光電跟蹤技術精選(九篇)

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第1篇：光電跟蹤技術范文

關鍵詞：光伏系統；最大功率點跟蹤；占空比；改進模式搜索算法

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

由于太陽能具有取之不盡、分布廣泛的特性，所以光伏發電技術在新能源領域脫穎而出，為了能夠實現光伏系統輸出功率的最大化，需要對光伏陣列的最大功率點進行跟蹤。目前有很多算法可以確定系統的最大功率點[1-3]，如查表法、曲線擬合技術、開路電壓法、短路電流法、擾動觀測法、電導增量法等。查表法和曲線擬合技術需要很大的數據存儲空間；開路電壓法和短路電流法不適合工作條件發生變化的場合；擾動觀測法會在最大功率點附近產生振蕩；電導增量法實現過程比較復雜。然而盡管恒壓法能夠實現MPPT的基本功能并在光伏發電現場得以廣泛應用，但在使用過程中無法引入外界條件參量的變化情況，難以實現MPPT的高精度搜索功能。模式搜索算法[4，5]具有很強的細搜索能力，因此將改進的模式搜索算法與恒壓法結合用于最大功率實時精確跟蹤。

光伏發電系統主要包括光伏陣列、MPPT功率級、控制器、負載幾部分[6]，而最大功率點跟蹤主要由MPPT功率級和控制器來控制，對此本文首先建立功率級輸入端的模型[7， 8]，然后應用改進的PSA算法優化控制器使其精確改變占空比，實現最大功率點的穩定跟蹤。

1 光伏組件模型及最大功率點控制

光伏組件功率級輸入端即光伏組件的輸出主要是產生的電流信號和電壓信號，設在參考條件下，構建考慮太陽輻射變化和溫度影響時的光伏發電系統中光伏電池陣列數學模型如下式：

（1）

式中，U為光伏電池陣列電壓，I為對應的輸出電流，，，

，，

，；Sref為太陽輻射參考值，取1 kW/m2；Tref為溫度參考值，取25℃；Isc為短路電流，Uoc為開路電壓，Im、Um分別為最大功率點電流和電壓，為電流隨溫度變化系數，為電壓隨溫度變化系數，以上參數都在Sref、Tref條件下獲??；Rs為光伏模塊串聯電阻；S為總太陽輻射，Tc為太陽電池溫度，Ta為環境溫度，tc為電池模塊溫度系數。

當負載電阻和內阻相等時會產生最大的輸出功率。由于光伏陣列產生的功率會隨太陽輻照度和溫度變化而變化，因此參數的變化也會引起光伏電池的輸出特性變化，可根據輸出特性實時調整負載，使其與光伏陣列內阻相匹配，實現最大功率點跟蹤。

2 仿真實驗與分析

2.1 光伏電池功率曲線特性

實驗采用的太陽能電池板在光輻射度為1 000 W/m2，溫度為25℃的標準測試條件下的基本參數為：Im=5.5 A、Um=36.3 V、Uoc=43.5 V、Isc=5.85 A。基于Matlab/SimuLink工具箱構建的光伏電池仿真模型如圖1所示。

由圖2（a）可知，最大功率點處電壓受光輻射度影響較小，電流值隨著光輻射度的增加而增大；由圖2（b）可知，最大功率點處電壓隨著溫度的升高而降低，電流值受溫度影響較小。

2.2 MPPT功率級和控制器

MPPT算法的主要組成部分包括系統的功率級和控制器，功率級為DC-DC變換器的主電路[9， 10]，通過調整IGBT的導通時間和輔助電路完成升降壓功能；控制器主要用于產生控制IGBT通斷的PWM控制信號，與功率級共同作用，調整負載與光伏陣列內部阻值動態匹配，實現最大功率點跟蹤。MPPT控制算法實現過程如圖3所示。

圖3中，改進的PSA算法和恒定電壓法均包含于控制器部分[11]，改進的PSA算法根據外界環境變化實時計算出最大功率點處電壓Umax作為恒定電壓法的參考電壓，從而改善了經典恒壓法使用固定電壓值導致其忽略外部環境不足的問題，可大大提高最大功率點跟蹤的精確性。

2.3 改進的PSA算法

為實現當外界環境變化時，光伏發電系統能夠對最大功率點進行精確跟蹤，避免傳統跟蹤方法的缺點，提高光伏發電系統的輸出效率，本文提出了基于改進的PSA算法的最大功率點跟蹤方法。其流程圖如圖4所示。其中，搜索分段數=10，電壓間隔=Uoc/，初始步長=/4，初始電壓值U（1）=[， 3， …， Uoc-]T，初始點xi=Ui（1），方向因子=[1，-1]，速度因子c1=2，終止條件=10-3，c2=2，k=1，全局比較因子=/100。

2.4 優化控制輸出

將改進的模式搜索算法實時計算得出的最大功率點處的電壓替換恒壓控制法實現最大功率點跟蹤時的固定電壓值，并構建其整體的仿真模型。其具體架構如圖5所示。

圖5 基于改進PSA的MPPT仿真模型

按照實際原型參數進行設定，為驗證跟蹤的效果，當系統從溫度25℃、光輻射度從1 000 W/m2變化為800 W/m2時，其仿真結果如圖6所示。

根據圖6可知，該系統在光輻射度變化的條件下能夠快速做出調節，使其工作在最大功率點附近，且穩定性較好，改善了傳統恒壓方法無法對系統進行及時調整，使其工作至最大功率點的現象。

3 結 語

為了實現光伏發電系統最大功率點的準確跟蹤，本文結合經典的恒壓控制法提出了基于改進PSA算法的光伏最大功率點跟蹤方法，對光伏系統最大功率點跟蹤中功率級輸入端特性曲線和MPPT控制算法進行了深入分析，通過比較可知：

（1）最大功率點處電壓、電流值可隨光輻射度和溫度的變化而變化；

（2）可以通過外界環境變化實時計算出參考電壓，改善經典恒壓法，進而提高最大功率點跟蹤的精確性；

（3）該系統在光輻射度變化的條件下能夠快速調節，始終工作在最大功率點附近，穩定性較好。

參考文獻

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[6]吳理博，趙爭鳴，劉建政.用于太陽能照明系統的智能控制器[J].清華大學學報（自然科學版），2003，43（9）：1195-1198.

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第2篇：光電跟蹤技術范文

關鍵詞：星載平臺；跟蹤精度；跟蹤誤差；穩定跟蹤

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：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

跟蹤精度作為系統重要性能之一能夠最直接地反映系統總體跟蹤性能。影響星載光電跟蹤系統跟蹤精度的主要因素有衛星的振動、攝動及旋轉、星載系統工作狀態、機械結構及參照系誤差、軌道預測誤差和背景光噪聲等。其中，參照系采取星載坐標系，其誤差由實際工作情況決定。軌道預測誤差由探測識別系統等星載前續系統給出的數據決定。背景光噪聲影響主要來自太陽、懸浮粒子、塵埃及能對光產生反射和散射的星體等［1-3］。由于系統的工作狀態及自身對跟蹤精度都有影響，所以在工程應用中，需要根據實際情況分析影響跟蹤精度的主要因素，并有針對性地提出提高系統跟蹤精度的方法，滿足系統指標的要求。

1 星載光電跟蹤系統跟蹤精度

1.1 星載光電跟蹤系統跟蹤誤差的主要來源

對星載光電跟蹤系統來說，從光電探測器開始敏感外界信號到伺服控制器收到脫靶量信息要有一定的延遲時間，其中包括探測器的積分延遲、信號處理延遲和通訊傳輸延遲等。在探測系統中，由于圖像處理器與主控制器之間，主控制器與伺服控制系統之間均通過總線進行信息傳輸，這都增加了伺服控制器收到脫靶量的延遲時間。長延遲的存在對跟蹤系統的帶寬、跟蹤精度等造成嚴重的影響。因此，分析跟蹤誤差的主要來源，建立星載光電跟蹤系統的穩定跟蹤技術對于提高系統的跟蹤性能有著重要的意義。

第3篇：光電跟蹤技術范文

對于整體設計思路，首先要搞清楚需要什么樣的要求，要達到哪些功能，再來選擇設備。

首先，要求功能教室要達到教學過程可視化，教學過程全程錄播數字化。

第二，此教室還應適應高中的一切文化科目的教學要求，任何文化科目都用得上。特別是英語語言教學上雙向對話要求，因此，有必要安裝模擬語音教學設備和數字語音教學系統。

第三，此教室應有適用現代教學要求的多媒體教學系統。

因此，在要求上要實現三大功能：1）錄播功能；2）語言教學功能；3）多媒體教學功能。設施包括多鏡頭分區多畫面切換自動跟蹤錄播系統、語音教學系統和多媒體電化教學系統三大設施功能組合為一體的現代化數字化教學系統。而在這三大系統中，各個系統在應用上又要求有一定的獨立性和組合性，分則各為一體，合則為一系統組合，因此對設備有較高的要求。

全自動錄播跟蹤系統，是這套系統中最關鍵的一個單項系統，涉及較多設備和模式。目前市場上的錄播跟蹤系統基本上有3種控制原理：超聲波跟蹤切換技術、紅外跟蹤技術和圖像識別分析技術。三者各有利弊。

1）超聲波技術是通過超聲波控制。其中教師跟蹤要求教師配戴無線麥克風，通過語音激勵，使攝像機跟蹤教師來實現。對于講臺區域的跟蹤攝像是多機位分區，就是在教室后面安裝多個固定攝像機，在黑板下沿安裝超聲波感應頭，實際上是一種超聲波收發器，有效作用距離在0.5～1米之間可調。當教師靠近黑板時，相應位置的超聲波感應頭檢測到人體，立即觸發相對應的攝像機拍攝畫面，未檢測到人體的其他板書攝像機則處于封閉狀態；當教師進入另一區域時，相對應的攝像機就會拍攝教師（如圖1所示）。這種攝像定位精確，畫面清晰不抖動。

2）紅外跟蹤技術是通過紅外線控制的，其基本設備是紅外發射源和紅外接收裝置。通過紅外信號的變化，指使系統作出判斷，然后發出指令，令攝像機跟蹤定位，進行跟蹤攝像。

3）圖像識別分析跟蹤技術。圖像識別是人工智能的一個重要領域。識別某個圖像，必須在過去的經驗中有這個圖像的記憶模式。識別圖像時，這個圖像與記憶相似或匹配，則這個圖像被識別。依靠計算機的專門軟件對攝像機捕獲的人像進行分析處理，將其設定為跟蹤對象，使其始終處于拍攝范圍內，實現人像的自動跟蹤。這是當前技術含量較高的跟蹤技術，現在國際上的一些大公司都在努力研究圖像識別分析技術。圖像識別分析技術是解決自動跟蹤的終極方案。

針對幾種技術流派，各有其應用的場所主導方向。目前圖像識別技術在自動錄播跟蹤的應用上還有很多技術難關未解決好。超聲波技術主要應用于大學課堂教學，紅外技術近幾年應用于中學課堂有所興起。中學課堂教學模式與大學有明顯的不同：大學課堂以教師講授為主，師生互動較少，在互動這一塊不必過于強化；而中小學課堂師生互動量遠遠大于大學課堂，學段越低，互動越多。所以為適應高中要求，在開始選型上選擇了紅外跟蹤技術。

紅外跟蹤技術又有兩個流派：一種是點對點被動紅外跟蹤技術（如圖2所示）；一種是主動紅外空間網格定位跟蹤技術。這兩種技術中關鍵的區別就是目標定位上的差距。

點對點被動紅外跟蹤技術是在教師身上配戴的無線話筒上安裝一個紅外發生器，發生器不停地發出紅外信號；高速球攝像機上有一個紅外接收裝置，不停地接收教師紅外發生器的信號而控制教師攝像機，隨時跟蹤教師活動情況。在黑板上、下方各安有紅外傳感裝置，教師板書時切斷紅外信號，系統將信號傳給板書攝像機，拍攝教師板書情況?；蛘呤墙處熗ㄟ^手動按扭來控制板書攝像機拍攝板書畫面。

學生跟蹤是通過在學生座位上安裝一個光電感應器，當學生坐好時，借用學生身體遮擋住光電感應器的感光孔，光電信號就不會發出；當學生站起來回答問題時，人離開座椅，感光孔就有光線進入而產生光電信號發射出去，光電信號接收裝置就收到信號而判定此光電信號發生點有一位學生站起來回答問題，隨后指令學生攝像機對此學生進行跟蹤攝像；當學生回答完畢坐下時，光電感應孔被遮擋住而沒有信號產生，因此，學生攝像機就不再跟蹤此學生，而自動切換到教師。通過兩種點對點跟蹤來完成對教師和學生的跟蹤切換。

這種技術的優點是跟蹤定位準確，由于教師身上配戴了無線咪，因此后臺攝像時錄音效果相當好；由于學生每個椅子上都有光電感應器，只要學生站起來回答問題，學生攝像機就會馬上跟蹤，所以定位精確度很高。

但也有缺點：

其一，教師跟蹤后錄制下來的畫面，整幅畫面都在不停地變動。中學教師上課不是靜止不動的，他一動，攝像畫面也動，因此作為可視化教學資源時，打開視頻錄相，視頻畫面在不停地晃動，人眼瀏覽視頻幾分鐘后就會感到頭暈而不想繼續觀看。如果教師走動稍快或轉身，就會出現跟蹤丟失。

其二，學生跟蹤是通過光電感應而發生的。學生坐在椅子上時，臀部不一定恰好遮住光電感應器，一旦產生漏光現象，光電感應器就會發出信號，指使學生攝像機跟蹤此學生，而此學生此時并未回答問題，是不需要跟蹤、不需要特寫的，因而可能產生較多的垃圾鏡頭。

主動紅外空間網格定位跟蹤原理是借助于紅外發生器和紅外感應帶將整個教室建立一個三維空間網格坐標系，來將教室內每個點進行網格坐標定位。不論教師、學生在任何一點站立，都會改變某一區域網格內紅外信號，系統就會收到信號令攝像機自動跟蹤（如圖3所示）。這種空間網格定位最大的優點就是關鍵的定位設備是安裝在教室四周墻壁上和天花板上的，因此，教師和學生都無需配戴任何設備，完全等同于普通教室的常態化教學，教師、學生都很自然。

當教師在講臺區域時，教師通過改變講臺區域的紅外網格內的紅外信號而獲得教師定位信號，教師攝像機就自動跟蹤教師的一舉一動。當教師走下講臺進入學生區域時，由于教師的進入而改變了學生區域某網格紅外信號，因此攝像機就會跟蹤教師。當學生站起來回答問題時，學生身體高度的改變觸發了學生所在的某一網格紅外探測信號，攝像機就會自動跟蹤學生；當學生回答完畢坐下時，系統認為此時紅外信號恢復原值，就認為沒有學生回答問題，自動調整到教師畫面。通過這種原理來實現教師與學生的互動教學過程（如圖4所示）。

空間網格技術將整個教室空間三維網格化，無論是教師還是學生，系統都可以準確地感知目標的空間位置，實現跟蹤“無盲區”。教師不再限制在講臺上，無需配戴任何設備，學生不再需要按話筒開關或按扭，無論教師走到教室的哪個位置，無論學在哪個位置起立回答問題，只要空間網格中某個紅外接收信號有所改變，系統都可以準確地感知。配合合理的策略，可以輕松解決師生互動。此設施最大的優點是教學常態化，不因系統錄像而做些其他的任何動作要求。最大的缺點是對講臺區域的教師跟蹤時同樣會產生視頻畫面的晃動，且板書跟蹤解決得不大完美；跟蹤時對教室環境要求較高，受光線、衣服材料、溫度等干擾。

而超聲波技術卻有著其自身的優點，將教室講臺通過分區來實現對講臺區域教師的跟蹤。就是在教室的后面安有3～4個固定攝像頭，將講臺分為幾個區，每一個攝像頭覆蓋一個區域，當教師進入此區域時，此區域對應的一個攝像頭就會攝像，而在此區域內教師的動作幅度無論多大，錄制視頻的畫面都不會晃動，視覺效果很好。當教師由某一區域進入另一區域時，另一區域的攝像頭就跟蹤教師在此區域的一切動作，而且區域之間的切換很自然，雖有一定的跳躍性，但鏡頭不晃動。當教師板書時，可對板書內容進行特寫放大，符合視頻教學要求。

學生定位是通過按扭操作來完成，每兩個學生共同使用一個遙控設備或話筒。當學生發言時，學生按一下“開始發言”按鍵，鏡頭會自動切換給學生；結束發言時，按“結束發言”，圖像會切回到教師。整個系統由于學生區域有很多話筒，聲音效果很好。

由于講臺區域分區位跟蹤，跟蹤時畫面不會晃動，因此，超聲波技術有紅外技術難以企及的優點。

當然，也有其缺點。

一是學生區域話筒過多。如果學生因好奇亂按話筒，或學生打開話筒而忘記關閉話筒，可能會將雜音放大或產生垃圾鏡頭。學生回答問題時，必須按一下課桌上的話筒按扭，將信號發給系統，此時攝像機才會對回答問題的學生進行特寫攝像跟蹤，否則可能只有學生的聲音而沒有學生的圖像。這不是常態教學。因此，應用前提是教師很熟練，學生很自覺，習慣很好。正是由于這種原因，更多地適用于大學的課堂教學，特別是講座型的教學模式。

二是超聲波產品長時間使用，對人體健康是否有害，學術界對此也一直爭論不休。

綜合超聲波技術、點對點被動紅外技術、主動紅外空間網格定位技術和圖像識別分析技術的優缺點，根據高中教學的針對性和適用性，提出了自己的目標方案，就是將超聲波技術講臺分區的優點應用于紅外技術中，提出多機位分區多畫面切換全自動紅外跟蹤錄播系統方案?；谶@種技術要求，要求講臺區域分為3個區域（分區越多，視頻畫面越晃；分區越少，鏡頭覆蓋面越大，人像越?。?。教師、學生要求教學常態化，不需要配戴或在坐椅上安裝任何設備。實現這種方案的技術原理是主動紅外+空間網格定位跟蹤，目前能較好地解決中學課堂教學中教師、學生圖像跟蹤問題。當然這種技術也存在設備成本較高，室內裝修要求較高，教師板書特寫跟蹤不大理想等不足，錄播跟蹤技術還有待進一步完善。

在應用中發現空間網格對教師板書畫面的拍攝不大滿意。為此，針對高中教學要求，提出一種新的技術解決方案，有待專家研究，有待廠家研發。這就是在主動紅外+空間網格基礎上，在黑板的上沿、下沿安裝紅外裝置，在黑板區域建立一個紅外平面場，當教師板書時觸發紅外場，使板書攝像機進行板書特寫，這樣就可實現教師分區跟蹤、學生跟蹤、板書特寫，再加上電腦課件幾種信號整合的優良效果。因此，筆者期待的解決方案是主動紅外+空間網格+板書紅外三合一的紅外錄播跟蹤系統，如圖5所示。

參考文獻

[1]圖像識別原理及技巧[EB/OL].http：///.

第4篇：光電跟蹤技術范文

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：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

隨著數字視頻技術的發展及應用，動態目標跟蹤是軍事以及民用等很多多領域中有廣泛的應用，也成了人們研究的重要課題。雷達系統和光電系統是我國目前靶場常用的測試系統，也通常采用兩種系統協同測量模式。光電系統中光電經緯儀是我國靶場中獲取外彈道跟蹤數據和飛行狀態的重要測量工具。為了獲取目標在靶場中的3維坐標，實現目標位置的精確定位，通常用到多臺經緯儀交匯測量的方式。

1經緯儀的工作原理

在測量工作中，經緯儀是經常被用到的測角儀器。經緯儀由望遠鏡、水準器、水平度盤、豎直度盤和基座五部分組成。經緯儀由很多種，按讀數設備可分為光學經緯儀和游標經緯儀；按精度分為精密經緯儀和普通經緯儀；按軸系構造分為復測經緯儀和方向經緯儀。測量時，經緯儀被安裝在三腳架上，用垂球或光學對點器將儀器中心對準地面測站點上，望遠鏡瞄準測量目標，水準器將一起定平，從水平度盤和豎直讀盤上可以讀出水平角和豎直角的度數。當跟蹤目標高速運動時，是來不及測出它的水平角和豎直角的，這時候就需要用到將攝影機和經緯儀結合起來的一種攝影經緯儀。

2兩臺經緯儀交匯測量原理及計算公式

2.1兩臺經緯儀交匯測量原理

如圖1中，O1和O2分別為兩臺經緯儀的原點，假設發射坐標系為(O；x,y,z),M為運動目標在空中的瞬時位置。

圖1經緯儀和目標點在發射坐標系下的位置

如圖2中，我們把兩臺經緯儀O1和O2和目標點M在發射坐標系Oxz平面上做投影。其中，O1和O2分別為O1和O2在Oxz平面上做投影；XO1, YO1，ZO1，XO2, YO2，ZO2分別為兩臺經緯儀原點在發射坐標系中的坐標;x1,y1,z1，x2，y2，z2為目標M在測站坐標系中的坐標；Al，A2，El，E2為兩臺經緯儀測得目標M在本站坐標系中的方位角和俯仰角。

3光電經緯儀交匯測量結果及誤差分析

4結束語

光電經緯儀是在現代靶場測量中廣泛應用的一種測量儀器，但是光電經緯儀在跟蹤飛行目標的過程中，會因各種原因產生測角誤差，影響彈道的測量精度。通過對靶場光電經緯儀目標交匯測量的研究和分析，從而得到確完整的彈道測試數據和外推數據，提高彈道數據獲取的精度，是非常有意義的。

參考文獻：

[1]張玲霞,馬彩文,劉軼,陳明.靶場光電經緯儀多臺交會測量的融合處理及其仿真分析[J].光子學報,2002(12).

[2]趙曉萌,劉李楠.一種基于最小均方誤差準則的多臺光電經緯儀測量融合方法[J].現代電子技術,2010(11).

第5篇：光電跟蹤技術范文

關鍵詞： 光敏器件； PWM波； PID閉環控制； MSP430單片機； 光電跟蹤

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0143?03

光電跟蹤系統是以光電器件（主要是激光器和光電探測器）為基石，將光學技術、電子/微電子技術和精密機械技術等融為一體，形成具有特定跟蹤功能的裝置。目前國內外較先進 的光電跟蹤系統多以激光測距儀、電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀三位一體為核心構成。采用機械方法實現跟蹤系統控制起來還不太靈敏。對于一個光電追蹤系統，一般通過目標識別、位置信號檢測、位置信號處理、PID伺服控制計算、驅動控制、位置反饋、目標不間斷跟蹤，完成特定跟蹤任務[1]。而與之配套的目標識別檢測處理與PID伺服控制實現是非常重要的部分，是保證整個系統能否正常工作的關鍵。

為更好地實現精確的跟蹤伺服系統，本設計中使用MSP430單片機完成對目標定位跟蹤的PID閉環控制， 采用S066A的國產四象限探測對目標進行識別跟蹤定位。MSP430 單片機是美國TI（德州儀器）公司近年推出的16 位高性能混合信號處理器。由于它具有處理能力強、運算速度快、集成度高、外部設備豐富、超低功耗等優點，因此在許多領域內都得到了廣泛的應用[2]。S066A國產四象限探測器光譜響應范圍在400～1 100 nm，它的峰值波長為940 nm，它具有較高的靈敏度和精確度，廣泛運用于位置檢測，光學定位，距離探測等方面。

本課題研究的意義在于一方面對四象限探測器件以及新式低功耗高集成的微處理器的使用和推廣；另一方面探索一種新的機械對準結構設計以及為低成本跟蹤系統的研制提供一種可行性方案。

1 總體設計方案

整個系統的設計如圖1 所示，主要由機械傳動設計和系統電路設計兩部分組成。

機械部分中目標實時位置信號發生源采用四象限探測器對目標進行定位，并輸出包含目標位置信息的4路電信號，電機傳動跟蹤定位則是根據四路位置信號來驅動探測器所在的定位面板對目標進行搜索和鎖定。機械部分將探測和定位集為一體，目標可見即可識，電機與定位面板的傳動以角位移為變量進行快速方便的傳動。系統電路設計部分中MSP430F169片內集成了多個功能模塊。

本設計利用其作為處理核心，其片內A/D模塊實現模擬信號與數字信號的轉換。一方面Timer對時鐘進行分頻從而提高時鐘頻率，使A/D獲得更快的采樣率或轉換速度，以保證A/D 轉換的精度；另一方面Timer的輸出端單元可作為PWM信號發生器根據片內編程進行PID高速運算處理所得結果產生PWM輸出控制信號，設置簡單方便簡化了電路的設計，進而降低了系統設計的復雜性。接收前端的位置信號使用低偏置，高精密度放大器對信號進行調整，利用濾波器對位置信號進行優化，以滿足更好的精度和定位要求。在控制信號輸出端采用現有的電機驅動芯片確保電機的穩定運行?；诳傮w設計方案，本文將其劃分為4個不同但又彼此相互作用的4個方面來實現該研究。具體包括硬件電路設計、機械模擬模型設計、PID算法設計以及軟件編程。

2 硬件模塊設計

2.1 硬件電路設計原理

依據總體設計方案，硬件電路主要由電源模塊、四象限信號放大處理模塊、系統控制模塊、電機驅動模塊以及相關輔助模塊構成（見圖2）。

四象限探測器可探測波長范圍（380～1 100 nm），其原理是將光照強度轉換為電流信號。但由于其輸出電流信號較小，四象限探測器的預處理模塊電路實現將電流信號經放大和運算處理，并將電流轉化為單片機A/D能夠采集到電壓范圍0～2.5 V。采樣的數字信號經單片機內的數字濾波和算法的運算，進而控制PWM波的占空比來調節電機的速度。

2.2 機械模擬機構實驗設計原理

模擬機構設計靈感源于地動儀的設計原理，采用兩個不同的軸來調節兩個不同但相關的平面實現四象限探測器的大范圍搜尋目標的目的，模型圖如圖4所示。其中下平板主要用于帶動上平板實現大范圍搜尋目標，上平板及其配置設備實現精確定位和跟蹤功能。研究中利用皮筋的彈性以及牽引絲線柔軟且形變相對較小的優勢，實現搜索平面的任意角度轉動。并利用廢棄的中心筆管代替齒輪實現軸的小摩擦先轉動。使得模型輕小便捷，制作簡單方便，并且變廢為寶。

3 軟件編程

軟件編程部分主要包括目標的粗搜尋和目標的精定位及跟蹤兩個部分。編程中載入自動搜索程序搜尋目標光源，對目標進行三維維的空間片區性搜索，并載入判別搜到目標程序，具體通過A/D采集到的電壓范圍判別是否搜到目標。目標一旦搜到，即載入坐標運算程序，計算當前四象限面板與目標位置的歸一化坐標差值，進而調用PID算法程序，將PID的調節量轉化為PWM波的輸出持續時間和占空比，通過調用控制電機轉動圈數程序對目標進行追蹤。通道誤差計算程序如圖5所示。

4 PID控制算法設計

PID算法主要有位置式算法和增量式算法兩類。一般增量式算法適用于控制精度要求不高的系統中，位置式適用于控制精度要求較高的控制系統中[4]。

由于位置式控制算法會出現積分飽和問題[5]。工程中通常采用的消除積分飽和問題的方法有限制PI調節器輸出的方法、積分分離法和欲限削弱積分法。由于限制PI調節器輸出法有可能在正常操作中不能消除系統的余差，而積分法可以在小偏差時利用積分作用消除偏差。因此本文選用位置式算法的改進形式，即積分分離法[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算法程序流程圖如圖6所示。研究中控制參數的確定采用先選定控制度，依據不同的控制度預設控制參數通過實驗輸出波形，調整控制參數取值，從而達到研究期望的控制精度。

5 測試結果及分析

實驗中采用波長為650 nm激光作為目標物，實驗過程中先調用目標搜尋程序，大范圍搜尋目標，一旦探測到目標，四象限探測器即會有較大電流輸出。通過磁性判斷轉入目標精定位及追蹤程序。利用PID算法配合調節電機轉動，使光斑移至四象限光敏面中心。實驗結果如圖7所示。

本設計采用性能優越的MSP430F169 作為控制核心。使用MSP430內部的A/D模塊以及定時器模塊能夠實現精準的多路數據采集。電路的設計，利用RC濾波器，減小了噪聲對信號的影響，同時利用相位補償技術消除了自激干擾，使信號穩定輸出。軟件編程部分采用位置式PID算式，當達到設定的門限值之后再加入積分運算，這樣就能夠避免積分飽和問題，使跟蹤設備平緩地到達指定位置。

6 結 語

本研究設計中采用性能優越的 MSP430F169 作為控制核心。通過四象限光電探測器將光照強度轉化成電流信號，經過四象限信號處理電路轉化成MSP430F169單片機ADC能夠采集到的電壓范圍，利用PID算法及相關轉化控制兩路 PWM 波輸出控制電機轉動，實現目標定位跟蹤。通過使用激光器將定位和追蹤過程直觀顯示，便于直接觀察。使用MSP430內部A/D模塊和時鐘模塊能夠快速實現精準的PID誤差信號與PWM波占空比的轉換。本研究的意義并不僅在于其具體研究結果及利用價值，是通過實驗研究豐富了小組成員的專業知識且使得大家的動手解決問題的能力得到了很好的提升，極大地培養了小組成員的工程意識。

參考文獻

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第6篇：光電跟蹤技術范文

關鍵詞：AT89S51；光電檢測；硬件電路；太陽能跟蹤系統

中圖分類號：TP274.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0001-03

1 內核設計

51單片機是本系統的核心處理器，在本設計中它的主要作用是：接收從光電檢測部分得到的信號，通過對該信號的分析處理后，輸出信號控制步進電動機轉動，從而帶動太陽光接收裝置水平豎直雙軸轉動，最終實現對太陽能的跟蹤。

本設計中采用的是AT89S51單片機。AT89S51是一個低功耗高性能單片機，DIP40封裝有40個引腳，32個外部雙向并行I/O口線，2個外部中斷源，2個16位可編程的定時/計數器，2個全雙工串行通信口，支持在線編程。

2 光電檢測模塊的設計

2.1 光電傳感器的選擇

本設計采用光敏二極管作為前端太陽能電池板上的檢測傳感裝置，因其具有良好的光電特性和較高靈敏度，且具有良好的穩定性和輸出持續性。其符號和外形，如圖1所示。

光敏二極管的參數：

①Umax：最高工作電壓，無光照，其反向電流不超過0.1安培時，兩端所加的反向最高電壓值。

②Tr：響應時間，將光信號轉換為電信號所需的時間。

③IL：光電流，有光照時，其兩端加有正常反向工作電壓時的電流值。

④Sn：光電靈敏度，光敏二極管對光的敏感程度。

⑤ID：暗電流，無光照射時，光敏二極管兩端加有正常工作電壓時的反向電流。

主要型號與參數，如圖2所示。

根據上表，對價格、響應時間、靈敏度等參數進行綜合考量后，確定了本設計中光敏二極管的型號：

①2CU1E作為檢測晝夜的光敏元件。原因：響應時間短，光敏區大，易接收光線。

②2CU101D作為檢測陰晴的光敏元件。原因：靈敏度高，細微的光線變化也能檢測到

③3DU33作為晴天時檢測太陽光是否正射的光敏元件，原因光敏區大，感應電流大，響應時間短。

2.2 前端太陽能檢測裝置的設計

前端太陽能光線檢測裝置由五個光敏二極管的組成，外部套有頂部開孔的圓柱形罩子，如圖3 所示。

要想達到理想的檢測效果，則需對罩子上開孔的直徑、罩子的高度、內部光敏二極管的排列及間距等有嚴格的要求。照射的示意圖，如圖4所示。

為了達到良好的照射效果，圓柱體外罩上孔的直徑D應為光敏二極管3DU33（D0）的直徑5 mm。并處于其正上方。確保陽光直射時，完全照射到D0上。

同時必須注意的是：D0與D1、D2、D3、D4中任一個光敏二極管之間的距離不可以小于5 mm，各二極管之間的間距略大于光敏二極管的直徑便可，確保光線時刻都能照射到任一個光敏二極管，且只能照射到衛衣一個光敏二極管上。因此，本設計中將間距定為6 mm（二極管直徑為5 mm）。

我們設定每次檢測的間隔時間為15 min，直射D0開始， 15 min后，太陽偏移，光線經外罩中孔斜射入內，照射二極管。當太陽光斜射時，設斜射角度為β，則可計算出圓柱型外罩的高度。在下一次檢測到來之前，即15 min內，光線要從正射D0移動到照射D0不足直徑的一半，或能照射到D1＼D2＼D3＼D4中的任意一個的直徑一半以上。則陽光移動距離的L要大于或等于0.5倍光敏二極管的直徑，即>=2.5 mm，同時要小于或等于1.5倍光敏二極管直徑，再加二極管之間6mm的間距，即

故可得以下結論：L=Htanβ，（2.5≤L≤13.5）（1）

H=Lcotβ（2）

太陽24個小時旋轉360 °，每10 min移動的角度是一個定值。每小時15 °，則太陽15 min約為 4 °，可計算出：36 mm≤H ≤193 mm。本設計中取高度為40 mm。

2.3 光電檢測電路設計

光電檢測部分的電路主要有：晝夜檢測電路、陰晴檢測電路、晴天光線檢測電路。

2.3.1 晝夜檢測電路

晝夜檢測電路的作用是通過初檢判斷當前是白天還是黑夜，若為黑夜，則系統進入中斷，無需工作，切換為睡眠模。若為白天，則進一步進行陰晴檢測步驟。

工作原理：采用2CU1E型光敏二極管作為光敏元件，用其判斷白天黑夜。比較電路采用運算放大電路，該運放的輸出端接單片機P3.2上。運放的反相輸入端接固定電壓+5 V，運放的同相輸入端接2CU1E光敏二極管的正極，通過試驗確定R51=100 kΩ，R52=1 kΩ，R2=1 kΩ，R53=1 kΩ。晝夜檢測電路原理圖，如圖5所示。

2.3.2 陰晴檢測電路

本設計中采用兩種太陽能跟蹤方法：光電跟蹤法和角度跟蹤法。由于白天的太陽光線的強弱是不確定的，有陽光燦爛的晴天，也有陰云密布的陰天。有時陰天的太陽光線較弱，無法使光敏二極管導通，從而導致系統的光電檢測模塊失效，甚至是整個系統的混亂，此時采用角度跟蹤法更加合理。所以，在確定為白天之后，需要判斷的是否為晴天。電路圖，如圖6所示。

2.3.3 晴天時的光電檢測電路

該電路是本設計中實現太陽能光電跟蹤方式的核心電路。將五個3DU33型光敏二極管按照圖5安放在前端圓柱形太陽光接收裝置的底部。與接收陽光照射的電池表面平行，目的是保持統一的陽光入射角度。

此電路由D0-D4五個3DU33型光敏二極管、R0-R4五個定值電阻 、一個LM324芯片（封裝四個運算放大器U1-U3）構成。具體接線如下：5個3DU33型光敏二極管的負極共接電源；它們的正極分別與LM324芯片的輸入端相接：LM324芯片的4個同相輸入端均連接在D0的正極上，芯片的4個反相輸入端分別與剩余四個3DU33型光敏二極管D1-D4的正極相連接。構成了D0與D1、D2、D3、D4組成的四個相同的比較電路。LM324芯片的四個輸出端即四個運放的輸出端與單片機 AT89S51 P2.0-P2.3并行I/O口線相連接。因此，通過讀取P2.0-P2.3端口輸入電平的高低即可判斷出太陽光線入射的角度。電路圖，如圖7所示。

3 電機控制電路設計

在前篇所述的光電檢測電路中，光信號一步一步被轉化為單片機可識別的電信號，從而完成由單片AT89S51為內核的太陽能跟蹤系統的實現。本設計采用步進電動機來控制前端太陽能接收裝置的角度調整。而電機的轉動是通過AT89S51來控制的，通過對兩級 NPN三極管導通和截止的控制，進而實現對繼電器閉合或斷開的控制，從而達到控制電機的轉動目的。如圖8所示。

該電路的工作原理：當太陽光未正射前端接收裝置，通過前端的光電檢測電路，將電信號轉換為單片機AT89S51可以識別的電信號，假設D1受到光照，此時單片機的P2.0口線會輸入一個低電平。此時通過軟件控制系統的程序將P1.4口線清零，導致電機控制電路的第一個晶體管Q1截止，第二個晶體管Q2導通，于是繼電器閉和，電動機有電流而轉動，由此實現了單片機對電動機的控制。

4 時鐘電路設計

當光電檢測電路檢測到當前天氣為陰天時，軟件控制系統將轉變太陽能跟蹤方式，采用角度跟蹤方式，由于角度跟蹤方式是將當地當時的太陽角度參數的計算函數寫入，只需確定當前時間就可計算出確切數值。

本設計中采用DALLAS公司生產的DS1302串行實時時鐘芯片，與單片機相連，需要的串行時鐘SCLK、數據線I/O、復位線RST三根線。數據是以一次1-31個字節進行傳送的。如圖9所示。

5 結 語

基于AT89S51單片機的太陽能跟蹤系統，采用光電檢測追蹤與角度追蹤相結合的太陽能跟蹤方式，使用電機帶動雙軸實現360度無死角旋轉，能夠實現低成本、高精度、高穩定性的跟蹤效果。

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leveling PV output powerfluctuations of PV-diesel hybrid systems

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第7篇：光電跟蹤技術范文

關鍵詞： Monte Carlo法； 最壞情況法； 誤差分析； 跟蹤測量

引言

靶場光測設備是對彈道導彈、飛行器、衛星等武器設備進行精確觀測的有效工具，它通過角度測量和交誤差分析實施對空間目標精確定位以完成外彈道的觀測。測量中的各種誤差源直接決定定位精度[1，2]。但誤差并不是越小越好還要受到研制成本等多種因素的制約，同時各種誤差因素對光測系統而言，其重要性和影響方式有所不同，對各種誤差源進行精確分析對靶場光測設備有重要的實際意義。一方面在設計的初期研制過程中可以對設備測量不確定度有影響的各種因素進行嚴格的過程控制，同時對優化材料選用、設備制造等多種環節進行控制，以更低的研制成本更好地滿足用戶的使用要求[35]；另一方面通過對光測設備進行合理的布站以提高光測設備測量精度[6，7]。光測設備的精度模型和光測設備的布站是兩個相互聯系的問題，對光測設備的布站優化必須以精確的誤差模型為基礎，同時對光測設備的誤差分析也需要給出在一定布站方式下對特定目標軌跡的精度分析。

文中以光電經緯儀為例，對光電經緯儀建立了精確的VerilogA模型，并在此基礎上使用Monte Carlo法對光電經緯儀的各種誤差源的影響進行了詳細的統計學分析和研究，并針對彈道導彈不同的布站方式進行數值分布，給出能適應不同靶場地形的通用的布站優化方法。

1光電經緯儀的誤差模型

文中提出的誤差分析方法具有一定的通用性，使用通用的模擬系統建模語言VerilogA以對光電經緯儀建立數學模型，并在數學模型中對測量精度有影響的各種誤差源進行建模。VerilogA提供了層次化的模擬系統模型構架，可以一定的數學表達式在抽象的層次上對系統建模，以方便系統的分析設計和驗證。VerilogA支持直流、交流、瞬態、Monte Carlo法等多種分析方法。提供給用戶一定的設計參數，用戶使用VerilogA模型可以對設備的性能進行仿真分析進一步指導光測設備的應用。對各種光測設備建立通用的VerilogA模型具有非常重要的實際意義。光電經緯儀的VerilogA模型分為基本模型和誤差模型，如圖1所示。

2.1最壞情況法分析法

在最壞情況下假定所有的誤差源都取最大誤差，由于在實際情況下所有的誤差源不是同時取得最大誤差數值，因此最壞情況分析將得到較為悲觀的預測數值，但這種分析方法可以快速估計各單項誤差對系統誤差影響程度和影響方式，同時給出理論上最大誤差。使用此模型仿真了各單項誤差都取最大數值的最壞情況，誤差主要影響方位角A，而對俯仰角E影響較小。其中編碼器誤差直接加入到方位角和俯仰角誤差中，而傳感器誤差、照準差、橫軸差對系統誤差的影響相對較為復雜，可以通過掃描相關誤差參數計算出各誤差參數對系統性能的影響。

使用該模型仿真了因俯仰角變化而引起的傳感器誤差、軸系照準差和水平軸誤差A分量的變化曲線，如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著俯仰角的增加，三種誤差源快速增加，文獻表明照準差和水平軸誤差的δE分別與sec（E）和tan（E）成正比，而水平軸誤差與tan（E）與仿真結果相一致。同時可以看出在俯仰角較大時照準差對系統影響約為橫軸誤差的2倍。其中圖3（a）表示了不同誤差像素數目對系統誤差的影響，傳感器誤差將隨著誤差像素數目的提高而增加，誤差像素主要來自量化誤差、細分誤差和拖尾誤差。

2.2Monte Carlo法分析法

在實際情況下各個單項是以一定概率分布的形式出現的，誤差合成不是簡單的線性疊加關系，傳統的方法是基于統計學的t分布和χ2分布不確定度分析法，這種方法在處理測量誤差傳遞時是基于線性化近似模型，同時假設各種誤差源間是相互獨立的。由于光測設備本身是一個復雜的非線性系統，同時誤差源間也不是完全獨立的，因此決定了這種方法具有一定的局限性。Monte Carlo法是一種通用的誤差分析工具，它將設備的各項誤差源表達為一定概率分布函數的形式，以相同概率分布產生隨機數進行仿真計算，從而得到各種誤差對系統的影響。系統的輸出呈現出一定統計分布，通過使用MatLab統計學工具箱擬合的方法，可以得到系統輸出的準確的統計分布函數，并以一定的數字特征如期望和方差的形式來表達。Monte Carlo算法的準確度主要取決于采樣點的數目，可以通過合理的選用采樣點的數目以達到所需的計算精度。

4結論

對光電經緯儀建立了包含各種誤差源的準確的數學模型，使用此模型進行最壞情況分析和Monte Carlo法分析，分析了各種誤差源影響系統性能的程度和方式。進一步使用此模型對雙站異側布站情形進行了優化，分析表明針對沿x方向發射的彈道軌跡，飛行段x方向中部位置布站可以獲得最小測量誤差；布站z方向存在最優位置z*，此處y方向交匯測量誤差最小，當布站z向距離zz*時，x方向和z方向誤差隨z增加快速增加。提出的基于Monte Carlo法的布站優化可以進一步推廣到特定靶場地形的情況，對經緯儀總體設計及布站方式的選擇具有一定的理論指導意義。

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第8篇：光電跟蹤技術范文

關鍵詞： 光電傳感器； 光電開關； 匹配； 良品率

中圖分類號： TN214?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

光電傳感器廣泛應用于生產過程自動化、辦公自動化設備、醫療器械、光控玩具等行業，且不斷在一些新的研究領域中得以應用，如智能車自動尋跡系統、臨床醫學檢測、焊縫自動跟蹤系統、軍事裝備、能源利用系統等[1?5]。常用的光電傳感器有槽型光電傳感器（Transmissive Optical Sensor）、反射型光電傳感器（Reflective Optical Sensor）等[6]。槽型和反射型光電傳感器均由發光器件即發射器（Emitter）和光接收器件即接收器（Detector）組裝而成。槽型光電傳感器將發射器與接收器隔開一定距離安裝在外殼中，發射器發射的紅外或可見光通過外殼的槽縫到達接收器，用以檢測發射器與接收器之間是否有物體遮擋。反射型光電傳感器則將發射器與接收器按某一角度安裝在外殼中，用以檢測傳感器前是否有反射介質或反射介質的類型[7]。光電傳感器的基本特性包括輸出電流與接收器兩端電壓之間的關系曲線、輸出電流與發射器輸入電流之間的關系曲線、輸出電流隨溫度變化的關系曲線、脈沖響應特性曲線[8]等。盡管從工作原理上槽型和反射型光電傳感器都并不復雜，但要設計與制造一款滿足要求、性能穩定、可靠性好、成本合理的光電傳感器亦并非易事， 更何況有些應用場合對傳感器性能參數的要求十分苛刻。本文從設計與制造角度討論影響光電傳感器輸出電流的因素，并提出提高傳感器生產制造過程良品率的一些相應措施。

1 發射器與接收器的選取

光電傳感器的輸出電流ICON是光電傳感器一個十分關鍵的參數。對槽型光電傳感器而言，在給定條件下， ICON不僅與發射器輻射強度Ee、接收器集電極電流IC有關，還和發射器與接收器的距離以及發射器與接收器前槽縫的寬度有關。圖1為側面發光發射器與側面受光接收器之間距離改變時，發射器電流10 mA時測量得到的接收器集電極電流IC隨距離的變化曲線。距離越大，相同條件下接收器集電極電流IC就越小。而發射器與接收器前槽縫的寬度越大，相同條件下光電傳感器的輸出電流ICON就越大[9]。在槽型光電傳感器設計過程中，發射器輻射強度與接收器集電極電流應結合發射器與接收器之間的距離，以及槽縫寬度進行選取。

圖1 接收器集電極電流IC隨發射器與接收器之間距離的變化

對反射型光電傳感器而言，在給定條件下， ICON不僅與發射器輻射強度Ee、接收器集電極電流IC有關，還與傳感器與反射面之間的距離以及發射器與接收器之間的角度有關。在反射型光電傳感器設計過程中，發射器輻射強度與接收器集電極電流應結合傳感器與反射面之間的距離以及發射器與接收器之間的角度進行選取。

2 工藝與制造過程的影響

一般而言，高的發射器輻射強度Ee與高的接收器集電極電流IC裝配組成的光電傳感器， 其輸出電流ICON也較高； 反之亦然。但由于工藝、測試及制造過程中的變差，例外的情況也不少。圖2中的樣品6與樣品10，盡管兩者的發射器輻射強度Ee接近，樣品10的接收器集電極電流IC高于樣品6的IC，但樣品10的輸出電流ICON卻要低于樣品6的ICON； 樣品8與樣品13的發射器輻射強度Ee與接收器集電極電流IC都相近，但樣品8的輸出電流ICON卻高許多；同樣，樣品1與樣品5的發射器輻射強度Ee與接收器集電極電流IC都相近，但樣品5的輸出電流ICON卻要低很多。造成這種情況的影響因素有許多，主要包括塑料外殼注塑過程中引起的尺寸變差、傳感器組裝過程中引起的變差、發射器輻射強度在空間分布的變化以及測試過程中造成的誤差等。

（1）外殼尺寸變差。槽型和反射型光電傳感器絕大多數的外殼采用塑料外殼， 模具加工制造、注塑件的注塑以及冷卻過程都會引起同一尺寸在不同塑料外殼之間的變化，這包括槽型光電傳感器發射器與接收器前槽縫寬度的變化、外殼上用于安裝發射器與接收器部分之間距離的變化， 反射型光電傳感器發射器與接收器前孔尺寸的改變、外殼上用于安裝發射器與接收器部分之間角度的變化等。這些尺寸的變化將引起傳感器輸出電流的變化。

圖2 某反射型傳感器發射器Ee、接收器IC及其輸出電流ICON

（2）裝配過程中產生的變差。槽型和反射型光電傳感器中發射器、接收器與外殼間的裝配與固定需要通過一定的工藝來完成，如槽型光電傳感器，對一些外殼材料可通過熱壓的方式將發射器和接收器與外殼固定。在裝配過程中，對槽式光電傳感器，發射器透鏡的光軸并不能保證與接收器透鏡光軸在同一條線上，一些產品偏離設計要求小一些，而另一些則偏離大一些；同樣，對反射型光電傳感器，發射器透鏡的光軸與接收器透鏡光軸的交點也不可能都如設計所要求正好位于反射物的表面上，有些產品的交點靠前，而另一些則可能靠后一些。這些裝配過程中的變差也會引起傳感器輸出電流的變化。

（3）發射器輻射強度及其空間分布上的變化晶片位置對發射器輻射強度及在空間分布有影響[10]。在設計條件下，晶片位于發射器透鏡的中心線上。但在發射器的生產制造過程中，固晶（die?attach）和封膠（encapsulation）這兩道工序都可能使晶片偏離中心線，而封膠過程造成的偏離一般會更大。圖3為同一晶圓（wafer）不同批次（lot）發射器輻射強度的分布。由圖可見，批次1輻射強度在0.07～0.08 mW/10°范圍內發射器的比例為34.2%，而批次2 輻射強度在相同范圍內的比例為41.8%。由于發射器輻射強度的測試與發射器在光電傳感器中的使用條件一般并不相同，輻射強度在空間分布的變化有可能導致在相同條件下，裝配測試得到的高輻射強度發射器的光電傳感器，其輸出電流反而比裝配測試得到的低輻射強度發射器的光電傳感器低。另外，通常情況下用于填充反射杯和覆蓋晶片的硅膠的折射率與封膠用的環氧樹脂（epoxy）的折射率十分接近，故硅膠與環氧樹脂交界面的形狀對發射器的輻射強度分布的影響很小。但若兩者有一定差別，則交界面的形狀會對發射器的輻射強度分布產生影響，這種情況下控制點膠工序中所用硅膠的量相同或相近十分重要，以便使不同發射器硅膠與環氧樹脂交界面的形狀保持一致，避免由此引起發射器輻射強度在空間分布的變化。

圖3 同一晶圓不同批次發射器輻射強度的分布

（4）測試誤差。在發射器與接收器測試過程中，由于機臺、測試人員不同，會導致測試結果的變差。圖4為3位測試人員在同一機臺測試相同的三個接收器樣品得到的結果。由圖可見， 樣品2不同集電極電流測試值之間的最大差值甚至略高于0.5 mA。測試誤差與機臺的測量精度、測試過程中用于固定元件的夾具的精度等有關。

圖4 三個樣品不同測試人員的測試結果

3 提高產品良品率的措施

（1）合理確定光電傳感器輸出電流的范圍。根據應用場合的不同， 光電傳感器輸出電流的范圍有寬有窄。對輸出電流的范圍有較高要求的應用場合，需合理確定范圍，過高的要求會導致產品良品率的下降，導致成本增加。

（2）樣品應具代表性。在樣品制作階段，應從不同生產批次中抽取發射器和接收器來組裝傳感器樣品，從而在設計階段對一個批次中可用的發射器和接收器的比例有正確的估計，避免批量生產時良品率偏低。

（3）工藝與制造過程的控制。外殼尺寸的變化、裝配中發射器與接收器的固定、晶片位置的變化以及測試誤差都會導致傳感器輸出電流的變化，嚴格控制外殼注塑工藝過程、傳感器的裝配過程、發射器與接收器的制造過程，是提高傳感器良品率的必要條件。另外，發射器與接收器測試前都應采用標準元件對測試機臺進行校準。

（4）分等級匹配。若光電傳感器輸出電流的范圍要求比較窄，可考慮將同一批次的發射器或接收器按輻射強度或集電極電流分成兩至三個等級，高輻射強度發射器與低集電極電流接收器相匹配，或低輻射強度發射器與高集電極電流接收器相匹配，以提高同一批次中可用發射器和接收器的比例。在特定情況下，如外殼成本較高，甚至可考慮增加返工工序，替換不合格產品中的發射器或接收器，使其滿足對輸出電流的要求。

4 結 論

大多數應用場合對光電傳感器的輸出電流的范圍有一定要求，有些場合的要求還很苛刻，如何合理確定發射器的輻射強度與接收器的集電極電流，以及光電傳感器的其他一些設計參數，是光電傳感器設計與研發中的一個關鍵。同時，發射器與接收器制造過程中的一些變差、外殼注塑及裝配過程中的變差、測試誤差等都會影響光電傳感器的輸出，需要對這些工藝及制造過程進行嚴格控制。對輸出電流要求苛刻的光電傳感器，在制造過程中，還可考慮將接收器與發射器按輻射強度與集電極電流進行分等級匹配，以提高產品良品率。

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第9篇：光電跟蹤技術范文

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.

關鍵詞： 高速圖像處理；設計；FPGA；DSP

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

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）01-0197-03

0 引言

在阿富汗戰爭中，美軍作戰模式有了最典型的轉變，即在對方的防空系統很弱甚至不存在的情況下，美軍也采取了將低空攻擊轉變為中空和防區外實施精確武器攻擊的作戰模式。而這種轉變正是由于機載光電瞄準、導航系統，包括新型合成孔徑雷達等一系列數字電子、光電子設備的應用和不斷改進的結果。

在現代戰爭條件下，不但要求機載火控系統具有精度高，作用距離遠，而且要有在晝夜和惡劣天氣條件下工作的能力。實戰表明，機載光電目標搜索捕獲、識別和指示系統與其它傳感器如毫米波雷達、高精度導航等組合，就能滿足戰場要求。從20世紀70年代初開始，美、英、法、德等國的軍事航空部門就開始重視發展各種機載光電導航瞄準系統，這些光電系統有如：前視紅外系統（FLIR）、紅外搜索跟蹤系統、激光測距儀和激光目標指示系統、激光自動跟蹤系統，以及微光電視設備、CCD攝像機、可見光電視設備、光電平面顯示裝置等。這些機載光電導航和瞄準系統在上世紀的中東戰爭、海灣戰爭、科索沃戰爭等歷次局部戰爭中發揮了重要的作用，至今，這類光電設備已成為確保飛行員實施敵方“火力圈”外安全準確攻擊目標的必備裝備。

導航吊艙前視紅外裝置的設計由于視場大，掃描線多，空間分辨率高，造成系統的幀像素數特別大，每秒處理數據量也非常大，這樣給高速實時圖像處理系統的設計帶來了很大困難。

本文主要根據導航吊艙前視紅外裝置成像的特點，重點開展前視紅外裝置的核心部分圖像處理系統實時成像技術方面的研究。

1 系統設計

1.1 系統總體構建 本系統主要實現對前端波紅外探測器輸出的模擬圖像信號采集、模數轉換，實時圖像處理，輸出單幀像素為768*576 CCIR-656制式的全模擬電視信號進行顯示。為達到整個系統高速、實時性的要求，系統采用了DSP與FPGA相結合的設計思想，由FPGA實現SRAM A，B，C緩存存儲器映射在DSP的CE空間，實現協處理系統間的無縫接口。FPGA作為圖像數據采集單元，采集到的圖像數據預處理后傳給DSP；DSP部分為系統圖像處理系統的核心單元，決定著整個系統的性能；DSP完成處理任務后，將把結果返回給FPGA，FPGA將負責信息的顯示，提供人機交互，作為系統的視頻顯示單元。系統總體流程如圖1所示。

由于探測器輸出的模擬圖像信號通過四路A/D轉換器轉換為數字圖像信號，FPGA將負責該數字信號的采集。FPGA與DSP采用主從工作方式，DSP通過向FPGA寫入狀態來控制FPGA的工作，執行相應的功能。當采集到的有效的探測器信號，先經過非均勻性校正、亮度/對比度控制、盲元替換。經過處理的圖像數據被緩存在一片的SRAM A中，當存滿一場時觸發一次DSP讀中斷，通過DSP的EDMA傳輸方式將數據寫入DSP的片內L2的緩存區中。由DSP進行圖像顯示變換，把14bit的圖像數據變換成8bit的圖像數據，然后進行實時圖像增強等算法處理，來改善圖像質量。由于每幀中的兩場圖像數據相同，系統中只需處理一場的圖像數據。當DSP將一場圖像數據經過圖像處理算法處理結束后，觸發一次DSP寫中斷，通過DSP的EDMA傳輸方式將數據寫入FPGA的片外接的兩片SRAM B、C中緩存。由FPGA根據同步信號邏輯進行切換控制，將經過處理后的圖像數據，送入視頻編碼器數模視頻轉換，最后輸出CCIR-656制式兼容的全模擬電視信號。

1.2 系統硬件設計 整個硬件系統上劃分為DSP模塊和FPGA模塊，其中DSP和FPGA為核心器件。DSP模塊承擔系統管理和控制、圖像顯示變換、非均勻性校正的定標、盲元檢測、數字圖像增強處理等算法處理的功能，FPGA模塊承擔實時像素采集、圖像預處理、圖像數據輸入/輸出場緩存、視頻編碼器控制、異步串行通訊等功能。DSP模塊和FPGA模塊之間采用主從方式工作，DSP模塊為主模塊，控制整個系統的任務調度，控制圖像數據在DSP模塊和FPGA模塊之間的傳輸。系統進行完圖像處理后，按照CCIR-656制式全電視信號的時序要求，把圖像數據輸出給視頻編碼器，它內部包括視頻合成和D/A數模轉換器，然后輸出模擬全電視信號到電視監視器顯示。系統硬件框圖入圖2所示。

電路部分分為FPGA和DSP兩個大模塊，各自具有電路和外設器件，兩個模塊之間采用總線相連。

DSP模塊包括數字信號處理器，大容量動態存儲器，FLASH存儲器，JTAG調試接口，時鐘及復位電路和相應的電源電路等。

FPGA模塊包括Stratix可編程邏輯器件，輸入輸出幀緩沖存儲器，視頻編碼器，可編程邏輯器件的配置芯片及其配置接口，異步串行通訊，還有相應的電源及時鐘電路。Sratix系列可編程邏輯器件具有豐富的管腳資源，外部電路卻很簡潔，只需要相應的配置芯片就可以正常工作?？删幊踢壿嬓酒饕脕硖幚韺崟r視頻流，包括輸入和輸出，相應的圖像數據積累滿一場后中斷DSP來讀?。煌瑯拥?，DSP處理完一場數據后馬上產生中斷DSP刷新數據?？偣泊嬖谌齻€幀緩沖器，一個輸入緩沖及兩個輸出緩沖，分別由三片SRAM承擔。視頻D/A部分選用視頻編碼芯片，由FPGA產生全電視信號的同步及消隱信號進行控制。視頻編碼芯片的控制接口為I2C接口，該接口接至FPGA，由該芯片直接發出配置命令進行配置。FPGA編程產生標準的異步串口通訊控制模塊配合電平轉換芯片實現異步串口通訊，提高了系統的模塊化設計和多設備通訊的能力。

1.2.1 高速外部存儲器電路

1.2.1.1 外接FLASH存儲器 高速外部存儲器有兩個外部數據總線，一個寬度64bit的高速外部存儲器總線，一個寬度16bit的低速外部存儲器總線。

1.2.1.2 外接FPGA 高速外部存儲器總線EMIFA與FPGA中實現無縫連接，FPGA連接在CE1～CE3空間。在外部中斷4的觸發下，高速外部存儲器從CE1相應映射地址以高效的EDMA搬運數據的方式讀取緩存區 SRAM A的圖像數據。在外部中斷5的觸發下，高速外部存儲器從CE3相應映射地址也以高效的EDMA搬運數據的方式將視頻數據寫入緩存區SRAM B或SRAM C中。高速外部存儲器也可從CE2相應映射地址向FPGA的內部RAM寫入亮度/對比度等系數。

1.2.1.3 外接SDRAM 高速外部存儲器總線EMIFA另外擴展了2片SDRAM作為數據存儲器，連接在高速外部存儲器上EMIFA的CE0空間，提高了數據緩存速度和效率，2片并行組成64位數據總線。高速外部存儲器的SDRAM用來做DSP系統的內存，實現數據的備用緩存，以及圖像處理過程中間結果的緩存。

1.2.2 FPGA電路

1.2.2.1 外接配置器件 根據系統的需要，在FPGA的外部擴開展了FPGA配置器件EPC4，為了方便地實現對FPGA芯片的配置和調試，采用專用增強型配置器件EPC4。EPC4器件通過JTAG接口進行其配置，將其管腳PORSEL接地。通過配置器件EPC4，在每次上電啟動的時候配置FPGA，又可以通過EPC4的JTAG接口重新編程，在下次上電更新。

1.2.2.2 外接視頻編碼器 本系統采用的圖像顯示單元的視頻編碼器為ADV系列，該編碼器可以產生復合視頻信號、Y/C（S-Video）或者RGB（SCART）視頻信號，輸入是8或者16bit YcrCb數字流。支持很多視頻標準，包括NTSC-M，PAL-B，D，G，H，I，PAL-M，PAL-N，PAL-Nc。行同步HSYNC和場同步VSYNC可以配置為輸入（從模式）或者輸出（主模式）。BLANK是輸入，可以由外部控制。行和場消隱可以自動產生也可以由外部控制，芯片內部控制同步上升沿和下降沿。模擬亮度Y和色差C信號可以用于連接S-Video設備，復合模擬視頻輸出信號可以在兩路同時輸出，這樣就能夠一路輸出基帶復合視頻信號，另外一路驅動RF調制器。該編碼器還輸出模擬RGB信號，支持歐洲SCART/PeriTV就口。

1.2.2.3 外接異步存儲器 本系統FPGA外接了三片SRAM A，B，C。SRAM A作為前端數據輸入緩存，當寫滿一場數據量大小后，由FPGA產生讀中斷，DSP采用EDMA方式通過EMIFA口數據線讀取SRAM A中的數據。FPGA產生控制信號實現對SRAM A讀操作。SRAM B、C作為輸出視頻數據幀緩存，當DSP算法處理完后，達到一定數據量大小后，由FPGA產生寫中斷，DSP采用EMDA方式通過EMIFA口數據線乒乓寫入SRAMB、C中，FPGA產生控制信號實現對SRAM B、C寫操作。

1.2.3 圖像場存儲器切換 本系統采用三場存儲器切換的工作方式來保證圖像處理和視頻顯示的實時性，由于每幀圖像中兩場數據相同，因此只需處理一場圖像數據即可，具體處理方式如圖3所示。

2 圖像算法簡介

2.1 非均勻性校正算法 本系統在結合傳統的兩點非均勻校正算法的基礎上提出一種兩點加一點的校正算法。具體算法流程圖如圖4所示。

2.2 盲元檢測算法 對于掃描型紅外焦平面系統可以利用替代原理插值原理，相鄰行替代算法可以實現對系統盲元的補償。實現原理如圖5所示。

2.3 幀間濾波算法 由于前視紅外裝置圖像中不僅存在散粒噪聲，還存在縱條狀隨機頻率噪聲。采用幀內中值濾波算法改善了系統圖像質量，使系統圖像更加清晰。幀間濾波算法的流程如圖6所示。

2.4 圖像增強處理算法 紅外圖像的信噪比比較低，圖像增強處理包括圖像噪聲的消除和圖像細節的清晰化。直方圖均衡算法流程如圖7所示。

3 結束語

總結，本系統基于DSP+FPGA架構實現了該紅外圖像處理系統。系統采用TI公司的高速外部存儲器為核心處理芯片，輔以ALTERA公司的FPGA芯片來實現紅外探測器數據的前端采集、預處理以及處理結果的最終顯示，構成功能完備的一套嵌入式高性能處理系統。系統從探測器數據采集、處理到視頻顯示的整個過程分別由DSP與FPGA來協同承擔，充分考慮了它們各自優缺點，使系統在滿足實時性的同時，結構靈活，有較強的通用性，系統功能便于改進和擴展。

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