采用四象限探测器的智能跟踪定位算法

运 动 目 标 跟 踪 是 视 频 监 视 、导 弹 末 段 制 导 、车 辆 及飞机的辅助驾驶 等 领 域 的 关 键 技 术，对 跟 踪 精 度 与响应时 间 的 研 究 是 目 标 跟 踪 算 法 研 究 的 重 要 问
题［１－２］．运 动 目 标 的 跟 踪 算 法 通 常 有 基 于 运 动 模 型算 法［３］、基 于 区 域 辨 识 算 法［４］及 基 于 特 征 的 算 法 等 ［５］ ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｇａｉｎ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｆａｓｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ （ＧＡＦＴ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｉｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｑｕｉｃｋｌｙ ｌｏｃａｔｅ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏａｌ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｗｅａｋｅｒ ｓｉｇｎａｌ．Ｔｈｅ ＧＡＦＴ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｌｉｎ－ ｅａｒ ｃｈａｎｇｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｆｌａｒｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｉｎ ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ，Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｏｂｉｌｅ ｇｏａｌ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｃｈａｎｇｅ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｃｈａｎｇｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｃａｎ ｂｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｓｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｓ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｃｏｕｎｔｅｄ，ａｎｄ ｉｓ ｒｅｇａｒｄｅｄ ａｓ ａ ｔａｒｇｅｔ ｆｌａｒｅ ｓｉｇｎａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌａｒｅ ｓｉｇｎａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ｔｈｅｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｌｅａｒｎ－ ｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ，ａｎｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ｇａｉｎ ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｈｅｎ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｗｅａｋｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＧＡＦＴ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｏ ０．０４９７ｍｍ ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｇｏａｌ，ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｆｌａｒｅ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ｌｉｎｅａｒ ｉｎｔｅｒｖａｌｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ；ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｆｏｕｒ ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ
第 ４６ 卷 第 ４ 期
西 安 交 通 大 学 学 报
２０１２年４月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＸＩ′ＡＮ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
Ｖｏｌ．４６ Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１２
采用四象限探测器的智能跟踪定位算法
司 栋 森１，２ ， 李 增 智１ ， 王 晓 旭２
（１．西 安 交 通 大 学 电 子 与 信 息 工 程 学 院 ，７１００４９，西 安 ；２．西 安 电 子 科 技 大 学 计 算 机 学 院 ，７１００７１，西 安 ）
阳光跟踪定位方法主要有：光敏电阻法［６］、光 伏 电池法［７］和四 象 限 探 测 器 法 几 ［８－９］ 种．前 ２ 种 方 法 存 在 ２ 个 问 题 ：一 是 感 光 范 围 有 限 ，大 于 一 定 的 照 度 时 会 饱 和 ，低 于 一 定 照 度 时 则 没 响 应 ；另 一 个 问 题 是 该 元 件 输 出 特 性 的 线 性 度 较 差 ，不 适 合 测 量 连 续 量 ． 采 用 四 象 限 探 测 器 的 方 法 使 用 定 位 传 感 器 （ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ＰＳＤ）来检测目标的位置．ＰＳＤ 利 用 半 导 体 光 伏 效 应 原 理 ，具 有 很 高 的 检 测 精 度 ，分 辨 率可以达到１μｍ，响 应 时 间 ０．８μｓ，可 用 于 设 计 高 精 度 、自 适 应 的 快 速 智 能 定 位 系 统 ，应 用 于 需 要 精 密 定位的激光 准 直、测 角、自 动 跟 踪 等 精 密 测 量 系 统 中．文献［８－９］中采用 了 ＰＳＤ 器 件，但 是 没 有 考 虑 集 光信号强度变化对 测 量 精 度 的 影 响，当 控 制 系 统 背 景环境出现变化或 者 在 信 号 较 弱 的 情 况 下，会 使 检 测信号的精度 变 差，导 致 系 统 跟 踪 精 度 下 降．本 文 提 出 了 一 种 增 益 可 调 的 快 速 跟 踪 定 位 （ｇａｉｎ ａｄｊｕｓｔａ－ ｂｌｅ ｆａｓｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ，ＧＡＦＴ）算法，改进了计算模 型，实 现了对目标的快速定位以及在弱信号情况下的高精 度跟踪．
假定光斑的中心相对于探测器中心在 ｘ 和ｙ 方向的偏移量分别为 Δｘ 和 Δｙ，当 激 光 光 斑 中 心 对 准 探 测 器 时 ，圆 形 光 斑 中 心 与 四 象 限 探 测 器 的 中 心 重合，即 Δｘ＝Δｙ＝０（如 图 １ａ），这 时 ＳⅠ ＝ＳⅡ ＝ ＳⅢ ＝ＳⅣ ，即４个象限中的光斑面积相同，所对应的４
摘要：为了提高 跟 踪 定 位 系 统 的 跟 踪 精 度 与 响 应 速 度，提 出 了 一 种 增 益 可 调 的 快 速 跟 踪 定 位 （ＧＡＦＴ）算法，以实现对目标的快速 定 位 及 在 信 号 较 弱 时 的 精 确 定 位．该 算 法 首 先 根 据 目 标 在 四 象限探测器上光斑成像的大小、位置与输出信号间的关系，确 定 光 斑 在 探 测 器 上 的 线 性 变 化 区 间， 并 在 此 区 间 上 得 到 光 斑 移 动 与 信 号 变 化 的 对 应 关 系 ，再 实 时 采 集 光 斑 在 ４ 个 象 限 上 的 信 号 之 和 ，作 为 目 标 光 斑 信 号 强 度 ，然 后 计 算 光 斑 信 号 强 度 的 变 化 率 ，采 用 自 适 应 学 习 的 方 法 得 到 信 号 强 度 的 变 化趋势，根据该趋势对信号 增 益 进 行 动 态 调 整，从 而 提 高 信 号 的 分 辨 率 和 跟 踪 精 度．实 验 数 据 表 明，ＧＡＦＴ 算法在线性工作区间中通过 改 变 光 斑 半 径 及 调 整 光 斑 的 信 号 强 度 等 措 施 ，可 以 将 跟 踪 精 度 提 高 到 ０．０４９ ７ ｍｍ． 关 键 词 ： 智 能 ；跟 踪 ；四 象 限 探 测 器 ；定 位 中 图 分 类 号 ：ＴＰ２１１．６ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０２５３－９８７Ｘ（２０１２）０４－００１３－０５
因此激光光斑中心的偏移距离可表示为
Δｘ
＝ｋＳＳＩＩ
＋ＳＩＶ －ＳＩＩ ＋ＳＩＩ ＋ＳＩＩＩ
－ＳＩＩＩ ＋ＳＩＶ
＝
ｋＶＩ ＋ＶＩＶ －ＶＩＩ －ＶＩＩＩ ＶＩ ＋ＶＩＩ ＋ＶＩＩＩ ＋ＶＩＶ
（１）
Δｙ
＝ｋＳＳＩＩ
＋ＳＩＩ ＋ＳＩＩ
－ＳＩＩＩ ＋ＳＩＩＩ
－ＳＩＶ ＋ＳＩＶ
＝
ｋＶＩ ＋ＶＩＩ －ＶＩＩＩ －ＶＩＶ ＶＩ ＋ＶＩＩ ＋ＶＩＩＩ ＋ＶＩＶ
个象限产生的阻抗电流相等，即 ＩⅠ ＝ＩⅡ ＝ＩⅢ ＝ＩⅣ ， 各个象限 产 生 的 转 换 电 压 也 相 等，即 ＶⅠ ＝ＶⅡ ＝ ＶⅢ ＝ＶⅣ ．
当激光光斑中心偏离探测器中心时（如 图 １ｂ）， 光斑的偏移 将 改 变 光 斑 在 ４ 个 象 限 上 的 投 影 面 积 Ｓｉ，光斑的偏移量 Δｘ 和 Δｙ 与光斑在４ 个 象 限 上 的 投影面积差成正比，即 与 探 测 器 ４ 个 象 限 的 输 出 电 流差成正比．由 于 电 流 经 过 放 大 电 路 转 换 成 电 压，
１ 智能跟踪定位系统算法设计
ＰＳＤ 四象限探测器 是 一 种 光 电 探 测 器，其 感 光 面按照ｘ、ｙ 轴被分为 ４ 个 部 分，等 同 于 直 角 坐 标 系 中 的４ 个 象 限 ［１０］．当 激 光 束 成 像 于 探 测 器 的 光 敏 面 上 时 ，形 成 一 个 光 斑 ，如 图 １ 所 示 ．光 斑 在 探 测 器 的 ４个 象 限 中 被 分 成 ４ 个 部 分，面 积 分 别 表 示 为 ＳⅠ 、 ＳⅡ 、ＳⅢ 、ＳⅣ ，这４ 块 光 斑 在 探 测 器 表 面 分 别 产 生 的 阻抗电流为ＩⅠ 、ＩⅡ 、ＩⅢ 、ＩⅣ ，此时Ｉｉ 与Ｓｉ（ｉ∈Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ）的面积成正 比，因 此 可 以 根 据 电 流 的 大 小 计 算出光斑在坐标系中的位置．
（２）
式中：ＶⅠ 、ＶⅡ 、ＶⅢ 、ＶⅣ 为 四 象 限 探 测 器 各 象 限 输 出
的光电流信号转换 成 的 电 压 信 号；ｋ 是 一 个 可 调 节
系 数 ，用 于 将 式 （１）、式 （２）结 果 转 换 成 光 斑 距 离 中 心
的偏移距离．
当光斑在四象限探测 器 上 移 动 时，Δｘ、Δｙ 的 变
化曲线如图２所示．当 激 光 光 斑 的 中 心 处 在 ｘ 轴 的
Ａ 点时，光斑没有照在探测器上，ｘ 轴上的输出电压
Ｖｘ＝０；当光斑的中心 处 在 ｘ 轴 的 ＡＢ 段 时，光 斑 面
积逐步变大，Ｖｘ 值 逐 步 变 大；当 光 斑 的 中 心 到 达 Ｂ
点时，光斑面 积 最 大，Ｖｘ 等 于 负 最 大 值；在 ＢＣ 段，
（ａ）光斑与探测器 （ｂ）光斑与探测器
中心重合
中心偏离
收 稿日期：２０１１－０７－０１． 作者简介：司栋森（１９６３－），男，博士生，西安电子科技大学计算机学院副教授；李增智（通信作者），
男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ． 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （６０６７３１７０，６０８０３１６２）．
网 络 出 版 时 间 ：２０１２－０２－２９
网 络 出 版 地 址 ：ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／６１．１０６９．Ｔ．２０１２０２２９．１４４２．００１．ｈｔｍｌ
ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｊｄｘｂ．ｃｎ ｈｔｔｐ：∥ｚｋｘｂ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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西 安 交 通 大 学 学 报 第４６卷
Ａｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｕｓｉｎｇ Ｆｏｕｒ－Ｑｕａｄｒａｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ
ＳＩ Ｄｏｎｇｓｅｎ１，２，ＬＩ Ｚｅｎｇｚｈｉ １， ＷＡＮＧ Ｘｉａｏｘｕ２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ′ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉｄｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ ７１００７１，Ｃｈｉｎａ）
光斑在Ⅱ、Ⅲ象限的面积不变，Ｖｘ 等 于 负 最 大；当 光
斑的中心点处在 ＣＤ 段时，光斑逐步从 Ⅱ、Ⅲ 象限进
Байду номын сангаас
入Ⅰ、Ⅳ象限，Ｖｘ 值从负最大变化 到 正 最 大；光 斑 在
ＤＥ、ＥＦ 段同样依 此 变 化．同 理，也 可 得 到 光 斑 在 ｙ
轴上相同的变化曲线．
在图２中，当光斑在 ＣＤ 区间移动时，输出信号