基于PSD的無人機瞄準精度檢測方法研究

魏立林， 高藝， 王忱， 李楷

（長春理工大學機電工程學院，長春130022）

0 引言

為了改善武器精確打擊的效果，瞄準檢測具有重要的意義，打得準不準，首先看瞄得是否精確。在有人機瞄準的訓練測試過程中，通常通過測試駕駛員把光點重疊在目標上的能力來評定駕駛員的瞄準技術水平。在技術說明上，所有瞄準要求都規定，在瞄準的過程中，駕駛員要盡量使瞄準具的中心點與目標相重合［1］。無人機作為攻擊型戰機使用時也是如此，自動瞄準時產生的誤差導致最終攻擊的誤差，所以進行無人機瞄準系統精度檢測的意義重大。且一般情況下攻擊型無人機搭載的精確制導導彈造價昂貴，無疑增加了戰爭的成本，也制約了平時無人機的試驗和訓練。所以，無人機搭載常規武器彈藥的研究具有很重要的意義，自動瞄準的精度問題便成為了關注的焦點［2］。針對無人機在戰場上的大量應用，為了進一步提高其在攻擊目標時的瞄準精度，改善作戰效能，本文提出了一種以PSD位置傳感器為檢測平臺的用來驗證無人機瞄準是否精確的方法，并針對該方法的理論進行了必要的推導，同時建立了相應的數學模型。

1 PSD作為檢測平臺的可行性推導

由于PSD在理想狀態下可以近似等效于RC網絡。則使用光束對PSD的光敏面進行照射，假定入射光斑的直徑足夠小，設定寬度為2Δ，當入射光照射在光敏面某處時，該處便會產生光生電流，可以將被激發產生的光生電流看做是在該位置處通入電流源I（x，t），這個電流源的強度主要由光斑的光照強度分布、光敏面接收光照的區域和照射光束的調制情況來決定［3］。iL和iR分別表示外圍電路從兩極輸出的電流，ZL和ZR分別表示從PSD兩極為起點進行觀察的等效阻抗，入射光將PSD的光敏面分為3個區域。即光斑左面的區域Ⅰ區、光斑右面的區域Ⅱ區和光斑所在的位置Ⅲ區。在Ⅲ區內選取無限小的微元Δx，規定其中的瞬態電勢為φ（x，t），瞬態電流為i（x，t），由基爾霍夫定理和歐姆定律的知識可以得到，瞬態電流i（x，t）在通過阻值為RXΔx的無限小微元時所引起的壓降［?φ（x，t）/?x］·Δx 可以用以下公式來計算：

由式（1）可以看出，若是正向電流流過將會是電勢隨著x的增加而逐漸減小。同理可以推算出電流的變化［?i（x，t）/?x］·Δx的關系表達式：

圖1 一維PSD的RC傳輸模型

同理于一維PSD等效RC模型建立時所用的方法，在坐標為（x，y）處，取一個邊長分別為Δx和Δy的矩形微元，可以建立以下的關系式：

圖2 入射光點作用時的二維PSD微元示意圖

整合式（6）和式（7）可得到二維PSD的橫向光電效應的基礎二階偏微分方程為

若照射PSD光敏面的入射光信號是正弦調制光信號，則將PSD等效為一個RC網絡時，當光斑的位置發生變化，光點位置到電極的等效阻抗和容抗的大小也發生相應的變化，導致PSD的電極輸出了不同相位延遲的調制信號，則可以確定相位是一種攜帶光斑位置信息的載體。

設置Rsh=10 MΩ，Rs=50 kΩ，C=27 pF，調制頻率ω從10k至70k取值，用MATLAB軟件進行模擬，并用模擬曲線來表示（如圖3）。

圖3 PSD兩電極輸出電流的相位差信息與光斑位置信息關系圖

可以發現兩個電極輸出電流的相位差信息與光斑位置信息存在著近似的線性關系，且隨著信號調制頻率ω的不斷增加，輸出電流的相位差對于光斑位置變量坐標的曲線斜率也相應增大，可以肯定地認為是由于靈敏度的提高導致這一現象，所以在實驗中想要提高位置檢測的靈敏度的時候便可以通過加大信號調制頻率的方法來實現［5］。且可以知道越接近PSD光敏面中心區域的位置，曲線的線性度越好，越是靠近PSD光敏面的邊緣區域，越呈現出明顯的非線性，主要是由于PSD的自身結構的問題，使負載阻抗對其檢測精度有一定的影響。

2 實驗系統的搭建

使用PSD作為檢測平臺來確定雙光斑的位置信息需要采用PSD相位法檢測，經兩種頻率的正弦調制信號調制后輸出的雙光束同時照射在PSD的光敏面上，PSD的左右電極輸出的電流信號將是這些正弦信號的諧波，再使用帶通濾波的方法將這兩路經過不同頻率調制的信號分離出來，并通過相關的鑒相方法，依據不同的相位信息而求出各光斑的位置信息的關系，進而實現了雙光斑的實時監測。系統的結構圖如圖4所示。

PSD的輸入信號為正弦光，該正弦光是由紅外發光二極管在波形發生器和紅外發光二極管驅動電路的同時作用下發出的，然后照射在PSD的光敏面上，PSD兩端電極便輸出了光生電流信號，該電流信號利用前置放大電路進行被測電流信號的放大，同時將光生電流信號轉化為電壓信號。但是根據實際情況而言，光敏面接收到的光信號中還有背景電流和噪聲的影響，電極輸出的電流信號就是這些外部信號和有用信號的疊加，需要將有用的正弦光信號提取出來。所以系統中應有帶通濾波器來完成背景電流信號和噪聲信號的去除。經過濾波后的信號通過過零比較器的更改，變為方波信號，同時將起初進行調制的正弦標準信號也通過過零比較器進行方波信號的轉化，成為對比用的參考信號。經過異或門處理電路將兩電極輸出的電流信號和參考信號進行比較，方波信號的占空比反映了相位差的變化。將方波信號送入低通濾波器進行方波信號的平均值運算，得到兩路直流信號。差分放大器將兩路直流信號做減法運算后進行信號放大，然后將這些模擬信號經過A/D轉換卡變成計算機能夠處理的數字信號，進行最終的位置信號處理。

圖4 基于PSD相位法的無人機瞄準精度檢測系統框圖

3 實驗數據處理

將兩個紅外發光二極管同時固定于實驗臺架上，通過不同頻率的驅動使兩個紅外發光二極管分別發出40kHz和80 kHz的光波，經過透鏡的匯聚同時照射在S1880型PSD的光敏面上。將反向偏置電壓外加在PSD的X方向的電極上，將Y方向的電極作為輸出信號端口，設置搭載PSD檢測裝置的微位移平臺進行運動，每運動5 mm進行數據記錄，往返4次，進行每個節點的平均值運算，得出電極的輸出電壓差，并根據輸出電壓差值與實際位移的線性方程進行計算，從而得到了由PSD檢測的兩束光斑的實時位置信息。如圖5～圖8所示。

圖5 雙光斑檢測中40 kHz光斑位置曲線

4 結論

使用PSD為檢測平臺來檢測無人機的瞄準精度，電路搭建較為簡單，且可以根據不同頻率的入射光來變換相應的信號處理電路，從而得到光斑的位置信息，該方法簡單有效，但在實驗中由于PSD自身特性的限制，使得在PSD光敏面邊緣檢測時造成較為明顯的誤差，而在中心區域則基本符合實驗要求，所以在檢測過程中應當盡量迫使檢測光斑入射在光敏面中心區域。

圖6 雙光斑檢測中40 kHz光斑實際位置和測量位置誤差曲線

圖7 雙光斑檢測中80 kHz光斑位置曲線

圖8 雙光斑檢測中80 kHz光斑實際位置與測量位置誤差曲線

［1］ 謝春茂.無人機系統產業發展及市場研究［J］.科技傳播,2013（11）：77-79.

［2］ 李屹東,李悅霖.察打一體無人機的特點與發展［J］.國際航空,2014（9）：24-27.

［3］ 黃梅珍.位置敏感探測器的研究［D］.杭州：浙江大學,2001.

［4］ 曾超.基于二維位置敏感探測器PSD的研究及應用［D］.杭州：浙江大學,2003.

［5］ 秦嵐,劉志輝.PSD相位法測量技術研究［J］.傳感技術學報,2009（5）：760-763.