像处理，输出单帧像素为768*576 CCIR-656制式的全模拟电视信号进行显示。为达到整个系统高速、实时性的要求，系统采用了DSP与FPGA相结合的设计思想，由FPGA实现SRAM A，B，C缓存存储器映射在DSP的CE空间，实现协处理系统间的无缝接口。FPGA作为图像数据采集单元，采集到的图像数据预处理后传给DSP；DSP部分为系统图像处理系统的核心单元，决定着整个系统的性能；DSP完成处理任务后，将把结果返回给FPGA，FPGA将负责信息的显示，提供人机交互，作为系统的视频显示单元。系统总体流程如图1所示。

由于探测器输出的模拟图像信号通过四路A/D转换器转换为数字图像信号，FPGA将负责该数字信号的采集。FPGA与DSP采用主从工作方式，DSP通过向FPGA写入状态来控制FPGA的工作，执行相应的功能。当采集到的有效的探测器信号，先经过非均匀性校正、亮度/对比度控制、盲元替换。经过处理的图像数据被缓存在一片的SRAM A中，当存满一场时触发一次DSP读中断，通过DSP的EDMA传输方式将数据写入DSP的片内L2的缓存区中。由DSP进行图像显示变换，把14bit的图像数据变换成8bit的图像数据，然后进行实时图像增强等算法处理，来改善图像质量。由于每帧中的两场图像数据相同，系统中只需处理一场的图像数据。当DSP将一场图像数据经过图像处理算法处理结束后，触发一次DSP写中断，通过DSP的EDMA传输方式将数据写入FPGA的片外接的两片SRAM B、C中缓存。由FPGA根据同步信号逻辑进行切换控制，将经过处理后的图像数据，送入视频编码器数模视频转换，最后输出CCIR-656制式兼容的全模拟电视信号。

1.2 系统硬件设计 整个硬件系统上划分为DSP模块和FPGA模块，其中DSP和FPGA为核心器件。DSP模块承担系统管理和控制、图像显示变换、非均匀性校正的定标、盲元检测、数字图像增强处理等算法处理的功能，FPGA模块承担实时像素采集、图像预处理、图像数据输入/输出场缓存、视频编码器控制、异步串行通讯等功能。DSP模块和FPGA模块之间采用主从方式工作，DSP模块为主模块，控制整个系统的任务调度，控制图像数据在DSP模块和FPGA模块之间的传输。系统进行完图像处理后，按照CCIR-656制式全电视信号的时序要求，把图像数据输出给视频编码器，它内部包括视频合成和D/A数模转换器，然后输出模拟全电视信号到电视监视器显示。系统硬件框图入图2所示。

电路部分分为FPGA和DSP两个大模块，各自具有电路和外设器件，两个模块之间采用总线相连。

DSP模块包括数字信号处理器，大容量动态存储器，FLASH存储器，JTAG调试接口，时钟及复位电路和相应的电源电路等。

FPGA模块包括Stratix可编程逻辑器件，输入输出帧缓冲存储器，视频编码器，可编程逻辑器件的配置芯片及其配置接口，异步串行通讯，还有相应的电源及时钟电路。Sratix系列可编程逻辑器件具有丰富的管脚资源，外部电路却很简洁，只需要相应的配置芯片就可以正常工作。可编程逻辑芯片主要用来处理实时视频流，包括输入和输出，相应的图像数据积累满一场后中断DSP来读取；同样的，DSP处理完一场数据后马上产生中断DSP刷新数据。总共存在三个帧缓冲器，一个输入缓冲及两个输出缓冲，分别由三片SRAM承担。视频D/A部分选用视频编码芯片，由FPGA产生全电视信号的同步及消隐信号进行控制。视频编码芯片的控制接口为I2C接口，该接口接至FPGA，由该芯片直接发出配置命令进行配置。FPGA编程产生标准的异步串口通讯控制模块配合电平转换芯片实现异步串口通讯，提高了系统的模块化设计和多设备通讯的能力。

1.2.1 高速外部存储器电路

1.2.1.1 外接FLASH存储器 高速外部存储器有两个外部数据总线，一个宽度64bit的高速外部存储器总线，一个宽度16bit的低速外部存储器总线。

1.2.1.2 外接FPGA 高速外部存储器总线EMIFA与FPGA中实现无缝连接，FPGA连接在CE1～CE3空间。在外部中断4的触发下，高速外部存储器从CE1相应映射地址以高效的EDMA搬运数据的方式读取缓存区 SRAM A的图像数据。在外部中断5的触发下，高速外部存储器从CE3相应映射地址也以高效的EDMA搬运数据的方式将视频数据写入缓存区SRAM B或SRAM C中。高速外部存储器也可从CE2相应映射地址向FPGA的内部RAM写入亮度/对比度等系数。

1.2.1.3 外接SDRAM 高速外部存储器总线EMIFA另外扩展了2片SDRAM作为数据存储器，连接在高速外部存储器上EMIFA的CE0空间，提高了数据缓存速度和效率，2片并行组成64位数据总线。高速外部存储器的SDRAM用来做DSP系统的内存，实现数据的备用缓存，以及图像处理过程中间结果的缓存。

1.2.2 FPGA电路

1.2.2.1 外接配置器件 根据系统的需要，在FPGA的外部扩开展了FPGA配置器件EPC4，为了方便地实现对FPGA芯片的配置和调试，采用专用增强型配置器件EPC4。EPC4器件通过JTAG接口进行其配置，将其管脚PORSEL接地。通过配置器件EPC4，在每次上电启动的时候配置FPGA，又可以通过EPC4的JTAG接口重新编程，在下次上电更新。

1.2.2.2 外接视频编码器 本系统采用的图像显示单元的视频编码器为ADV系列，该编码器可以产生复合视频信号、Y/C（S-Video）或者RGB（SCART）视频信号，输入是8或者16bit YcrCb数字流。支持很多视频标准，包括NTSC-M，PAL-B，D，G，H，I，PAL-M，PAL-N，PAL-Nc。行同步HSYNC和场同步VSYNC可以配置为输入（从模式）或者输出（主模式）。BLANK是输入，可以由外部控制。行和场消隐可以自动产生也可以由外部控制，芯片内部控制同步上升沿和下降沿。模拟亮度Y和色差C信号可以用于连接S-Video设备，复合模拟视频输出信号可以在两路同时输出，这样就能够一路输出基带复合视频信号，另外一路驱动RF调制器。该编码器还输出模拟RGB信号，支持欧洲SCART/PeriTV就口。

1.2.2.3 外接异步存储器 本系统FPGA外接了三片SRAM A，B，C。SRAM A作为前端数据输入缓存，当写满一场数据量大小后，由FPGA产生读中断，DSP采用EDMA方式通过EMIFA口数据线读取SRAM A中的数据。FPGA产生控制信号实现对SRAM A读操作。SRAM B、C作为输出视频数据帧缓存，当DSP算法处理完后，达到一定数据量大小后，由FPGA产生写中断，DSP采用EMDA方式通过EMIFA口数据线乒乓写入SRAMB、C中，FPGA产生控制信号实现对SRAM B、C写操作。

1.2.3 图像场存储器切换 本系统采用三场存储器切换的工作方式来保证图像处理和视频显示的实时性，由于每帧图像中两场数据相同，因此只需处理一场图像数据即可，具体处理方式如图3所示。

2 图像算法简介

2.1 非均匀性校正算法 本系统在结合传统的两点非均匀校正算法的基础上提出一种两点加一点的校正算法。具体算法流程图如图4所示。

2.2 盲元检测算法 对于扫描型红外焦平面系统可以利用替代原理插值原理，相邻行替代算法可以实现对系统盲元的补偿。实现原理如图5所示。

2.3 帧间滤波算法 由于前视红外装置图像中不仅存在散粒噪声，还存在纵条状随机频率噪声。采用帧内中值滤波算法改善了系统图像质量，使系统图像更加清晰。帧间滤波算法的流程如图6所示。

2.4 图像增强处理算法 红外图像的信噪比比较低，图像增强处理包括图像噪声的消除和图像细节的清晰化。直方图均衡算法流程如图7所示。

3 结束语

总结，本系统基于DSP+FPGA架构实现了该红外图像处理系统。系统采用TI公司的高速外部存储器为核心处理芯片，辅以ALTERA公司的FPGA芯片来实现红外探测器数据的前端采集、预处理以及处理结果的最终显示，构成功能完备的一套嵌入式高性能处理系统。系统从探测器数据采集、处理到视频显示的整个过程分别由DSP与FPGA来协同承担，充分考虑了它们各自优缺点，使系统在满足实时性的同时，结构灵活，有较强的通用性，系统功能便于改进和扩展。

参考文献：

[1]Jeon B， Landgrebe D. Decision fusion approaches for multitemporal classification.IEEETrans on Geoscience and Remote Sensing，1999，37（3）：1227～1233.

[2]Ma JG.The basic technologies of the acquisition，tracking and pointing systems.Opto-Electronic Engineering，1989，16（3）：1～41马佳光.捕获跟踪瞄准系统的基本技术问题.光电工程，1989，16（3）：1～41.

[3]陈瞄海.机载光电导航瞄准系统的应用和发展概况[J].电光与控制，2003，（11）.

[4]孙隆和，吴广山.机载光电探测、跟踪、瞄准系统技术分析及发展研究[J].电光与控制，1995，（2）.

[5]张晨光.有源成像系统——ALBEDOS和EIVISS[J].光电技术，2001，（4）：33-35.

[6]万里青，孙隆和，赵荣椿.瞄准吊舱ATR现状及发展[J].国际航空，1995，（11）：58-60.

[7]朱振福，黄继昌.电视跟踪的研制现状和发展趋势[J].中国航天，1993，（7）：28-31.

[8]夏良正.数字图像处理[M].南京：东南大学出版社，1999.

[9]顾凡及，汪云久.侧抑制网络中的数字图像处理[M].北京：科学出版社，1983.

[10]赵荣椿.数字图像处理导论[M].西安：西北工业大学出版社，1995.