（测试计量技术及仪器专业论文）地球敏感器扫描镜摆角光电检测技术研究.pdf

摘要 扫描镜摆幅和频率是摆动扫描式红外地球敏感器地面性能测试的重要技术指标， 本文针对摆动扫描式地球敏感器扫描轴系的动静态性能的测试技术进行了深入研究。 论文对扫描镜摆角光电检测系统的组成、总体结构、工作原理和仪器主要技术指 标、用途与功能进行叙述。详细讨论和分析了半导体激光光束变换系统、扫描接收光 学系统、滤光光学系统、半导体激光器驱动电源、c c d 驱动与信号处理光学系统和计 算机实时控制、数据采集与处理系统的设计方法。着重从理论上阐述了扫描接收光学 系统与扫描镜摆角动态测量原理，高速线阵c c d 驱动与数据采集的实现途径，扫描镜 输出摆角一时间坐标曲线、电机输入电流一坐标曲线及测量误差补偿与修正计算机控 制与数据处理软件等。为系统总体性能参数的实现奠定了理论与工程应用基础。 通过试验对扫描镜摆角测试系统的测量精度进行了验证，对测量结果的主要误差 进行了分析。结果表明摆角测量范围为一1 0 。+ l o 。，分辨率为0 0 l 。，精度达 o 0 5 。 关键词：地球敏感器；扫描镜；摆角检测；c c d ；非接触测量 a b s t r a c t t i l ta m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo fs c a n n i n gm i r r o ri so n eo ft h ei m p o r t a n tq u a l i f i c a t i o n so f p e r f o r m a n c et e s t i n go ne a r t hs u r f a c ef o rt h es w i n gs c a n n i n gm o d ei n f r a r e de a r t hs e n s i n g d e v i c e t i l i sp a p e rr e s e a r c ho nt h es t a t i ca n dd y n a m i ct e s t i n go fs c a n n i n gm i r r o r t h et h e s i st e l l i n gt h ec o m p o s i t i o n ，e n s e m b l ea r c h i t e c t u r e ，o p e r a t i o np r i n c i p l e ，i n s t r u m e n t m a i nt e c h n i c a li n d i c a t o r , u s ea n df u n c t i o no ft h ed e t e c t i o ns y s t e mo fp h o t o e l e c t r i c i t y h a d d i s c u s s e da n da n a l y z e di nd e t a i lt h a tt h el a s e rl i g h tb e a mo ft h es e m i c o n d u c t o rv a r i e st h e s y s t e m 。s c a na n dr e c e i v et h eo p t i c a ls y s t e m ，f i l t e rt h eo p t i c a ls y s t e m ，s e m i c o n d u c t o rl a s e r i n s t r u m e n tu r g ep o w e r , c c du r g ea n dd e a l 、析t l ls i g n a lo p t i c a ls y s t e ma n dc o m p u t e r r e a l t i m ec o n t r o l ，d a t u mg a t h e rt h ed e s i g nm e t h o d 谢t l lt h ep r o c e s ss y s t e m e x p l a i na n ds c a n o p t i c a ls y s t e mo fr e c e i v i n gw i t hs c a nm i r r o rw a v ec o m e rt r e n d sm e a s u r et h ep r i n c i p l e t h e o r e t i c a l l ye m p h a t i c a l l y a tah i g hs p e e dl i n eb u r s t so fc c du r g ea n dw i t hr e a l i z a t i o nw a y t h a td a t ag a t h e r , s c a nm i r r o ro u t p u t t e da n dw a v ec o m e r - 砀ec o o r d i n a t ec u r v eo ft i m e e l e c t r i c a lm a c h i n e r yi n p u tt h ee l e c t r i cc u r r e n t - c o o r d i n a t ec u r v em e a s u r ee r r o rc o m p e n s a t e a n dr e v i s ec o m p u t e rn o tt oc o n t r o lw i t hd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e ，e t c h a v ee s t a b l i s h e dt h e t h e o r ya n dp r o j e c ta p p l i c a t i o nf o u n d a t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no ft h eo v e r a l lp e r f o r m a n c e p a r a m e t e ro fs y s t e m t h ea c c u r a c yo ft e s t i n g s y s t e mi s v e r i f i e d b ye x p e r i m e n t ，r e s u l t s i n d i c a t e t h a t m e a s u r e m e n tr a n g eo fs y s t e mf o r t i ra i l 对ei s 一10 。+ 10 。，d i s t i n g u i s ha b i l i t yo fs y s t e m i s 0 010a c c u r a c yo fd y n a m i ca n ds t a t i ct e s t i n gi sl e s st h a n 士o 0 4 0 , t h i sm e t h o do fd y n a m i c t e s t i n gt i l ta n g l ei sf e a s i b l e k e y w o r d s ： in f r a r e de a r t hs e n sin gd e vic o p u t o o r n e rd e c e t io ns c a n - mirr o r c c dn o n c o n t a c tm e a s u r e m e a t 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，地球敏感器扫描镜摆角光电检测 技术研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 掣年乒日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 灭义 占一 厂一 年 年 学埠 力千扯一 耳堕 箍毕 1 1 引言 第一章绪论 地球敏感器是人造卫星上的一种姿态测量关键部件i l 】，用于测量卫星本体与地球间 的姿态偏差。它是借助于光学手段获取卫星相对与地球的姿态信息，在这种形式的地 球敏感器中，通过一面扫描镜来实现红外探头对地球的扫视，再通过光电转换和电路 处理得到卫星的姿态偏差信息。地面或卫星上的控制系统据此来对卫星进行控制。为 了实现测量过程中对地球的扫描，在地球敏感器内部有一套摆动扫描机构，其主要由 扫描轴、扫描镜、动光栅、电机转子等组成，由力矩电机对其进行驱动，电机转子带 动整个轴系在一定角度范围内作往返的摆动。扫描镜是摆动扫描式地球敏感器的摆动 关键部件，它的性能直接影响到整星的精度和可靠性，其摆角测试一直是急待解决的 技术难题，为此本文阐述了一种用于扫描镜摆角实时动态、激光非接触自动测试方法， 实现了地球敏感器扫描镜摆角的动态非接触测量。 1 2 课题来源、研究目的及意义 1 2 1 课题来源 本论文研究对象是中国航天科技集团公司主管和下达的国家高新工程项目之一， 是用于卫星部件一摆动扫描式地球敏感器地面试验和性能测试的一项重要设备。 1 2 。2 设备的用途 本设备主要用于测试红外地球敏感器的扫描轴系的动态和静态性能。 对扫描轴系要检测的项目如下： ( 1 ) 摆动扫描轴系的谐振频率； ( 2 ) 扫描镜基准位置的标定和偏差检测； ( 3 ) 扫描镜摆动极限位置的检测； ( 4 ) 正常工作时输入、输出信号的动态测试和记录； ( 5 ) 非正常工作时输入、输出信号的动态测试和记录； ( 6 ) 带有闭路反馈时，摆动系统输出转角的动态实时检测； ( 7 ) 扫描轴系摆幅稳定检测。 1 2 3 研究内容 研制用于红外地球敏感器扫描轴系的动态和静态性能的测试系统一摆动扫描式红 外地球敏感器扫描镜摆角测试系统。 主要研究内容如下： ( 1 ) 光学探头，包括： 半导体激光电源，包括半导体激光器的驱动与控制； 激光发射光学系统半导体激光光束特性变换光学系统，主要包括高斯光束 准直、光阑和整形光学系统( 柱面光学系统) ； 扫描接收光学系统一大视场准直平行光管； c c d 测量装置，包括光电成像器件c c d 和滤光光学系统、c c d 驱动与信号采 集系统。 ( 2 ) 摆动式力矩电机驱动电源，包括标准正弦信号发生系统、信号频率与电流调 整系统和信号放大、测量与显示系统。 ( 3 ) 计算机实时控制、数据采集与处理显示系统，包括计算机硬件平台、实时控 制与数据处理软件系统、显示器、键盘与打印机等。 1 2 4 研究目的及意义 在三轴稳定式卫星中为了确定卫星对地球的姿态偏差，采用了“摆动扫描式红外 地球敏感器 。在这种形式的地球敏感器中，通过一面扫描镜来实现红外探头对地球的 扫视，再通过光电转换和线路处理得到卫星的姿态偏差信息。地面或卫星上的控制系 统据此来对卫星进行控制。摆动系统是地球敏感器中的关键部分，它的性能直接影响 到整星的精度和可靠性。研制本设备对卫星上关键部件的质量考核、性能测试和生产 具有重要意义。 1 3 角度动态测试技术发展现状 对摆动扫描式地球敏感器扫描镜摆角测试实际上是扫描镜摆角的动态非接触测 试，即角度的动态测试。 角度测量作为最基本的物理量之一，其方法很多，应用的领域也相当广泛【2 】，根据 不同的测量精度、测量范围及自动化程度等的要求，发展了丰富的测角方法【3 5 】，如机 械测量、电子测量、光学测量以及光电测量等等【i 卜1 4 】。 测角技术最早有机械式和电磁式测角技术【9 ，1 5 l 。机械式测角技术主要以多齿分度盘 为代表，多齿分度盘的雏形出现在本世纪3 0 年代，作为一个完整的圆分度器件，是由 美国g a g e 公司研制并于1 9 6 0 获得专利，当时其分度达0 2 5 。由于多齿分度盘的 齿数不能无限增加，因此细分受到限制。电磁分度测角技术主要有圆磁栅测角和感应 同步器测角两种【l6 ， j 。圆磁栅测角法是将圆磁栅和被测件一起旋转，利用放磁头将磁 棚上的记录信号拾取出来进行处理。日本电子通讯大学研制的多面棱体自动检定系统 【l8 j 在9 5 的置信区间内，系统检定误差 8 5 3 2 半导体激光器驱动与控制 ( 1 i 曲 本文光源采用半导体激光器，其波长为6 5 0 n m ，功率为5m w ，工作电压为3 - - 6 v ， 最大工作电流为3 0m a 。 为使激光器输出能量稳定可调，采用稳功率输出技术，研制了小型稳功率激光电 源。利用反馈控制环节对半导体激光器进行驱动与控制，通过调节使发光强度可调， 以便满足扫描接收光学系统与c c d 器件能量匹配。 3 3c c d 驱动与信号处理系统 3 3 1c c d 器件特性 本文的测试系统是一种动态测量仪器，要高速多点采样测量，为满足快速响应、 高灵敏度、高精度要求，采用较新型的线阵t c d l 5 0 1 dc c d 作为高速位置测量传感 器件。 主要指标：像元数：5 0 0 0 位 光敏元r , - ：7 w n x7 1 t m 像元间距p ：，p m 1 4 最大时钟频率，：6 m h z 1 3 叼 灵敏度： l x s 动态范围：3 0 0 0 此种c c d 像元数多，间距小，工作频率高，可以较好地满足本系统需要。 5 3 2c c d 驱动及视频信号输出系统 c c d 器件需要一个晶振提供脉冲源，经分频及有关处理，驱动所需的各种脉冲信 号如：转移脉冲巾曲、驱动时钟脉冲巾t e 、巾z 冒、巾加、巾、巾- 占、4 , 2 曰，复位脉冲巾r 、 钳位脉冲中印、采样保持脉冲巾甲等。同时，还要给出外部同步控制、c c d 视频信号采 样、信号处理等有关控制信号。c c d 驱动与视频输出系统硬件框图如图3 5 所示。 图3 5c c d 驱动与视频输出硬件框图 晶振的高频信号经分频，产生不同频率与波型的脉冲，用来驱动c c d 进行工作。 控制系统通过同步信号，对c c d 的各种脉冲时序进行逻辑控制，并对c c d 输出进行 同步采样控制。控制系统是通过转移脉冲信号中曲，进行同步控制的。因为一个巾曲周 期，正好是一个光积分周期，而在这一个光积分周期内，正好完成一次测量并将其转 换成视频信号，送往控制系统。将中曲信号周期用光积分时间1 缸表示。考虑本系统工 作要求，取y i n t 2 l m s 。这就是说1 1 m s c c d 就要完成一次测量。c c d 的有效位为5 0 0 0 位，在有效位前后设有5 0 0 位的虚设位，共5 5 0 0 位。因此，c c d 驱动频率为5 m h z ， 即巾尺= 5 脚如，t r = 0 2 1 a s 。 3 3 3c c d 数据采集系统 为实现测量扫描镜摆动角度的数值，根据测量精度的要求采用5 0 0 0 位的线阵c c d 位置传感器，并设计了相应的c c d 驱动硬件电路。主要为完成某一时刻扫描镜反射光 束位置的测量。其原理框图如图3 6 所示： 图3 6c c d 数据采集原理图 当c c d 接收到携带有空间角度的光信息后，通过光电转换而获得的视频信号经电 子学系统分离，形成两种信息，一种含有位置特征信息，通过特征识别，可形成空间 角度的电信号；另一种含有能量特征信息，通过转换和处理，而形成一个脉冲信号输 出，这个脉冲信号与位置信息配合，达到测量摆角的目的。同时这种光强反馈信号也 可反馈到激光器驱动电源上，用来控制输出激光的能量。为实现多路c c d 同步采集及 扩展使用范围的需要，本c c d 数据采集单元集成了四个通道，可进行四路c c d 信号 的采集，其构成框图如图3 7 所示。 本文采集单元直接插入计算机i s a 总线扩展糟内，为保证系统工作的稳定性，本 文采用了兼容性好，扩展能力强的工业控制计算机作为主控制计算机。 由前面所述，数据采集系统是采用i s a 总线直接与计算机相联，它占用了计算机 的中断地址。其中断i o 寄存器分配如表3 3 所示： 表3 3c c d 控制与数据采集寄存器表 i o 地址洲 寄存器 功能 有效位 i o b a s e + 0 w r i t e m e m a d r 存储器地址寄存器 d 1 3 一d o i o b a s e + 0 r e a dc h i 2 d a t a通道i 和通道2 的数据寄存器 d 1 5 一d 0 i o b a s e + 2 t e p r d _ r e g c c d 光积分周期寄存器d 1 5 一d o i o b a s e + 2 r e a d c h 3 4 _ d a t a通道3 和通道4 的数据寄存器 d 1 5 一d o i o ，b a s e + 4 w r i t ec n t r 读数请求命令寄存器 d o i o b a s e + 4 r e a ds 砌y s f p g a 和c c d 型号，状态寄存器 d 1 5 一d 8 d o i o _ b a s e + 6 w i i t ef p g a禁止操作 1 0 二b a s e + 6 r e a df p g a禁止操作 说明l ：所有寄存器均为无符号1 6 b i t ( u n s i g n e ds h o t ) 操作，不要采用8 b i t 操作。 说明2 ：对c h l 2 _ d a t a 读操作后，存储器地址寄存器m e ma d r 会自动加一，指向下一个数据的存储位置。所以， 当连续读象素数据时，对m e ma d r 的写入操作只需一次即可。 1 6 存储器数据选择器 图3 7 采集板原理框图 1 7 i s a 总线 i o 寄存器详细内容( x 为不用的b i t ) 如图3 8 所示。 c h 3 4 _ d a t a g e n _ a d r p r d 跹蛞 c n t r s t a t u s d 1 5d 8d 7 d 1 5 v 1 5d 1 4d 1 3 d 1 5 v 0 d o d o d 1 5 d 1 5d 1 2i ) l ld 8d 7 d ld o c 如1 为读数请求命令 d ld 0 f p g a r c c dt y p e r a d y l 为读数r e d l f 图3 8i 0 寄存器状态字 注l 、对于本测量系统只用到了通道l 注2 、由于本采集单元占用中断源，每次使用时需硬件逻辑驱动。 本文把驱动程序已封装到一个可执行文件( p r e s e t 0 8 ) 中，每次使用时执行一次。 由以上内容均在程序初始化时进行声明。其中m e ma d r ( 有效象素对应的存贮 器地址范围) 为9 2 - - - , 5 0 9 1 。其数据采集软件工作流程图如图3 9 所示： 甲 r 开始 、 f “ 设定积分时间 - t y e s 读数请求命令 卜_ l 设置存贮器首地址 。 上 设置计数器 读通道1 数据 h。 上 计数器加l 土 y e s v 数据处理 l ， 结束否? 图3 6c c d 数据采集软件流程图 1 9 4 1 编程工具简介 第四章测量软件设计 编制程序使用的工具是在流行的w i n d o w s 程序开发工具中功能最强大，使用最方 便同时也是最难上手的v i s u a lc + + 。v i s u a lc + + 是一种程序设计语言同时也是一个 w i n d o w s 应用程序集成开发工具。它已经不仅仅是一个编译器了，它包括了综合的微 软基本类库，这使得开发w i n d o w s 应用程序变得简单有效。 w i n d o w s 应用程序设计具有以下的特点：a 面向对象，b 窗口为核心的用户界面， c 以事件驱动为动力的程序运行机制，d 程序代码与用户界面分别处理。 所谓的事件驱动是指采用事件驱动的程序不给程序预先规定一个执行顺序，程序 一旦启动，就处于等待状态，等待某种事件的发生；只要有用户输入事件发生，它就 立刻接受事件并做出响应，处理完毕又立刻返回等待下一个事件的发生。这种循环等 待方式，具有面向对象性和被动性，可以给用户较大的干预空间，让用户以各种合理 的和可能的顺序来安排程序的流程，特别适合交互性强的程序。 w i n d o w s 应用程序的基本结构具有固定性：入口点函数w i n m a i n 和窗口函数构成 了w i n d o w s 应用程序的基本框架。 w i n m a i n 函数是w i n d o w s 应用程序的入口点。当w i n d o w s 运行程序时，首先调用 该程序的w i n m a i n 函数。因此，每个w i n d o w s 应用程序必须有一个w i n m a i n 函数。 但是w i n d o w s 是一个多任务操作系统，每一个w i n d o w s 应用程序都有可能并行的执行， 形成该应用程序的多个实例，并用一个实例句柄唯一地标识。w i n m a i n 函数用于完成 一些特别的功能，其中最主要的是创建该应用程序的主窗口，为此，多数程序需要执 行如下4 个部分操作：a 注册窗口类。b 创建窗口( 就是以窗口类为模板，生成一个具 体的窗口对象。具体是：指定窗口名、窗口标题、窗口坐标、大小、父窗口句柄、当 前应用程序实例句柄等) 。c 显示窗口。d 建立消息循环：从应用程序队列检索消息【3 6 】。 4 2 计算机控制系统硬件 本文设计的扫描镜摆幅测试系统是光机电算高度结合的智能化的检测仪器。直观、 简捷、易操作的计算机控制界面是本测试系统的较大特点之一。从设备的稳定性、兼 容性和减少干扰出发，采用高挡工业控制计算机作为计算机控制系统主机。其硬件部 分主机主要由主板( 配多个i s a 总线与p c i 总线扩展接口) 、高性能显示卡、c c d 数 据采集电子学单元、电流测量数据采集电子学单元、奔腾5 6 6 m h z c p u 、2 0 g 硬盘、6 4 m 内存和5 6 速光盘驱动器和软盘驱动器等组成。并配有1 5 寸彩显、激光打印机等显示 输出设备。计算机控制系统框图如图4 1 所示： 电流信号 4 2 程序的总体结构 图4 1 计算机控制系统框图 这个w i n d o w s 程序基于s d i ( s i m p l ed o c u m e n ti n t e r f a c e ) 模板，功能有五个，分 别是：p c i 数据采集、数据处理、曲线输出、检测设备控制、存盘及打印。p c i 数据采 集是负责和线阵c c d 通信，将c c d 得到的角度信息收集进入计算机，其中数据包含 两种信息，一种含有位置特征信息，通过特征识别，可形成空间角度的电信号；另一 种含有能量特征信息，反应线阵c c d 上各个位置对应的光的能量。数据处理是通过数 学模型将线阵c c d 的能量特征信息与位置信息配合，计算出要测量摆角，图线的显示 本质就是基于单文档模板的绘图程序，将角度信息和时间信息对应关系显示在坐标系 中，通过重载c v i e w ：o n p a i n t o i 函数实现。整个系统的运做是靠c v i e w ：o n t i m e r ( u i n t n i d e v e n t ) 函数驱动，通过重载这个函数让系统每隔一段时间重新执行所有程序，从而 完成实时的数据采集和显示。 软件整体流程图如图4 2 所示： 2 1 l l，h r l 口例r n 0 小 1r l初女台化 r 厂 、， 、_ 1 r v 。 c c d 卡驱动否? ) 一n o - 、一 + 数据采集 y 喇 7 、 + 进入摆角测最界面 卜、一 1r 数据处理与误差补偿修正 一o 1r 静态洳 口 1r 特征值计算 y e s r 正向最大摆角测量 显示摆角时间曲线与特征值 及相关内容 上n。 土 负向最人摆角测量 y e s 1r + 零位测量打印输出 上 y e s ， c 二二壹二二 图4 2 “扫描镜输出摆角时间”坐标曲线测量软件流程图 4 3 摆角测量界面及功能简介 摆角测量界面，如图4 3 所示： 界面内容与测量有关的工具条有“t e s t 项与工具栏项目的“测量和“口 停止有关。在测量项目“t e s t 内有“o p t i o n ”、“z e r o ”和“t e s t ”项，其中，“o p t i o n 用于打印测量信息的输入，如敏感器编号、测试姿态等内容：“z e r o 用于静态零位测 量；“t e s t 用于扫描镜静态最大、最小角度和动态摆动角度的测量，此项操作也可以 使用工具条中的图标“”测量按钮，启动曲线测量方式。可以用工具条中的图标“口 停止动态测量。之后进行打印。使用此项目操作顺序为：先进行设置参数，再测量零 位角度，最后进行角度测量。 酞感器编号 摆动频率：0o o p 掌位角o0 0 图43 摆角测量界面 上图操作界面内各项内容分别为： 检测值最大正向( 顺时针) 的最大角度 检测值最小负向( 逆时针) 的最大角度 峰峰值之差检测值展大与检测值最小的绝对值差 峰峰值平均检测值最大减检测值最小除2 零位角为静态零点( 静态时所有测量值的平均数， 此值只在测量零位时改变，测量角度时不变) 测试姿态需在测试前调整好阻后在对话框内输入 当启动摆角测量程序后，在摆镜以一固定频率摆动时，此界面输出如图4 4 所示的 曲线。 t 5 棚t 蚌t t 0 哥：o j h ht 酗44 摆角动态测试曲线界面 _ 岬i - 吖瓣一一 4 4 数据采集子程序 数据采集程序主要是基于p c i 总线上的c c d 数据采集卡进行读取数据，数据采集 卡的结构及功能在前章中已经详细说明，本文只使用采集卡的1 通道，其i o 起始地 址为i ob a s e + 0 ，当进r e a d 操作时读入1 6 位数据，其中高8 位为通道2 的数据，低 8 位为通道l 的数据，对于本程序仅低8 为有用。每次读入的数据为0 - - 一5 0 0 0 位线阵 c c d 中的一位的能量信息，对存储器c h l 2d a t a 读操作后，存储器地址寄存器 m e ma d r 会自动加l ，指向下一个数据的存储位置。所以，当连续读象素数据时，对 m e ma d r 的写入操作只需一次即可。采集数据的方式是对卜5 0 0 0 位像元进行依次 读取，目的是找出反射激光所在的位置，由于像元间距仅为7 ，所以反射的激光将 会照在数个像元上，为了得出精确的位置和排除其他杂光的干扰，本文设定了一个采 样阈值为8 0 ( 此数经过实验得到) ，c c d 采样的最大值为2 0 0 ，大于8 0 的信号被认为 是有效信号，开始记录c c d 像元的位置，当信号小于8 0 时停止记录，然后便得到一 个位置范围值，为了剔除某些尖刺信号，设置了一个宽度阀值1 5 ( 此数经过实验得到) ， 当大于8 0 的信号的像元数大于1 5 时才认为是有效的位置信息。当找到激光的位置后 便跳出循环完成一次数据的读取，程序流程图如图4 5 。数据采集程序见附录。 4 5 角度计算数学模型 图4 5 数据采集子程序流程图 角度测量的基本原理在第二章已经详细介绍过，其中关键是求得式( 2 2 ) 中的h ， 经过上述的数据采集程序可以得到激光经摆镜反射到c c d 上的位置信息，线阵c c d 的像元尺寸为7ur e x 7pm ，5 0 0 0 像元的总长度为 7ur r lx 5 0 0 0 = 3 5 0 0 0i lm = 3 5 m m 以第2 5 0 0 个像元为中心，设数据采集程序中计算出的中间位置值为x ，x _ 前端位 置一后端位置，则h - ( x - 2 5 0 0 ) * 7pm ，将h 经过误差修正后代入式( 2 2 ) 便可得出角度值。 4 6 “摆角时间”坐标曲线绘制显示子程序 4 6 1v ig u a ic * 6 0 绘图功能简介 v i s u a lc h6 0 ，由于其丰富的类库资源使得其绘图功能强大而且应用方便灵活。 其绘图功能大都基于设备环境基础上。一个设备环境提供了一张画布，使用者可以在 上面绘制点、直线、曲线、多边形等，还可以在上边用不同的字体和颜色来显示文字。 设备环境中的“设备 的意思是使用者可以在屏幕上显示，还可以在打印机上，绘图 仪上、虚拟现实的头戴受话器上显示，或者在另外任意一个可能的二维的显示设备上 显示，而不用关心你正在使用的设备的模式等有关信息。设备环境的作用在于它在应 用程序的底下提供了统一的对硬件的接口。 设备环境本身也是g d i ( g r a p h i c sd e v i c ei n t e r f a c e ) 对象。g d i 是w i n d o w s 核心动 态链接库( d l l ) 中的一组接口函数。这些接口函数处于硬件的驱动程序之上，当应 用程序调用这些函数的时候，它们会再调用驱动程序提供的接口函数。在微软基本类 库( m f c ) 中提供了对设备环境对象的封装，标准的设备环境封装类是c d c 类，c d c 类提供了大量的绘图函数、坐标映射函数、裁剪函数，使用者可以通过这个类来方便 的实现图形的显示。另外还有一些特殊的设备环境类都是从c d c 类派生出来的。 c d c 类上可以附加设备环境对象的句柄，通过c d c 类还可以在设备环境上绘图， c d c 类中有两个与底层g d i 对象有关的句柄：mh d c 和mh a t t r i b d c 。与r nh d c 句 柄有关的g d i 对象处理绘图函数的所有输出流；与mh a t t r i b d c 句柄有关的g d i 对象 处理所有与绘图属性有关的操作，比如说颜色属性和绘图模式。不必过分关心这些成 员的属性，只要知道当调用g e t d c ( ) 函数( 从一个窗口获得设备环境) 的时候，这 些g d i 句柄被附加到c d c 类上；当调用r e l e a s e ( ) 函数( 释放一窗口的设备环境) 的时候这些句柄与c d c 类分离。 设备环境类有一个成员函数m o v e t o ( ) ，它用来设置当前位置。在调用m o v e t o ( ) 函数时，可以使用两个参数来指定x 和y 的坐标。 设备环境类还有一个l i n e t o ( ) 的成员函数。l i n e t o ( ) 具有和m o v e t o ( ) 一样 的参数，它在设备环境当前光标位置和指定光标位置之间画一条直线。 在程序中多次出现的t e x t o u t 函数是在屏幕上显示文本的最简单最快捷的方法。这 个函数要求传递参数x 坐标和y 坐标来确定起始的文本输出位置，另外还需要一个 c s w i n g 型的参数来保存待显示的文本。 w i n d o w s 的应用程序的设计是以事件驱动为动力的程序运行机制，通过消息 的传递来实现所要的操作，本程序中主要应用的是c p a i n t d c 类绘图，c p a i n t d c 类是 一个特殊的设备环境封装类，它主要用来处理来自w i n d o w s 的w mp a i n t 消息。通 过重载o n p a i n t ( ) 函数进行绘图操作。在绘图中一个很重要的概念是映射模式，w i n d o w s 提供了很多种映射模式，在缺剩的情况下设备环境使用的映射模式是m m 映射模式的含义是一个逻辑单位相当于一个设备单位，所以在绘图时使用的坐标与屏 幕上的坐标是一致的。屏幕上的设备单位是像素，一个像素就是一个坐标单位，w i n d o w s 还有其他映射模式，m ml o m e t r i c ，一个逻辑单位等于0 1 m m ，m ml o e n g l i s h ， 一个逻辑单位等于0 0 1 i n c h ，m mi s o t r o p i c ，用户自定义值，但是在x 和y 方向相 等m ma n i s o t r o p i c 用户可完全自定义。映射模式通过s e t m a p m o d e o 来设置。另外 可以调用s e t w i n d o w o r g ( ) 和s e t v i e w p o r t o r g ( ) 函数来改变设备的环境的坐标原点 3 6 1 o 4 6 2 坐标曲线显示子程序 本程序使用的分辨率为8 0 0 * 6 0 0 ，整个屏幕横向8 0 0 像素，纵向6 0 0 像素，映射模 式是m mt e x t ，即以显示器上的像素为坐标单位，坐标的起点是在屏幕的左上角， 由于本程序中是在客户区进行作图，客户区坐标的零点是在单文档的视图窗口的坐上 角。本曲线的时间和摆角的坐标曲线，横轴为时间单位，纵轴为角度单位，将曲线坐 标系的零点设在( 1 0 0 ，4 0 0 ) 处，横轴的长度为6 4 0 ，纵轴为3 2 0 。经过数据采集和角 度的计算，已经把绘制曲线所需的时间和角度数值存储在结构变量的数组中，现在需 要做的是将数据和屏幕上的坐标对应起来，在纵向上即y 向上，显示2 4 度的角的范围， 单位角度所占的像素为3 2 0 2 4 - 1 3 ，在y 向上的比例设定为k y = 1 3 ，x 向要显示1 5 8 个点的时间量，这个量是以微秒为单位，每两个点的时间间隔约为4 7 m s ，总共要 1 5 8 4 7 = 7 4 2 m s ，所以将x 轴的坐标刻度最小单位设定为0 0 5 s ，显示范围为0 8 s ，其 显示比例k x = 6 4 0 8 0 0 = 0 8 。考虑到采样的方式，整个曲线是用单个的点排列而成，每 帧曲线是由1 5 8 个点组成，所有的绘图操作都是在o n p a i n t ( ) 函数中进行，在主程序 中通过i n v a l i d a t e r e c t ( n u l l ，t r u e ) 函数，向w i n d o w s 发送w mp a i n t 消息，从而响应 o n p a i m ( ) 函数，将整个客户区域从绘。其中本程序将对每一帧数据求出最大值，最 小值，频率，并和曲线一同显示在屏幕上。整个绘图显示程序的流程图如图4 6 。绘图 显示子程序见附录。 ( 开始 ) i 定义客户区 l 绘制坐标系 i 绘制曲线 l 计算极值及频率 i 数据显示 ( 结束 ) 图4 6 绘图显示子程序流程图 4 7 频率计算 频率计算的关键是要找到间隔为一个周期的两个点，本程序采用的方法是在一帧 数据中找出间隔我一个周期的过0 度角坐标线的两个点，首先在第1 0 到第5 0 个点中， 寻找每相邻的两个点的y 值，其中一个大于o ，一个小于0 ，找到后记录下第一个点的 位置为e ，为了使频率计算更精确，通过两个点的坐标值，计算出过这两个点的直线与 0 度角坐标线的交点的x 坐标值，并记录下这个值为x l ，然后将e 加1 0 ，在叶1 0 到 第1 5 0 个点之间按上述方式寻找符合条件的第2 个点，并将这个点的x 坐标值记为x 2 ， 则可得频率值 月r e q ：竺 ( 4 1 )，= l 1j 爿2 一爿l 其流程图如图4 7 所示。 图4 7 频率计算流程图 第五章系统的误差分析 本测试系统综合了光学、精密机械、电子学及计算机控制等多方面内容，各部分 对测试结果均产生一定的影响。其中光学系统存在场曲和像差误差：机械系统存在装 校误差；电子学系统也都会存在电磁干扰，电源波动等误差。在光学和机械方面误差 可以通过反复调试减少或消除，电磁干扰可以通过电路优化设计、电源滤波等减小， 这里不进行详细论述。本文主要从测量原理、信号处理和数据处理等方面进行误差的 分析。 5 1 基准坐标与扫描接收光学系统坐标不重合引起的误差 如图5 1 所示，设x o y 为基准坐标系，冽为扫描接收光学系统坐标系， 图5 1 测量原理图 当扫描镜绕0 摆动时，反射点则由于与07 不重合，而偏离初始反射点o ，而随叩动 态变化，反射光与光轴的交点( 实际上是反射光延长线上的虚交点) ，在扫描接收光学 系统坐标系的动态坐标为： x o ：s i n ( 3 + c p ) a - t 一( 1 - z e o s 伊) b ( 5 。1 ) c o s 缈s i l l 缈 式中，口、b 为初始反射点的在基准坐标系( x o y ) 中的j ，、x t 坐标，p 为初始 入射角。 式( 5 1 ) 表明，射入扫描接收光学系统的反射光线与光轴的交点随q 角而动态变 化。沿光轴方向的轴上点的这一动态偏移量的作用是使扫描接收光学系统的两个输入 2 9 参数之一的物方截距三也随( p 角产生变化，即三是平的函数，从而产生一种动态系统误 差。为此，必须用修正系数c ( ( p ) 对式( 2 2 ) 进行修正，即 伊= 三一降 ( 5 2 ) 式中，修正系数函数c ( 平) 也是( p 的复杂函数。当由c c d 测出h a ，经计算机由式 ( 5 2 ) 则可获得测量结果。这里规定顺时钟q 为正，h 为负；逆时针9 为负，h 为正。 5 2c c d 像元间距产生的误差 由于c c d 像元的尺寸为7 i - t m x7 岍，间距为7 朋，所以其不可能检测到小于7 p 历 的变化，所以c c d 存在着小于7 p m 的误差，由式( 5 2 ) 可得角度误差 咖三毒一 3 ， 由公式可知，f 为给定值3 9 3m i l l ，h 值越大，误差系数就越大，h 的最大值为 2 5 0 0 0 0 0 7 = 1 7 5 m i n ，a h 的最大值为o 0 0 7 m m ，代入式( 5 3 ) ，得 缈= 0 4 1 7x0 0 0 7 = 0 0 0 3 9 。，小于系统要求的精度0 0 5 。，所以可得由于c c d 像元 5 3 激光光束宽度产生的误差分析及解决方法 激光由半导体激光器发出后要经过光学系统对其变换，首先经过准直系统形成一 束圆形准直光束，经光阑的限制激光束的直径，再经柱面镜使圆形的光束变为纵向长 条形，以确保经光学探头聚焦后的光点能打在c c d 像元上，为系统的总装调试创造条 件。 本文设计的激光发射光学系统从激光器出口处到l m 远处光斑直径一直保持为巾 1 5 m m 左右的圆形光斑，光束发散度为0 5 m r a d ，激光器出口到束腰位置为3 0 m m ，从 束腰位置往后1 7 5 r a m 处一字线的线宽为2 3 m m ，线长为1 0n u n 。按照分辨率要求，0 0 l 。即0 67 时其弧度值为0 0 0 0 1 8 ，此时o = o 0 0 0 1 8f = 0 0 0 0 1 8 3 9 2 8 1 m m = 0 。0 0 7 1 m m ，此时根据( - ) = 入f o = 0 0 0 0 6 5 3 9 2 8 1n l n l 3 1 4 1 6 0 0 0 7 1 = 1 1 5 m m ， 即当激光束到达镜头前第一面时，直径为2 3 m m 时，此镜头就可以使激光束达到像面 的尺寸为0 0 0 7 m m 的数量。但是在摆镜高速摆动的动态测量中，由于激光功率的波动 和c c d 灵敏度的因素，经摆镜反射后，通过接收光学系统照在c c d 上光束要比理论 计算的宽，将会覆盖数个c c d 像元，如图5 2 所示，用c c d 演示程序观察的c c d 像 元的能量分布曲线。横轴为像元位置0 - - 5 0 0 0 ，纵轴为能量值，最高为2 5 5 。当设定某 阈值后，覆盖c c d 像元有效宽为d ，在实际的1 0 h z 动态测量中，d 约为2 0 0 0 0 7 r a m ， 前沿距中心位置为d 1 ，如果取x l 点为有效的数据点，则会产生d 1 的误差，所以在程序 中找出x l 和x 3 两点，再求出x 2 点作为有效数据点。c c d 像元的能量分布曲线还和半 导体激光器的功率大小有关，功率越大覆盖的c c d 像元的个数越多，曲线的顶部也越 宽，从而产生的误差越大，所以对于测量准确而言，激光器的功率越小越好，但是实 际的测量中，激光器发出的激光经过光学系统会造成能量损失，而且考虑到其他杂光 的干扰，还要使c c d 可以接受到足够的光强，激光器的功率必须大于某个值，通过 c c d 像元的能量分布演示程序进行实验，可以将激光器的功率调节到一个比较合理的 值，如图5 3 所示。 图5 2c c d 像元的能量分布曲线 2 5 5 能量 9 0 o 5 4 系统误差的修正 图5 3 比较合理的c c d 像元的能量分布曲线 由于系统存在着多种误差，需要对测量结果进行修正，该系统采用的修正方法是 静态标定法，通过实验，将实验用的标准摆镜放在可以进行微调的高精度转台上，标 定0 位后，将摆镜从一1 0 。+ 1 0 。每次转动0 5 。，并用仪器测量每次转动后的角度值， 然后用仪器测得的值和标准角度值计算出各个位置的误差，利用m a t l a b 拟合出一条 误差曲线，并求得该曲线对应的多项式函数f