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基于PSD的光点空间位置测量技术研究

作　者: 李兴达
导　师: 黄战华
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 位置敏感器件光点位置强背景双目视觉
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

位置测量在工业、军事、科研等领域应用广泛，光点的空间位置检测在非接触测量领域有重要的意义，本文针对目前光点空间位置测量方法的不足，结合实际测量需求和测量对象的特点设计了一种基于双PSD的光点空间位置测量系统。PSD以其响应速度快、信号处理电路相对简单、对光学系统和光源要求不高等优点被广泛应用于光电测量。该方法基于双目视觉，将光点分别成像在两个二维PSD上，利用PSD的快速响应特性捕捉到高速闪光信号，并将像点的位置以电流形式输出，配合后续的信号处理电路和控制电路对输出信号进行处理和计算，最后得到光点的空间位置。本文研究内容主要包括以下几个方面：1、进行了系统总体方案设计，达到了设计功能与技术指标。根据被测对象的特点提出了基于双目视觉的测量方案；2、完成了光电探测与信号处理单元的设计，实现空间光点位置信号的探测。选用二维PSD作为光电探测器并分析了PSD的特性，完成了光学系统参数计算和镜头选型，根据PSD输出信号的特点设计了信号预处理电路将微弱电流信号转换为电压信号；3、完成了系统控制单元与数据采集处理单元设计，实现整个采集过程的控制。设计了基于ARM和CPLD的嵌入式数字控制电路，完成了上位机和下位机软件编程，提出了在软件中减去背景信号获得有效信号并对其进行精确计算的数据处理方法；4、进行了多种环境下的探测实验，获得了比较满意的实验结果。设计了系统的机械结构并搭建了实验装置，在不同室外背景下进行了多次试验以验证减背景方法的正确性，在不同距离下测量了光点的空间位置并进行了数据分析，实验表明：减背景后的数据线性度和准确度明显提高，空间位置测量误差在±1.2%以内。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-17
  1.1 课题背景和意义  8-11
  1.2 PSD 的发展现状及应用实例  11-16
    1.2.1 PSD 的国内外发展现状  11-12
    1.2.2 PSD 的具体应用领域  12-15
    1.2.3 PSD 测量中去除背景的方法概述  15-16
  1.3 论文主要工作  16-17
第二章测量系统原理与方案设计  17-29
  2.1 测量系统的技术要求  17
  2.2 位置测量基本原理  17-19
  2.3 PSD 的工作原理及特点  19-27
    2.3.1 PSD 的构造及工作原理  19-22
    2.3.2 PSD 的种类及特点  22-23
    2.3.3 PSD 的性能指标  23-25
    2.3.4 使用环境对 PSD 性能的影响  25-27
  2.4 测量系统的总体方案设计  27-29
第三章光电探测单元设计  29-36
  3.1 光电探测器件的选取  29-30
  3.2 光学部分参数计算  30-32
  3.3 信号预处理电路设计  32-36
    3.3.1 电流转电压电路  32-34
    3.3.2 电压放大电路  34
    3.3.3 AD 转换电路  34-36
第四章系统控制单元设计  36-49
  4.1 ARM 控制单元设计  37-40
    4.1.1 ARM 部分功能介绍  37-38
    4.1.2 ARM 程序流程  38-39
    4.1.3 ARM 对 FLASH 的操作  39-40
  4.2 CPLD 数据转换和存取逻辑  40-45
    4.2.1 AD 转换和写 FIFO  41-43
    4.2.2 读 FIFO 和写 FLASH  43-44
    4.2.3 USB 读取 FLASH  44-45
  4.3 上位机软件设计  45-47
  4.4 数据传输单元  47-49
第五章实验与误差分析  49-67
  5.1 系统响应速度实验  49-50
  5.2 去背景算法及验证实验  50-56
    5.2.1 背景光对测量结果的影响分析  50-52
    5.2.2 验证实验  52-56
  5.3 光点位置测量实验  56-63
  5.4 鞭炮实验  63-64
  5.5 误差分析  64-67
第六章总结与展望  67-69
  6.1 总结  67
  6.2 展望  67-69
参考文献  69-72
发表论文和参加科研情况说明  72-73
致谢  73

基于PSD的光点空间位置测量技术研究

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