２０１１年４月 第４期 电子测试 ＥＬＥｃＴＲ０ｌ、ＩＩｃ ＴＥｓＴ Ａｐｒ．２０１１ Ｎｏ．４ 基于ＣＣＤ的动态光电测角仪的设计与实现 杨志丹 ，王缜 （１海装天津局北京１０００７６；２北京航天发射技术研究所北京１０００７６） 摘要：本文介绍的动态光电测角仪采用ＣＣＤ电子技术为核心，ＣＣＤ器件不但具有体积小、重量轻、功耗小等 优点，而且具有分辨率高、动态范围大、灵敏度高、实时传输快、自动扫描等方面的优越性。通过光、机、 电的有机结合实现被测设备方位角度的实时动态监测，解决了动态条件下高精度角度测量问题。本文从方案 原理到精度分析做了全面介绍。该产品性能稳定可靠，满足设计指标要求。 关键字：ＣＣＤ；动态；光电测角 中图分类号：ＴＮ２９ 文献标识码：Ｂ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｃｔｕａｌｉｚｉｎｇ ｏｆ ａ ｔｙｐｅ ｍｏｖｉｎｇ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ 一 一 ，一 一一 ｔｅｓｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＣＤ Ｙａｎｇ Ｚｈｉｄａｎ １Ｗａｎｇ Ｚｈｅｎ ，（Ｉ Ｎａｖｙ ｂｕｒｅａｕ Ｉｎ Ｔｉａｎｊｉｎ ｃｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００７６，Ｃｈｉｎａ；２ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ ｏｆＳｐａｃｅ Ｌａｕｎｃｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ａ ｔｙｐｅ ｍｏｖｉｎｇ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｅｓｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｖｅｒｙ ｃｏｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ＣＣＤ．ｔｈｅ ＣＣＤ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｖ ｓｍａＸｌ ｖｏｌｕｍｅ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇｈｔ，ｂｕｔ ａｌｓｏ １１ｉｈ ｇｄｉｓｉｔｎｇｕｉｓｈａｂｌｅ ｒａｉｔｏ，ｌａｒｇｅ ｍｏｖｉｎｇ ｓｃａｌｅ，ｓｅｎｓｉｉｔｖｅ，ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｓ，ａｕｔｏ—ｓｃａｎ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｎｄ ｍｏｖｉｎｇ ａｚｉａｍｕｔｈ ａｎｇｌｅ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎａｉｔｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃｓ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｔｔａｉｎａｂｌｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓａｔｉｓｆｙ ｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｔｓ ｏｆｐｌａｎ ｔａｒｇｅｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＣＤ；Ｍｏｖｉｎｇ；Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ；Ｍｅａｓｕｒｅ ａｎｇｌｅ ０引言 在海洋中测量，船舶上经常使用测量方位的监测设备， 该设备要实时监测目标的方位角度变化。大部分高精度的 监测设备是静态下的检测，而海洋测量是船舶在航行的动 态条件下监测，目前动态条ＷＦ角度监测的精度不高。本 文提出采用ＣＣＤ电子技术为核心，通过光、机、电的有 １设计方案及实现 １．１总体方案 本系统由两部分组成：测量部分和控制部分。如图１ 所示。 １．２结构原理 激光光源发出的光经分光镜一、调焦镜、分光镜二、 机结合实现方位角度的实时动态高精度测量。 ２口１１．４ Ｔｅｓｔ Ｔ０ｏ｜Ｓ＆Ｓｏｌｕｔｉｏｎ 电信息 微处理器 （显示、控制部分） 图１总体结构示意图 物镜至被测棱镜，其中一路光经过物镜、分光镜二至光 电耦合器（ＣＣＤ），另一路光经物镜、分光镜二、调焦镜、 分光镜一至目镜。被测棱镜与光轴之间的夹角０可在目 镜处观察该角度，同时通过ＣＣＤ进行光电转换，再经计 算机处理在显示器上显示该角度，精确到秒级。 该仪器涉及光学、机械和电子技术，实际产品结构复 杂。其结构原理如图２所示。 １平面反光镜 ４狭缝 ２物镜 ５光源 ３分光棱镜一 ６ ＣＣＤ 图３测角原理示意图 ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）又称为电荷耦合器件， １目镜 ２分划板 ６物镜 ７被测平面镜３分光棱镜～８光源 ４调焦镜 ５分光棱镜二 ９光源狭缝 １０ ＣＣＤ 是在半导体材料上精确刻度了光敏感像素，两两相邻的像 素具有相同的间距（就像一把直尺上的刻线）。每个像素 图２结构原理示意图 都是一个光电敏感部件，它能将接收的光能量转换成相应 的电荷并存贮。如图９所示的ＣＣＤ光敏面局部放大。在 １．３光电测角原理 该检测仪器的光源发出的光会聚在狭缝上，狭缝在 转移时钟的驱动下，ＣＣＤ按照像素的排列顺序依次输出每 个像素上存贮的电荷。ＣＣＤ具有光电转换、存贮和光电 物镜焦面上，经过分光棱镜一并通过物镜变成一束平行光。 扫描的功能。可以根据每个像素输出的信号，确定光斑在 如果平面反射镜法线与物镜主光轴平行，平行光经反光镜 原路返回会聚在物镜焦点Ｘ０处。此时采集ＣＣＤ的像素位 置，作为检测仪的电零位。当平面反光镜偏转一个角度Ａ 时，平行光返回后会聚在物镜焦面Ⅺ上。 根据光学原理，有下面关系式： Ｌ＝ｆ．鸣２Ａ （１） ＣＣＤ上的像素位置，再通过光能量积分确定光斑的中心位 置，进而解算出被测平面的转动角度。 １．４测角电路 测角电路电原理图如图４所示。 在Ａ角较小时可采用公式（２）： Ａ： Ｌ ２ｆ 式中：Ａ为反光镜偏转角；Ｌ＝ｌｘＬ—ｘ０ Ｉ Ｌ为光斑偏移量；ｆ为物镜焦距。 如果精确测量出此时光斑在ＣＣＤ上的位置Ｘｌ，就可 图４测角电路电原理图 以计算出偏移量Ｌ，从而根据公式计算出反光镜的偏转角Ａ， 实现测角功能，如图３所示。 通过配置ＣＰＵ的管脚，使ＴＩＰＷＭ输出如图５的场 同步信号，使Ｔ２ＰＷＭ输出如图４的主时钟信号，主时钟 巴 ２ｏ１１．４ 信号通过计数器５４ＨＣＴＩ６１四分频后，得到如图５的ＣＣＤ 时钟信号。Ａ／Ｄ时钟信号是通过５４ＨＣＴ１６１二分频后得到 的，与ＣＣＤ时钟严格同步。Ａ／Ｄ转换器设计成自动转换 模式，通过Ａ／Ｄ时钟触发，转换后的Ａ／Ｄ数据自动输出。 Ａ／Ｄ时钟和Ａ／Ｄ数据与ＣＣＤ驱动时钟对应关系见图５。 ｒ＿１ 厂＿１ ］ 禹ｉ禹ｊ鬲 鬲ｊ焉 Ｉ； ：； ： ： 王 ｒ＿］几 ｌ Ｉ Ｉ ｌ ｌ ｌ Ｉ Ｉ ｌ Ｉｌ Ｉ删嗍忡０忡９忡０ ｎＪ ｌ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ ｌ Ｉ Ｉ ｌ ｌ Ｉ ＩＩ｝ 唰 渊 Ｉ Ｉ ＩＩ ＩＩ￣１ ．８ ：’ｌｌｌ。ｌｌｌ’：：：。ｌｌｌ’ ’：。ｌｌｌ。： ｌｌ＿’ 。。。 图６初始化流程 １ ｎ几 几 ｎ ｎ ｎ ｎ ｎ ｎ几ｎ『－ 。‘ 。 。 。 ‘ ‘ 。。 。 。 ’ ‘ 。 。。 软件读数据时序 墓冠 丞暴基篮薹丞墓垂瑟蔻基蛊墓 壶 壶 图５时钟信号时序 １．５具体实现过程 硬件测角电路分析，ＣＣＤ测角的软件模块共两个：一 个是初始化模块；—个是读ＣＣＤ信号模块。 初始化模块涉及ＣＣＤ部分的流程图如图６所示。设 备开机或软件复位后，首先置ＩＯＰＣ７管脚低电平，使 ５４ＨＣＴ１６１计数器复位，即５４ＨＣＴ１６１所有输出管脚均为 低电平状态。其次，配置Ｔ１ＰＷＭ和Ｔ２ＰＷＭ管脚为输出 可编程脉宽调制管脚，并使二者同步输出，设置ＣＰＵ内部 计数器Ｔｌ、Ｔ２，使计数器周期和相位满足图５的要求。最后， 同时启动计数器Ｔ１、Ｔ２开始计数，并对应选通ＴＩＰＶ￣ 和Ｔ２ＰＷＭ的输出，给外部ＣＣＤ芯片提供驱动时钟。 图７读信号流程 读ＣＣＤ信号模块的流程图如图７所示。软件首先检 测场同步信号的下降沿，之后按照Ａ／Ｄ时钟的速率，以严 点讨论动态数据处理精度，它由船舶姿态信号采集时刻和 格的程序执行时间来读取Ａ／Ｄ转换的数据，像素计数器记 ＣＣＤ信号采集时刻的不同步误差、采样点积分误差、船舶 录对应于Ａ／Ｄ转换结果的ＣＣＤ像素位置。读ＣＣＤ信号 姿态信号采集时刻与测量信号发出时刻不同步误差组成。 模块实现的时序如图５所示。图中软件读数据时序（Ｄ０、 Ｄｌ、……，ｓｌ、ｓ２、……Ｓ１０２４）与ＣＣＤ信号输出是一一 ２．１动态数据处理精度 对应的。 ２．１．１动态数据时序关系处理误差 ２精度分析 船舶惯导信号输出及ＣＣＤ测角信号处理的时序关系 见图８。 通过光学基准传递、光电测量控制、动态数据合 图中： 成，然后传递给计算机，实现实时动态方位角度测量。因此， ｔ ：船舶姿态信号采集时刻到同步信号有效输出的间隔 精度主要由光传递精度、动态数据处理精度组成。这里重 时间，小于３００ｔｘ Ｓ；图中： ２ｏ’１．４ 船舶惯导信号周期船舶惯导信 １ ｌＯｍｓ ２．１．３ ＣＣＤ信号采集及处理误差 在ＣＣＤ的积分时间Ｔ内，载有被测信号的光点从 ｔ１ … Ｊｔ２ ●Ｌ ）（０运动到Ｘｌ＿，这两点的中点位置即是采样点，如图３所 示。在实际测量中，以在积分时间内光点扫过的线段中点 ’ Ｉ ＣＣＤ信号 对应的位移为采样点，它与积分时间中点对应的位移的差 ｔ３——：ｔ４： ｔ５ 值△Ｌ为信号采集处理误差。 若令Ａ＝ｋ．ｓｉｎ∞ｔ Ｌ＝Ａ（ｔ）Ｉｆ．唔（２ｋ．ｓｉｎ‘Ｉ）Ｉ） 畸 ■ —＋ （６） （７） （８） 图８惯导信号与ＣＣＤ信号时序关系 △Ｌ＝（Ａ（ｔｏ）＋Ａ（１１））／２一Ａ（（ｔｏ＋ｔ１）／２） ｔ２：船舶姿态信号在线路上的通信时间，通过通信波 特率和帧字节数可计算出通信时间，ｔ２＝６．８７５ｍｓ； ｔｚ：微处理器接收到船舶姿态同步信号，到检测到 ＣＣＤ场同步信号的间隔时间，不大于ＣＣＤ场时钟周期 （２ｍｓ）； 经推导有： △Ｌ≤（ｆｋ‘１）２Ｔ２）／（４ｃｏｓ２（２ｋ）） （９） 由于船舶、被测平面镜均是动态的，相对ＣＣＤ而言， ∞角速度是偏航角、横摇角、纵摇角及被测平面镜转动角 角速度的合成，其值不易确定。在实际工作中，往往通过 ｔ４：ＣＣＤ信号采集及处理时间，不大于２ｍｓ； 仿真确定误差范围，并通过实验验证。 本产品在偏航角幅值Ａ －－０．７。，周期Ｔ ＝８ｓ；横摇角 幅值ＡＲ＝３．５。，周期ＴＲ＝４Ｓ；纵摇角Ａｐ＝２。，Ｔｐ＝１０ｓ；被测 平面镜转动角幅值 ＝３。，周期 ＝＝３．５ｓ时，测得其信号采 集处理误差为１０．１２＂～１３．５１”。 ｔ５：被测平面镜偏差角计算及结果判断时间，不大于 ２ｍｓｏ ２．１．２船髓姿态信号采集时刻和ＣＣＤ信号采集时刻不 同步产生的最大计算误差 两个数据不同步时间为ｔ 与ｔ３之和，横摇最大角速 度１．５￣／ｓ，纵摇最大角速度１．０￣／ｓ，航向变化最大角速度Ｏ ／ｓ， ２．１．４船舶姿态信号采集时刻ｓ准直信号发出时刻不 同步产生的误差 两个数据不同步时间为ｔ 、ｔ２与ｔ５三者之和，若偏航 角最大角速度不大于０．４。／ｓ，则最大误差为： ０．４ｏ Ｘ（ｔ１＋ｔ２＋ｔ５）＝０．４ｏ Ｘ ｆ０．３＋６．８７５＋２）ｍｓ＝１３．２１” 最大横摇角４．５ｏ，最大纵摇角５． 。 ＣＣＤ实时测出被测平面镜法线与光管光轴的夹角（在 大地水平面投影） （ ），徽 辣 妫 自姿态角信息，计 算出船舶的摇摆对基准光线在水平方位Ｅ的偏差△Ｒ（ｆ），用 △尺（ｆ）对 （ｆ）进行修正，便得出被测平面镜法线与基准光 线的夹角ＡＣｘ（ｔ）： ａａ（ｔ）＝ｏ【（，）一△尺（ｆ） 测角偏差角ＡＲ修正算法： ２－２光传递误差 ＣＣＤ器件输出电信号受光敏面上的光能量即曝光量 的影响，因此与光敏面的照度有关，确定光斑在ＣＣＤ上 的几何中心是通过光敏面上光能量分布进行积分求出能量 （３） ＡＲ＝ｔｇ（Ｐ）×ＲＸｔ 为信号不同步时间。 （４） 中心在ＣＣＤ上的位置。如图９所示，光斑２、３在光敏 式中：Ｒ为船舶的横摇角速度；Ｐ为船舶的纵摇角；ｔ 面上的能量分布分别为４、５。光传递误差主要有两种情 况形成。一种情况是光斑切割等原因导致光能分布不均 匀，导致的误差，如图９中的４为正常情况下光能量分布， 船舶姿态信号采集时刻和ＣＣＤ信号采集时刻的不同 步，两个数据不同步时间为ｔ 与ｔ３两者之和，若横摇最大 ５为照度不均情况下的能量分布，△Ｘ为实际测量值与真 实光斑中心的误差。另一种情况是照度不匹配带来的误差， 即当照度过高导致曝光量超过饱和曝光量使描述的被测信 号发生畸变，或当照度过低导致曝光量低于ＣＣＤ灵敏阀 值使被测信号无法提取，导致小信号无输出引起的被测信 角速度１．５。／ｓ，最大纵摇角５．０。，产生的测角偏差角修正 △ 最大计算误差简化为： ｔｇ５ｏ×１．５Ｐ×（ｔｌ＋ｔ３）＝ｔｇ５￣×１．５Ｐ×２．３ｍｓ＝１．０９ （５） 巴 ２ｏ１１．４ １ ３ ＣＣＤ上位置（ｕｍ） ＣＣＤ上位置（ｕｍ） １ ＣＣＤ光敏面局部放大 ２照度均匀的光斑 ３照度不均的光斑 ４对应２的ＣＣＤ上光能分布 ５对应３的ＣＣＤ上光能分布 图９光能分布误差示意图 号发生畸变。 参考文献 本产品中通过增加光阑、磨毛光源出光玻璃和镀增透 膜等光学设计减少光的分布不均匀，并通过采用可调半导 ［１】王庆有．ＣＣＤ应用技术【Ｍ】．天津：天津大学出版社， 体激光光源和添加滤光镜等方法使曝光量控制在灵敏阈值 ２Ｏ０２． 和饱和曝光量之间。 【２】徐家骅．工程光学基础［Ｍ］．北京：机械工业出版社， 本测角仪误差计算公式： １９８８． Ａ＝ ２ 【３］杨志丹，张治杰．某光电检测仪典型问题的分析解决 ｆ１ｏ１ 【Ｊ】．宇航计测技术，２０１０（４）． 式中：△为总误差，盯ｉ为各误差项。 ［４】金宁，李力，曹红曲，明景谦．对光电系统中的光 经分析计算和试验检测△为３４＇ ４０＂。 学系统二次成像的分析计算［Ｊ】．红外技术，２００７（７）． 【５】石顺祥，刘继芳．光电子技术及其应用［Ｍ】．北 ３结束语 京：科学出版社，２０１０． 【６】刘淑英．电子技术与实践【Ｍ】．北京：机械工业出版 当海况在三级以下、被测物角度变化频率≤５Ｈｚ，本 社，２０１０． 文研制的动态测角仪测角总误差不大于４０”。该仪器具有 体积小、动态精度高、性能稳定可靠等特点，适用于船舶 作者简介： 等海上动态作业平台上进行实时角度测量。 杨志丹，工程师。主要研究方向为光电检测。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｎａｖｇｘｊｈ＠１ ２６．ｃｏｍ