一种基于压电陶瓷的目标精跟踪系统

传感器采集光斑的位置，微处理器处理数据，得到光斑的的偏移量，最后通过驱动压电陶瓷晶体改变倾斜镜角度。

引 言

　　激光在大气传输时，由于与大气湍流的相互作用，导致光波振幅和相位的起伏。其抖动频率主要是低频成分，压电陶瓷晶体的响应频率在1000Hz 以上，能满足消除大气湍流带来的光斑抖动的影响。在光学跟踪系统中，传统的用于目标跟踪器件为CCD。由于CCD 采集的数据量很大，对后面的数据处理单元的要求很高，并且处理大量的数据增加了处理的复杂性和处理时间。本跟踪系统采用PSD 位敏传感器采集光斑位置信息，输出只有四路信号，只需要五次加法运算、一次减法运算和一次除法运算，运算量大大减少。并且本系统的微处理器采样dsPIC33F系列单片机，它有40M 的指令周期。其内部加减运算为单指令周期，除法只需要19 个指令周期，大大提高了计算速度。

1.校正系统的组成与原理

　　校正系统总体框图如图1 所示，来自一公里之外的光束，经激光雷达系统接收，通过倾斜镜反射，光束经分光镜分光，一部分进入成像系统，一部分进入PSD 位敏传感器。由位敏传感器采集光斑位置，形成四路电流信号，经电流电压转换放大之后，由单片机进行A/D 转换并计算出光斑的偏移量，并根据光斑的偏移量计算出驱动压电陶瓷所需要的电压。最后将驱动电压值进行D/A 转换，并通过高压驱动器驱动PZT（压电陶瓷晶体）改变倾斜镜的角度，从而使光斑始终在成像系统的中心。

图1 跟踪系统框图

2.总体系统设计

　　2.1位敏传感器系

　　位敏传感器是由Si 光电二极管组成，输出信号为电流信号。电流大小与光斑位置和光强强弱有关。其初级电路必须是电流电压转换电路。四路输出信号与光斑位置的关系为：

　　其中i1,  i2 , i3, i4 为四路输出信号。上式求x, y 时用到除法运算，消除了光强变化对位置的影响，从而获得与光强无关的位置信号。

　　2.2单片机控制系统

　　本系统采用dsPIC33F 系列单片机实现12 位的高速A/D 转换、PID 控制、与D/A 转换器的通信及与计算机的通信。

　　系列单片机的A/D 部分采用逐次比较式A/D 转换，最多有32 路转换通道，可实现自动通道选择模式采样，拥有16个结果缓冲器。在本系统中我们用125K 的采样速率进行四路模拟信号采样，当16 个结果缓冲器都满之后，产生一次中断，并对每路信号取四次的平均值。逐路采样延长了每一路信号的采样时间，并采取四次采样取平均值的方法，一方面可以减小采样误差，另一方面，可以起到滤波的作用。

　　目标精跟踪系统需要实现快速反应，这要求我们的算法必须实现快速收敛。我们采用PID(比例-积分-微分)增量算法，可以实现系统的快速收敛。其中P 项为比例项，当误差大的时候，P 的系数也大，可以实现快速调整；当误差小的时候，P 的系数也小，可以实现小幅度的调整。随着时间的消失，P 项有利于减小系统的总误差。但总有一个静态误差。I 项为积分项，对误差进行积分，可以实现误差的精度调整，使静态误差积累到一定的值乘以I 项的增益因子之后输出，消除静态误差的影响。D 项为微分项，用来实现快速调整，，它对误差信号的变化率进行响应。

　　增量算法推导如下：

　　其增量式为：

　　微分项的系数。由（2）式可以看出，由于PID 输出与历史状态有关，计算工作量很大，需要对偏差信号进行累加。而采用增量式PID 算法，既（2）的算法，输出量为误差的增量，可以减小计算量。

　　转化采用的是SPI 通信方式，D/A转换器选用的时TLV5638,它是双路输出的D/A 转换器，其输出的最高电压是参考电压的2 倍，其饱和电压为电源电压VDD -0.4v ,也是说参考电压不应该大于V DD -0.4v ，另外，D/A 转换必须在片选信号CS 的下降沿。而对运放偏移量、PID 系数的确定等都是通过计算机控制，MAX232串口与计算机的通信，很多资料都有介绍，在这里不再累述。

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　　2.3对高压电路的要求

　　压电陶瓷是利用其在外加电场作用下，具有逆压电效应或电致伸缩效应产生形变。压电陶瓷致动器的驱动电源应具有输出电流大，文波小的特点。我们采用达林顿管构成有源滤波电路，可以实现小文波，大电流的输出。在整流电路中，需要使用高压大电容，需要放电回路，但是使用大电阻放电时间过长；使用小电阻，在工作过长中，电阻上的电流过大，导致电阻发热过大。为此，我们采用两级放电的办法，可以解决以上放电时间长，或电阻功耗过大的问题。两级放电回路原理图如图2 所示。当电容电压很高时，比较器U1 输出低电平，Q1 截止，电容只能通过，大电阻R1,R2 放电，当电容电压低于某个临界值时，U1 输出高电平，电容通过小电阻R3 放电。

图2 两级放电回路

　　如图3 为高压驱动电路及放电回路。输入由D/A 转换输出的信号与反馈信号比较，若输入D/A 转换信号大，U1 输出低电平，截止，电源对压电陶瓷晶体充电。其中T2、构成达林顿管。U2 构成比较放大电路，输出电压与压电陶瓷的电压相比较，若压电陶瓷晶体的电压高，U2 输出高电平，导通，压电陶瓷晶体放电。反之，压电陶瓷晶体充电。

　　2.4压电陶瓷微位移装置

　　压电陶瓷（PZT）在外电场的作用下，内部的正负电荷中心产生相对位移，该位移使压电体产生形变，表现为压电陶瓷有一定的伸缩能力。利用压电陶瓷（PZT）的伸缩能力可以实现对倾斜镜的角度控制。其原理如图4：

图4 倾斜镜系统原理图

　　其中，O 为支点,A,B 为压电陶瓷（PZT）。大圆圈代表倾斜镜.压电陶瓷（PZT）的平衡点为驱动器工作在100V 的工作电压下。这样，当驱动电压升高时，倾斜镜向一个方向运动；当驱动电压降低时，倾斜镜向相反的方向运动。

　　本系统的压电陶瓷（PZT）在200V 电压下可以伸长30μm，即压电陶瓷（PZT）的前后变化范围为15 μm 。OA、OB 的长为5 cm 。计算可知，倾斜镜前后变化范围为0.3 mrad 。又由于望远镜的放大倍数为10倍，

　　所以，本系统可以调节抖动在3 mrad 以内的光斑。完全能满足我们的要求。

3.试验结果与结论

　　试验结果表明，本系统可以实现40Hz以内大气扰动的校正，并且有很好的校正效果。下面我们给出具体的分析结果：采集数据是在下午3 点到4 点，当时的大气相干长度为5.5-7 之间。图5 光斑抖动情况。图中带圆圈线反映的是光斑抖动情况，从图中我们可以看出光斑抖动的范围比较大，并且包含高频成分和低频成分。不带圆圈线反映的是跟踪之后的光斑抖动图像。从图可以看出光斑的抖动范围非常的小，并且以高频成分为主，也含有一定的低频成分。这是因为：一方面由于大气湍流引起一公里光斑抖动是微弧度量的，光斑抖动非常的小，超出PSD的分辨率，另一方面由于机械抖动引起的光斑抖动。

图5 光斑抖动

　　下一步的工作：改进系统的机械性能、提高系统的分辨率并进一步提高系统的带宽。