基于四象限探测器的激光束二维扫描跟踪系统的研究

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1、中图分类号：TN249论文编号：102870818-S055学科分类号：080300硕士学位论文基于四象限探测器的激光束二维扫描跟踪系统的研究研究生姓名林鑫专业类别工程硕士专业领域光学工程指导教师杨雁南教授南京航空航天大学研究生院理学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofscienceResearchonTwo-DimensionalLaserBeamScanningandTrackingS

2、ystemBasedonFourQuadrantDetectorAThesisinOpticalengineeringbyXinLinAdvisedbyProf.Yan-NanYangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写

3、过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要在采用激光为能量载体给远程移动设备如无人机充电的过程中，为确保接收端能精准接收从发射端射来的激光束，研究并设计了一套基于四象限探测器的激光束二维扫描跟踪系统。该系统利用监控和控制计算机、控制柜以及二轴转台构建闭

4、环控制系统，通过将跟踪的过程离散化，可实时测量入射激光的光斑中心相对于四象限探测器中心的偏移量，实现了激光对移动目标的实时跟踪。在此基础上，提出了一种基于微动法的四象限探测器定位新算法进一步提高了激光束二维扫描跟踪系统的跟踪精度。首先，介绍了常用的几种光电位置探测器PSD(位置敏感探测器)、CCD(电荷耦合器件)、CMOS摄像机以及四象限探测器等器件的基本结构及工作原理，并对它们的性能、特点、适用场合等进行比较，最终选取了四象限探测器作为本文中激光束二维扫描系统的光电探测器。在此基础上，给出了本激光束二维扫描

5、跟踪系统的总体结构，并介绍了扫描跟踪系统各部分工作原理及性能。其次，进一步介绍了激光束二维扫描系统对移动目标实时跟踪的原理。通过对Arduinonano模块和无线数传模块的详细学习和研究，设计出了将四象限探测器定位信号实时无线传输的发射、接收模块；然后采用经典的和差定位算法，从实验上对跟踪激光束中心与其中心的偏移量进行了初步测量；为进一步提高系统的跟踪精度，又提出了一种基于微动法的定位新算法，对基于该算法的四象限探测器定位精度进行了实验测试评判，并与经典和差算法的定位精度进行了比较。本课题创新性地采用直接将四

6、象限探测器置于移动目标上，并利用无线方式传输位置偏移信号的方法来实现扫描跟踪，更便于位置偏移信号的采集。本课题的研究成果可为远距离移动设备如无人机、微小卫星等的电力传输提供一种有效思路。关键词：激光束二维扫描跟踪系统；离散化跟踪；四象限探测器；闭环控制；光斑偏移量I基于四象限探测器的激光束二维扫描跟踪系统的研究ABSTRACTIntheprocessofusinglaserasenergycarriertochargelong-distancemobiledevicessuchasUAVs,inorderto

7、ensurethatthereceivingendcanpreciselyreceivethelaserbeamemittedfromthetransmittingend,alaserbeamtwodimensionalscanningtrackingsystembasedonfourquadrantdetectorisstudiedanddesigned.Thesystemusesamonitoringandcontrolcomputer,acontrolcabinetandatwo-axisturntab

8、letoconstructaclosed-loopcontrolsystem,bydiscretizingthetrackingprocess,theoffsetofthespotcenteroftheincidentlaserrelativetothecenterofthefour-quadrantdetectorcanbemeasuredinrealtime,whichrealizesreal-