四象限探测器光斑中心定位算法研究
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的应 用口 ］ ． 在 四象 限探测 器 系统 中 ， 影响 系统定 位
四象探 测器 利用 集 成 电路 光 刻技 术 ， 将 一 个 光敏 面窗 口分隔 成 ４个 面积相 等 、 形状 相 同 、 位置 对称 的区域 ， 每个 区域相 当 于一 个光 电器件 ， 理想 情况 下 ， ４个 区域具有 完全 相同 的性 能参 数．
的定位算 法 的基础 上 ， 提 出 了基 于椭 圆形 、 能量服
从 高斯分 布 的激 光光 斑 的 中心定 位 算法 ， 更 能反 映 出实 际光斑 的定位 情 况 ． 由于 ＭＳ Ｐ ４ ３ ０单 片机
wenku.baidu.com
处 理 能力 强 、 运行 速 度 快 、 开发 方便 等 优 点 ， 以其 作 为控 制器 自主设 计 信 号 处 理 系 统 ， 并与 Ｐ Ｃ机
中心 的偏 移量 ， 从 而对 目标 光斑 中心进行 定位．
１ ． ２ 常 用 算 法 及 比较
采用 四象 限探 测器 测 定 光 斑 的 中心 位 置 ， 可 根 据器件 坐标轴 线 与测量 系统基 准线 问安装 角度 的不 同 ， 采用不 同 的算 法进行 测量 ． 目标 光斑在 四 象 限上分 布计 算偏 差 有 多 种方 法 ， 比较典 型 的有
般假 设 目标光 斑 几何 形 状 对称 、 能量 分 布
均匀 ． 当其 位于探 测器 中心 时 ， 各个象 限 由于光辐
射量 相 同 ， 输 出相 等 的光 电流 ， 偏 差 为零 ． 当 目标 光斑 相对 探测 器 中心 产生 偏 移 ， ４个象 限 由 于光
辐 射量不 同而产 生 不 同 的光 电 流 ， 通 过 对 光 电 流 的偏 差 处 理 即可 算 出 目标 光 斑 相 对 四 象 限 探 测 器
摘要 ： 针对 激 光 光 斑 特 性 及 定 位 算 法 对 四象 限 探 测 器 定 位 系 统 精 度 影 响 较 大 的 问 题 ， 分 析 了激 光 光斑特性 、 四象 限探 测 器 定 位 理 论 及 常用 算 法 ， 研究 了 ５种 不 同 情 况 下 激 光 光 斑 中 心 定 位 算 法 ， 在 此基础上进行数值积分 ， 提 出基 于 椭 圆 形 、 能 量 服 从 高 斯 分 布 的 激 光 光 斑 的 中心 定 位 算 法 ， 并 利 用
（ ７ ）
０ 引
言
１ 光 斑 特 性及 定 位 算 法
四象 探测 器是一 类在定 位 系统 中应 用较 为广 泛 的非成 像探测 器件 ， 由于 其具有探 测灵 敏度 高 、
１ ． １ 四 象 限 探 测 器 工 作 原 理
信 号处理 简单 和抗 干扰能力 较强 等优 点 ， 在军 事 、 测绘、 天文 、 通信、 工程 测 量 等众 多 领域 都有 广 泛
一
精 度 的因素有 很 多 ， 目标 光 斑 的特 性 （ 尺寸、 形 状
和 能量分 布 ） 以及采 用 的定位 算 法 是 其 中 的 ２个 重 要 因素 ． 目前 对 定 位 算 法 的 研 究 仅 停 留在 理 想 情 况 下， 能量 均匀分 布 的圆形光 斑是最 为 常用 的模 型 ， 但 在实 际探测 环境 中 ， 由于受到震 动 、 分光 和反射 系统等 的影 响 ， 实 际 光斑 多 为 能量 高 斯 分布 的椭 圆形光 斑． 少 数文 献 中 提 到 的对 高斯 光 斑 的定 位 算 法 研 究 也 是 停 留 在 理 论 研 究 和 数 值 仿 真 阶 段＿ ４ Ｊ ． 本 文在研究 ５ 种 不 同情 况下 激光光 斑 中心
曲线 拟 合 的方 法 将 理 论 光斑 与 实 际光 斑 进 行 比 较 ． 通 过 设 计 的定 位 系 统 进 行 实 验 验 证 ， 证 明 了理 论 分 析 的正 确 性 ．
关键 词 ： 四 象 限探 测 系统 ； 光 斑特 性 ； 定位算法； 数 值 积分 ； 曲线 拟 合
中 图 法分 类号 ： Ｔ Ｎ２ ９ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５ — ３ ８ ４ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ５ １
Ｖ０ １ ． ３ ７ Ｎｏ ． ５
０ｃ ｔ ．２ Ｏｌ ３
四象 限探 测 器 光斑 中心 定位 算 法研 究
陈梦 苇¨ 杨 应 平¨ 贾信 庭” 冷 芬
（ 武 汉 理 工 大 学理 学 院” 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ０ ） （ 华 为 武汉 研 究 所 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４ ）
通 信 ］ ， 方 便进 行试 验验证 ．
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ６ ２ ４
和差算法 和对 角线 相减算 法［ ７ ］ ． 假设 光斑 上光 强
均 匀分 布 ， 此 时 四象 限探 测 系 统得 到 的 电 流信 号 与柬斑投 射在 光敏 面上 的面积 Ｓ （ ｉ —Ａ， Ｂ， Ｃ， Ｄ）
第 ３ ７卷 第 ５期 ２ ０ １ ３年 １ Ｏ月
武 汉理 工大学 学报 （ 交通科 学与工 程版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
（ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ０ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ）
陈梦苇（ Ｉ ９ ８ ８ 一） ： 女， 硕士 ， 主 要 研 究领 域 为光 电信 息 处 理 与检 测
第 ５期
陈梦苇 ， 等： 四象 限探 测器 光斑 中 心 定 位 算 法 研 究
・ １ １ ２ ５ ・
成正比， 设 比例 系数 为 Ｋ．
Ｉ— ｏ ｅ ｘ ｐ ［ 一２ （ ＋Ｙ ） ］ 为该 截面上 光 强 的峰值．
四象探 测器 利用 集 成 电路 光 刻技 术 ， 将 一 个 光敏 面窗 口分隔 成 ４个 面积相 等 、 形状 相 同 、 位置 对称 的区域 ， 每个 区域相 当 于一 个光 电器件 ， 理想 情况 下 ， ４个 区域具有 完全 相同 的性 能参 数．
的定位算 法 的基础 上 ， 提 出 了基 于椭 圆形 、 能量服
从 高斯分 布 的激 光光 斑 的 中心定 位 算法 ， 更 能反 映 出实 际光斑 的定位 情 况 ． 由于 ＭＳ Ｐ ４ ３ ０单 片机
wenku.baidu.com
处 理 能力 强 、 运行 速 度 快 、 开发 方便 等 优 点 ， 以其 作 为控 制器 自主设 计 信 号 处 理 系 统 ， 并与 Ｐ Ｃ机
中心 的偏 移量 ， 从 而对 目标 光斑 中心进行 定位．
１ ． ２ 常 用 算 法 及 比较
采用 四象 限探 测器 测 定 光 斑 的 中心 位 置 ， 可 根 据器件 坐标轴 线 与测量 系统基 准线 问安装 角度 的不 同 ， 采用不 同 的算 法进行 测量 ． 目标 光斑在 四 象 限上分 布计 算偏 差 有 多 种方 法 ， 比较典 型 的有
般假 设 目标光 斑 几何 形 状 对称 、 能量 分 布
均匀 ． 当其 位于探 测器 中心 时 ， 各个象 限 由于光辐
射量 相 同 ， 输 出相 等 的光 电流 ， 偏 差 为零 ． 当 目标 光斑 相对 探测 器 中心 产生 偏 移 ， ４个象 限 由 于光
辐 射量不 同而产 生 不 同 的光 电 流 ， 通 过 对 光 电 流 的偏 差 处 理 即可 算 出 目标 光 斑 相 对 四 象 限 探 测 器
摘要 ： 针对 激 光 光 斑 特 性 及 定 位 算 法 对 四象 限 探 测 器 定 位 系 统 精 度 影 响 较 大 的 问 题 ， 分 析 了激 光 光斑特性 、 四象 限探 测 器 定 位 理 论 及 常用 算 法 ， 研究 了 ５种 不 同 情 况 下 激 光 光 斑 中 心 定 位 算 法 ， 在 此基础上进行数值积分 ， 提 出基 于 椭 圆 形 、 能 量 服 从 高 斯 分 布 的 激 光 光 斑 的 中心 定 位 算 法 ， 并 利 用
（ ７ ）
０ 引
言
１ 光 斑 特 性及 定 位 算 法
四象 探测 器是一 类在定 位 系统 中应 用较 为广 泛 的非成 像探测 器件 ， 由于 其具有探 测灵 敏度 高 、
１ ． １ 四 象 限 探 测 器 工 作 原 理
信 号处理 简单 和抗 干扰能力 较强 等优 点 ， 在军 事 、 测绘、 天文 、 通信、 工程 测 量 等众 多 领域 都有 广 泛
一
精 度 的因素有 很 多 ， 目标 光 斑 的特 性 （ 尺寸、 形 状
和 能量分 布 ） 以及采 用 的定位 算 法 是 其 中 的 ２个 重 要 因素 ． 目前 对 定 位 算 法 的 研 究 仅 停 留在 理 想 情 况 下， 能量 均匀分 布 的圆形光 斑是最 为 常用 的模 型 ， 但 在实 际探测 环境 中 ， 由于受到震 动 、 分光 和反射 系统等 的影 响 ， 实 际 光斑 多 为 能量 高 斯 分布 的椭 圆形光 斑． 少 数文 献 中 提 到 的对 高斯 光 斑 的定 位 算 法 研 究 也 是 停 留 在 理 论 研 究 和 数 值 仿 真 阶 段＿ ４ Ｊ ． 本 文在研究 ５ 种 不 同情 况下 激光光 斑 中心
曲线 拟 合 的方 法 将 理 论 光斑 与 实 际光 斑 进 行 比 较 ． 通 过 设 计 的定 位 系 统 进 行 实 验 验 证 ， 证 明 了理 论 分 析 的正 确 性 ．
关键 词 ： 四 象 限探 测 系统 ； 光 斑特 性 ； 定位算法； 数 值 积分 ； 曲线 拟 合
中 图 法分 类号 ： Ｔ Ｎ２ ９ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５ — ３ ８ ４ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ５ １
Ｖ０ １ ． ３ ７ Ｎｏ ． ５
０ｃ ｔ ．２ Ｏｌ ３
四象 限探 测 器 光斑 中心 定位 算 法研 究
陈梦 苇¨ 杨 应 平¨ 贾信 庭” 冷 芬
（ 武 汉 理 工 大 学理 学 院” 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ０ ） （ 华 为 武汉 研 究 所 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４ ）
通 信 ］ ， 方 便进 行试 验验证 ．
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ６ ２ ４
和差算法 和对 角线 相减算 法［ ７ ］ ． 假设 光斑 上光 强
均 匀分 布 ， 此 时 四象 限探 测 系 统得 到 的 电 流信 号 与柬斑投 射在 光敏 面上 的面积 Ｓ （ ｉ —Ａ， Ｂ， Ｃ， Ｄ）
第 ３ ７卷 第 ５期 ２ ０ １ ３年 １ Ｏ月
武 汉理 工大学 学报 （ 交通科 学与工 程版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
（ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ０ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ）
陈梦苇（ Ｉ ９ ８ ８ 一） ： 女， 硕士 ， 主 要 研 究领 域 为光 电信 息 处 理 与检 测
第 ５期
陈梦苇 ， 等： 四象 限探 测器 光斑 中 心 定 位 算 法 研 究
・ １ １ ２ ５ ・
成正比， 设 比例 系数 为 Ｋ．
Ｉ— ｏ ｅ ｘ ｐ ［ 一２ （ ＋Ｙ ） ］ 为该 截面上 光 强 的峰值．