光電跟蹤技術(shù)精選(九篇)

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第1篇：光電跟蹤技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；最大功率點跟蹤；占空比；改進(jìn)模式搜索算法

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

由于太陽能具有取之不盡、分布廣泛的特性，所以光伏發(fā)電技術(shù)在新能源領(lǐng)域脫穎而出，為了能夠?qū)崿F(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出功率的最大化，需要對光伏陣列的最大功率點進(jìn)行跟蹤。目前有很多算法可以確定系統(tǒng)的最大功率點[1-3]，如查表法、曲線擬合技術(shù)、開路電壓法、短路電流法、擾動觀測法、電導(dǎo)增量法等。查表法和曲線擬合技術(shù)需要很大的數(shù)據(jù)存儲空間；開路電壓法和短路電流法不適合工作條件發(fā)生變化的場合；擾動觀測法會在最大功率點附近產(chǎn)生振蕩；電導(dǎo)增量法實現(xiàn)過程比較復(fù)雜。然而盡管恒壓法能夠?qū)崿F(xiàn)MPPT的基本功能并在光伏發(fā)電現(xiàn)場得以廣泛應(yīng)用，但在使用過程中無法引入外界條件參量的變化情況，難以實現(xiàn)MPPT的高精度搜索功能。模式搜索算法[4，5]具有很強的細(xì)搜索能力，因此將改進(jìn)的模式搜索算法與恒壓法結(jié)合用于最大功率實時精確跟蹤。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏陣列、MPPT功率級、控制器、負(fù)載幾部分[6]，而最大功率點跟蹤主要由MPPT功率級和控制器來控制，對此本文首先建立功率級輸入端的模型[7， 8]，然后應(yīng)用改進(jìn)的PSA算法優(yōu)化控制器使其精確改變占空比，實現(xiàn)最大功率點的穩(wěn)定跟蹤。

1 光伏組件模型及最大功率點控制

光伏組件功率級輸入端即光伏組件的輸出主要是產(chǎn)生的電流信號和電壓信號，設(shè)在參考條件下，構(gòu)建考慮太陽輻射變化和溫度影響時的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池陣列數(shù)學(xué)模型如下式：

（1）

式中，U為光伏電池陣列電壓，I為對應(yīng)的輸出電流，，，

，，

，；Sref為太陽輻射參考值，取1 kW/m2；Tref為溫度參考值，取25℃；Isc為短路電流，Uoc為開路電壓，Im、Um分別為最大功率點電流和電壓，為電流隨溫度變化系數(shù)，為電壓隨溫度變化系數(shù)，以上參數(shù)都在Sref、Tref條件下獲取；Rs為光伏模塊串聯(lián)電阻；S為總太陽輻射，Tc為太陽電池溫度，Ta為環(huán)境溫度，tc為電池模塊溫度系數(shù)。

當(dāng)負(fù)載電阻和內(nèi)阻相等時會產(chǎn)生最大的輸出功率。由于光伏陣列產(chǎn)生的功率會隨太陽輻照度和溫度變化而變化，因此參數(shù)的變化也會引起光伏電池的輸出特性變化，可根據(jù)輸出特性實時調(diào)整負(fù)載，使其與光伏陣列內(nèi)阻相匹配，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。

2 仿真實驗與分析

2.1 光伏電池功率曲線特性

實驗采用的太陽能電池板在光輻射度為1 000 W/m2，溫度為25℃的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的基本參數(shù)為：Im=5.5 A、Um=36.3 V、Uoc=43.5 V、Isc=5.85 A?；贛atlab/SimuLink工具箱構(gòu)建的光伏電池仿真模型如圖1所示。

由圖2（a）可知，最大功率點處電壓受光輻射度影響較小，電流值隨著光輻射度的增加而增大；由圖2（b）可知，最大功率點處電壓隨著溫度的升高而降低，電流值受溫度影響較小。

2.2 MPPT功率級和控制器

MPPT算法的主要組成部分包括系統(tǒng)的功率級和控制器，功率級為DC-DC變換器的主電路[9， 10]，通過調(diào)整IGBT的導(dǎo)通時間和輔助電路完成升降壓功能；控制器主要用于產(chǎn)生控制IGBT通斷的PWM控制信號，與功率級共同作用，調(diào)整負(fù)載與光伏陣列內(nèi)部阻值動態(tài)匹配，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。MPPT控制算法實現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3中，改進(jìn)的PSA算法和恒定電壓法均包含于控制器部分[11]，改進(jìn)的PSA算法根據(jù)外界環(huán)境變化實時計算出最大功率點處電壓Umax作為恒定電壓法的參考電壓，從而改善了經(jīng)典恒壓法使用固定電壓值導(dǎo)致其忽略外部環(huán)境不足的問題，可大大提高最大功率點跟蹤的精確性。

2.3 改進(jìn)的PSA算法

為實現(xiàn)當(dāng)外界環(huán)境變化時，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)ψ畲蠊β庶c進(jìn)行精確跟蹤，避免傳統(tǒng)跟蹤方法的缺點，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出效率，本文提出了基于改進(jìn)的PSA算法的最大功率點跟蹤方法。其流程圖如圖4所示。其中，搜索分段數(shù)=10，電壓間隔=Uoc/，初始步長=/4，初始電壓值U（1）=[， 3， …， Uoc-]T，初始點xi=Ui（1），方向因子=[1，-1]，速度因子c1=2，終止條件=10-3，c2=2，k=1，全局比較因子=/100。

2.4 優(yōu)化控制輸出

將改進(jìn)的模式搜索算法實時計算得出的最大功率點處的電壓替換恒壓控制法實現(xiàn)最大功率點跟蹤時的固定電壓值，并構(gòu)建其整體的仿真模型。其具體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于改進(jìn)PSA的MPPT仿真模型

按照實際原型參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，為驗證跟蹤的效果，當(dāng)系統(tǒng)從溫度25℃、光輻射度從1 000 W/m2變化為800 W/m2時，其仿真結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，該系統(tǒng)在光輻射度變化的條件下能夠快速做出調(diào)節(jié)，使其工作在最大功率點附近，且穩(wěn)定性較好，改善了傳統(tǒng)恒壓方法無法對系統(tǒng)進(jìn)行及時調(diào)整，使其工作至最大功率點的現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

為了實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點的準(zhǔn)確跟蹤，本文結(jié)合經(jīng)典的恒壓控制法提出了基于改進(jìn)PSA算法的光伏最大功率點跟蹤方法，對光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤中功率級輸入端特性曲線和MPPT控制算法進(jìn)行了深入分析，通過比較可知：

（1）最大功率點處電壓、電流值可隨光輻射度和溫度的變化而變化；

（2）可以通過外界環(huán)境變化實時計算出參考電壓，改善經(jīng)典恒壓法，進(jìn)而提高最大功率點跟蹤的精確性；

（3）該系統(tǒng)在光輻射度變化的條件下能夠快速調(diào)節(jié)，始終工作在最大功率點附近，穩(wěn)定性較好。

參考文獻(xiàn)

[1]趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：北京科學(xué)出版社，2005.

[2]熊遠(yuǎn)生，俞立，徐建明.固定電壓法結(jié)合擾動觀察法在光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制中應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備，2009，29（6）：85-88.

[3]Al-Sumait JS， Al-Othman AK， Sykulski JK. Application of pattern search method to power system valve-point economic load dispatch[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems， 2007， 29（10）： 720-730.

[4]Salas V， Olias E， Barrado A， et al. Review of the maximum power point tracking algorithms for stand-alone photovoltaic systems[J].Solar energy materials and solar cells， 2006， 90（11）： 1555-1578.

[5]黎靜華，韋化.基于模式搜索算法的電力系統(tǒng)機組組合問題[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（6）：121-128.

[6]吳理博，趙爭鳴，劉建政.用于太陽能照明系統(tǒng)的智能控制器[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，43（9）：1195-1198.

[7]Fermia N， Granozio D， Petrone G， et al. Predictive & adaptive MPPT perturb and observe method[J]. Aerospace and Electronic Systems， IEEE Transactions on， 2007， 43（3）： 934-950.

[8]衛(wèi)東，樓洪，肖昌允.太陽能光伏輸出特性最大功率點計算與模型參數(shù)求解[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33（10）：121-127.

[9]Vaz AIF， Vicente LN. A particle swarm pattern search method for bound constrained global optimization[J]. Journal of Global Optimization， 2007， 39（2）： 197-219.

第2篇：光電跟蹤技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：星載平臺；跟蹤精度；跟蹤誤差；穩(wěn)定跟蹤

中圖分類號：TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1703403

Analysis for Tracking Accuracy of a Space-borne Electro-optical Tracking System

LIAO Sha,CHAI Jinguang,WANG Xuhui

(Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai,200083,China)

Abstract：In accordance with the particularity of space-borne environment and design demand of tracking system,tracking accuracy of space-borne tracking electro-optical tracking system is analyzed qualitatively and expatiated.On the basis of theoretical analysis of these,in the paper,tracking accuracy of a tracking system project is analyzed quantificationally,and an applicable method of improving system tracking accuracy is given.Finally,experimentation proves that stabilized tracking technology mentioned above meet the requirement of the system tracking accuracy target.

Keywords：space-borne；tracking accuracy；tracking error；stabilized tracking

跟蹤精度作為系統(tǒng)重要性能之一能夠最直接地反映系統(tǒng)總體跟蹤性能。影響星載光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度的主要因素有衛(wèi)星的振動、攝動及旋轉(zhuǎn)、星載系統(tǒng)工作狀態(tài)、機械結(jié)構(gòu)及參照系誤差、軌道預(yù)測誤差和背景光噪聲等。其中，參照系采取星載坐標(biāo)系，其誤差由實際工作情況決定。軌道預(yù)測誤差由探測識別系統(tǒng)等星載前續(xù)系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)決定。背景光噪聲影響主要來自太陽、懸浮粒子、塵埃及能對光產(chǎn)生反射和散射的星體等［1-3］。由于系統(tǒng)的工作狀態(tài)及自身對跟蹤精度都有影響，所以在工程應(yīng)用中，需要根據(jù)實際情況分析影響跟蹤精度的主要因素，并有針對性地提出提高系統(tǒng)跟蹤精度的方法，滿足系統(tǒng)指標(biāo)的要求。

1 星載光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度

1.1 星載光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤誤差的主要來源

對星載光電跟蹤系統(tǒng)來說，從光電探測器開始敏感外界信號到伺服控制器收到脫靶量信息要有一定的延遲時間，其中包括探測器的積分延遲、信號處理延遲和通訊傳輸延遲等。在探測系統(tǒng)中，由于圖像處理器與主控制器之間，主控制器與伺服控制系統(tǒng)之間均通過總線進(jìn)行信息傳輸，這都增加了伺服控制器收到脫靶量的延遲時間。長延遲的存在對跟蹤系統(tǒng)的帶寬、跟蹤精度等造成嚴(yán)重的影響。因此，分析跟蹤誤差的主要來源，建立星載光電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定跟蹤技術(shù)對于提高系統(tǒng)的跟蹤性能有著重要的意義。

第3篇：光電跟蹤技術(shù)范文

對于整體設(shè)計思路，首先要搞清楚需要什么樣的要求，要達(dá)到哪些功能，再來選擇設(shè)備。

首先，要求功能教室要達(dá)到教學(xué)過程可視化，教學(xué)過程全程錄播數(shù)字化。

第二，此教室還應(yīng)適應(yīng)高中的一切文化科目的教學(xué)要求，任何文化科目都用得上。特別是英語語言教學(xué)上雙向?qū)υ捯螅虼?，有必要安裝模擬語音教學(xué)設(shè)備和數(shù)字語音教學(xué)系統(tǒng)。

第三，此教室應(yīng)有適用現(xiàn)代教學(xué)要求的多媒體教學(xué)系統(tǒng)。

因此，在要求上要實現(xiàn)三大功能：1）錄播功能；2）語言教學(xué)功能；3）多媒體教學(xué)功能。設(shè)施包括多鏡頭分區(qū)多畫面切換自動跟蹤錄播系統(tǒng)、語音教學(xué)系統(tǒng)和多媒體電化教學(xué)系統(tǒng)三大設(shè)施功能組合為一體的現(xiàn)代化數(shù)字化教學(xué)系統(tǒng)。而在這三大系統(tǒng)中，各個系統(tǒng)在應(yīng)用上又要求有一定的獨立性和組合性，分則各為一體，合則為一系統(tǒng)組合，因此對設(shè)備有較高的要求。

全自動錄播跟蹤系統(tǒng)，是這套系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個單項系統(tǒng)，涉及較多設(shè)備和模式。目前市場上的錄播跟蹤系統(tǒng)基本上有3種控制原理：超聲波跟蹤切換技術(shù)、紅外跟蹤技術(shù)和圖像識別分析技術(shù)。三者各有利弊。

1）超聲波技術(shù)是通過超聲波控制。其中教師跟蹤要求教師配戴無線麥克風(fēng)，通過語音激勵，使攝像機跟蹤教師來實現(xiàn)。對于講臺區(qū)域的跟蹤攝像是多機位分區(qū)，就是在教室后面安裝多個固定攝像機，在黑板下沿安裝超聲波感應(yīng)頭，實際上是一種超聲波收發(fā)器，有效作用距離在0.5～1米之間可調(diào)。當(dāng)教師靠近黑板時，相應(yīng)位置的超聲波感應(yīng)頭檢測到人體，立即觸發(fā)相對應(yīng)的攝像機拍攝畫面，未檢測到人體的其他板書攝像機則處于封閉狀態(tài)；當(dāng)教師進(jìn)入另一區(qū)域時，相對應(yīng)的攝像機就會拍攝教師（如圖1所示）。這種攝像定位精確，畫面清晰不抖動。

2）紅外跟蹤技術(shù)是通過紅外線控制的，其基本設(shè)備是紅外發(fā)射源和紅外接收裝置。通過紅外信號的變化，指使系統(tǒng)作出判斷，然后發(fā)出指令，令攝像機跟蹤定位，進(jìn)行跟蹤攝像。

3）圖像識別分析跟蹤技術(shù)。圖像識別是人工智能的一個重要領(lǐng)域。識別某個圖像，必須在過去的經(jīng)驗中有這個圖像的記憶模式。識別圖像時，這個圖像與記憶相似或匹配，則這個圖像被識別。依靠計算機的專門軟件對攝像機捕獲的人像進(jìn)行分析處理，將其設(shè)定為跟蹤對象，使其始終處于拍攝范圍內(nèi)，實現(xiàn)人像的自動跟蹤。這是當(dāng)前技術(shù)含量較高的跟蹤技術(shù)，現(xiàn)在國際上的一些大公司都在努力研究圖像識別分析技術(shù)。圖像識別分析技術(shù)是解決自動跟蹤的終極方案。

針對幾種技術(shù)流派，各有其應(yīng)用的場所主導(dǎo)方向。目前圖像識別技術(shù)在自動錄播跟蹤的應(yīng)用上還有很多技術(shù)難關(guān)未解決好。超聲波技術(shù)主要應(yīng)用于大學(xué)課堂教學(xué)，紅外技術(shù)近幾年應(yīng)用于中學(xué)課堂有所興起。中學(xué)課堂教學(xué)模式與大學(xué)有明顯的不同：大學(xué)課堂以教師講授為主，師生互動較少，在互動這一塊不必過于強化；而中小學(xué)課堂師生互動量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大學(xué)課堂，學(xué)段越低，互動越多。所以為適應(yīng)高中要求，在開始選型上選擇了紅外跟蹤技術(shù)。

紅外跟蹤技術(shù)又有兩個流派：一種是點對點被動紅外跟蹤技術(shù)（如圖2所示）；一種是主動紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤技術(shù)。這兩種技術(shù)中關(guān)鍵的區(qū)別就是目標(biāo)定位上的差距。

點對點被動紅外跟蹤技術(shù)是在教師身上配戴的無線話筒上安裝一個紅外發(fā)生器，發(fā)生器不停地發(fā)出紅外信號；高速球攝像機上有一個紅外接收裝置，不停地接收教師紅外發(fā)生器的信號而控制教師攝像機，隨時跟蹤教師活動情況。在黑板上、下方各安有紅外傳感裝置，教師板書時切斷紅外信號，系統(tǒng)將信號傳給板書攝像機，拍攝教師板書情況?；蛘呤墙處熗ㄟ^手動按扭來控制板書攝像機拍攝板書畫面。

學(xué)生跟蹤是通過在學(xué)生座位上安裝一個光電感應(yīng)器，當(dāng)學(xué)生坐好時，借用學(xué)生身體遮擋住光電感應(yīng)器的感光孔，光電信號就不會發(fā)出；當(dāng)學(xué)生站起來回答問題時，人離開座椅，感光孔就有光線進(jìn)入而產(chǎn)生光電信號發(fā)射出去，光電信號接收裝置就收到信號而判定此光電信號發(fā)生點有一位學(xué)生站起來回答問題，隨后指令學(xué)生攝像機對此學(xué)生進(jìn)行跟蹤攝像；當(dāng)學(xué)生回答完畢坐下時，光電感應(yīng)孔被遮擋住而沒有信號產(chǎn)生，因此，學(xué)生攝像機就不再跟蹤此學(xué)生，而自動切換到教師。通過兩種點對點跟蹤來完成對教師和學(xué)生的跟蹤切換。

這種技術(shù)的優(yōu)點是跟蹤定位準(zhǔn)確，由于教師身上配戴了無線咪，因此后臺攝像時錄音效果相當(dāng)好；由于學(xué)生每個椅子上都有光電感應(yīng)器，只要學(xué)生站起來回答問題，學(xué)生攝像機就會馬上跟蹤，所以定位精確度很高。

但也有缺點：

其一，教師跟蹤后錄制下來的畫面，整幅畫面都在不停地變動。中學(xué)教師上課不是靜止不動的，他一動，攝像畫面也動，因此作為可視化教學(xué)資源時，打開視頻錄相，視頻畫面在不停地晃動，人眼瀏覽視頻幾分鐘后就會感到頭暈而不想繼續(xù)觀看。如果教師走動稍快或轉(zhuǎn)身，就會出現(xiàn)跟蹤丟失。

其二，學(xué)生跟蹤是通過光電感應(yīng)而發(fā)生的。學(xué)生坐在椅子上時，臀部不一定恰好遮住光電感應(yīng)器，一旦產(chǎn)生漏光現(xiàn)象，光電感應(yīng)器就會發(fā)出信號，指使學(xué)生攝像機跟蹤此學(xué)生，而此學(xué)生此時并未回答問題，是不需要跟蹤、不需要特寫的，因而可能產(chǎn)生較多的垃圾鏡頭。

主動紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤原理是借助于紅外發(fā)生器和紅外感應(yīng)帶將整個教室建立一個三維空間網(wǎng)格坐標(biāo)系，來將教室內(nèi)每個點進(jìn)行網(wǎng)格坐標(biāo)定位。不論教師、學(xué)生在任何一點站立，都會改變某一區(qū)域網(wǎng)格內(nèi)紅外信號，系統(tǒng)就會收到信號令攝像機自動跟蹤（如圖3所示）。這種空間網(wǎng)格定位最大的優(yōu)點就是關(guān)鍵的定位設(shè)備是安裝在教室四周墻壁上和天花板上的，因此，教師和學(xué)生都無需配戴任何設(shè)備，完全等同于普通教室的常態(tài)化教學(xué)，教師、學(xué)生都很自然。

當(dāng)教師在講臺區(qū)域時，教師通過改變講臺區(qū)域的紅外網(wǎng)格內(nèi)的紅外信號而獲得教師定位信號，教師攝像機就自動跟蹤教師的一舉一動。當(dāng)教師走下講臺進(jìn)入學(xué)生區(qū)域時，由于教師的進(jìn)入而改變了學(xué)生區(qū)域某網(wǎng)格紅外信號，因此攝像機就會跟蹤教師。當(dāng)學(xué)生站起來回答問題時，學(xué)生身體高度的改變觸發(fā)了學(xué)生所在的某一網(wǎng)格紅外探測信號，攝像機就會自動跟蹤學(xué)生；當(dāng)學(xué)生回答完畢坐下時，系統(tǒng)認(rèn)為此時紅外信號恢復(fù)原值，就認(rèn)為沒有學(xué)生回答問題，自動調(diào)整到教師畫面。通過這種原理來實現(xiàn)教師與學(xué)生的互動教學(xué)過程（如圖4所示）。

空間網(wǎng)格技術(shù)將整個教室空間三維網(wǎng)格化，無論是教師還是學(xué)生，系統(tǒng)都可以準(zhǔn)確地感知目標(biāo)的空間位置，實現(xiàn)跟蹤“無盲區(qū)”。教師不再限制在講臺上，無需配戴任何設(shè)備，學(xué)生不再需要按話筒開關(guān)或按扭，無論教師走到教室的哪個位置，無論學(xué)在哪個位置起立回答問題，只要空間網(wǎng)格中某個紅外接收信號有所改變，系統(tǒng)都可以準(zhǔn)確地感知。配合合理的策略，可以輕松解決師生互動。此設(shè)施最大的優(yōu)點是教學(xué)常態(tài)化，不因系統(tǒng)錄像而做些其他的任何動作要求。最大的缺點是對講臺區(qū)域的教師跟蹤時同樣會產(chǎn)生視頻畫面的晃動，且板書跟蹤解決得不大完美；跟蹤時對教室環(huán)境要求較高，受光線、衣服材料、溫度等干擾。

而超聲波技術(shù)卻有著其自身的優(yōu)點，將教室講臺通過分區(qū)來實現(xiàn)對講臺區(qū)域教師的跟蹤。就是在教室的后面安有3～4個固定攝像頭，將講臺分為幾個區(qū)，每一個攝像頭覆蓋一個區(qū)域，當(dāng)教師進(jìn)入此區(qū)域時，此區(qū)域?qū)?yīng)的一個攝像頭就會攝像，而在此區(qū)域內(nèi)教師的動作幅度無論多大，錄制視頻的畫面都不會晃動，視覺效果很好。當(dāng)教師由某一區(qū)域進(jìn)入另一區(qū)域時，另一區(qū)域的攝像頭就跟蹤教師在此區(qū)域的一切動作，而且區(qū)域之間的切換很自然，雖有一定的跳躍性，但鏡頭不晃動。當(dāng)教師板書時，可對板書內(nèi)容進(jìn)行特寫放大，符合視頻教學(xué)要求。

學(xué)生定位是通過按扭操作來完成，每兩個學(xué)生共同使用一個遙控設(shè)備或話筒。當(dāng)學(xué)生發(fā)言時，學(xué)生按一下“開始發(fā)言”按鍵，鏡頭會自動切換給學(xué)生；結(jié)束發(fā)言時，按“結(jié)束發(fā)言”，圖像會切回到教師。整個系統(tǒng)由于學(xué)生區(qū)域有很多話筒，聲音效果很好。

由于講臺區(qū)域分區(qū)位跟蹤，跟蹤時畫面不會晃動，因此，超聲波技術(shù)有紅外技術(shù)難以企及的優(yōu)點。

當(dāng)然，也有其缺點。

一是學(xué)生區(qū)域話筒過多。如果學(xué)生因好奇亂按話筒，或?qū)W生打開話筒而忘記關(guān)閉話筒，可能會將雜音放大或產(chǎn)生垃圾鏡頭。學(xué)生回答問題時，必須按一下課桌上的話筒按扭，將信號發(fā)給系統(tǒng)，此時攝像機才會對回答問題的學(xué)生進(jìn)行特寫攝像跟蹤，否則可能只有學(xué)生的聲音而沒有學(xué)生的圖像。這不是常態(tài)教學(xué)。因此，應(yīng)用前提是教師很熟練，學(xué)生很自覺，習(xí)慣很好。正是由于這種原因，更多地適用于大學(xué)的課堂教學(xué)，特別是講座型的教學(xué)模式。

二是超聲波產(chǎn)品長時間使用，對人體健康是否有害，學(xué)術(shù)界對此也一直爭論不休。

綜合超聲波技術(shù)、點對點被動紅外技術(shù)、主動紅外空間網(wǎng)格定位技術(shù)和圖像識別分析技術(shù)的優(yōu)缺點，根據(jù)高中教學(xué)的針對性和適用性，提出了自己的目標(biāo)方案，就是將超聲波技術(shù)講臺分區(qū)的優(yōu)點應(yīng)用于紅外技術(shù)中，提出多機位分區(qū)多畫面切換全自動紅外跟蹤錄播系統(tǒng)方案?；谶@種技術(shù)要求，要求講臺區(qū)域分為3個區(qū)域（分區(qū)越多，視頻畫面越晃；分區(qū)越少，鏡頭覆蓋面越大，人像越小）。教師、學(xué)生要求教學(xué)常態(tài)化，不需要配戴或在坐椅上安裝任何設(shè)備。實現(xiàn)這種方案的技術(shù)原理是主動紅外+空間網(wǎng)格定位跟蹤，目前能較好地解決中學(xué)課堂教學(xué)中教師、學(xué)生圖像跟蹤問題。當(dāng)然這種技術(shù)也存在設(shè)備成本較高，室內(nèi)裝修要求較高，教師板書特寫跟蹤不大理想等不足，錄播跟蹤技術(shù)還有待進(jìn)一步完善。

在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)空間網(wǎng)格對教師板書畫面的拍攝不大滿意。為此，針對高中教學(xué)要求，提出一種新的技術(shù)解決方案，有待專家研究，有待廠家研發(fā)。這就是在主動紅外+空間網(wǎng)格基礎(chǔ)上，在黑板的上沿、下沿安裝紅外裝置，在黑板區(qū)域建立一個紅外平面場，當(dāng)教師板書時觸發(fā)紅外場，使板書攝像機進(jìn)行板書特寫，這樣就可實現(xiàn)教師分區(qū)跟蹤、學(xué)生跟蹤、板書特寫，再加上電腦課件幾種信號整合的優(yōu)良效果。因此，筆者期待的解決方案是主動紅外+空間網(wǎng)格+板書紅外三合一的紅外錄播跟蹤系統(tǒng)，如圖5所示。

參考文獻(xiàn)

[1]圖像識別原理及技巧[EB/OL].http：///.

第4篇：光電跟蹤技術(shù)范文

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)17-4250-02

The Range of Photoelectric Theodolite Target Intersection Measurement Analysis

LI Yang

(Chinese People’s Liberation Army 91245 Armed Forces, Changchun 130033, China)

Abstract: This paper based on theodolite and two theodolites intersection measuring principle, points out the intersection calculation, expounds the two photoelectric theodolite intersection measurement results and analysis of the error.

Key words: the principle of photoelectric theodolite;intersection measuring result; error analysis

隨著數(shù)字視頻技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，動態(tài)目標(biāo)跟蹤是軍事以及民用等很多多領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，也成了人們研究的重要課題。雷達(dá)系統(tǒng)和光電系統(tǒng)是我國目前靶場常用的測試系統(tǒng)，也通常采用兩種系統(tǒng)協(xié)同測量模式。光電系統(tǒng)中光電經(jīng)緯儀是我國靶場中獲取外彈道跟蹤數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)的重要測量工具。為了獲取目標(biāo)在靶場中的3維坐標(biāo)，實現(xiàn)目標(biāo)位置的精確定位，通常用到多臺經(jīng)緯儀交匯測量的方式。

1經(jīng)緯儀的工作原理

在測量工作中，經(jīng)緯儀是經(jīng)常被用到的測角儀器。經(jīng)緯儀由望遠(yuǎn)鏡、水準(zhǔn)器、水平度盤、豎直度盤和基座五部分組成。經(jīng)緯儀由很多種，按讀數(shù)設(shè)備可分為光學(xué)經(jīng)緯儀和游標(biāo)經(jīng)緯儀；按精度分為精密經(jīng)緯儀和普通經(jīng)緯儀；按軸系構(gòu)造分為復(fù)測經(jīng)緯儀和方向經(jīng)緯儀。測量時，經(jīng)緯儀被安裝在三腳架上，用垂球或光學(xué)對點器將儀器中心對準(zhǔn)地面測站點上，望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)測量目標(biāo)，水準(zhǔn)器將一起定平，從水平度盤和豎直讀盤上可以讀出水平角和豎直角的度數(shù)。當(dāng)跟蹤目標(biāo)高速運動時，是來不及測出它的水平角和豎直角的，這時候就需要用到將攝影機和經(jīng)緯儀結(jié)合起來的一種攝影經(jīng)緯儀。

2兩臺經(jīng)緯儀交匯測量原理及計算公式

2.1兩臺經(jīng)緯儀交匯測量原理

如圖1中，O1和O2分別為兩臺經(jīng)緯儀的原點，假設(shè)發(fā)射坐標(biāo)系為(O；x,y,z),M為運動目標(biāo)在空中的瞬時位置。

圖1經(jīng)緯儀和目標(biāo)點在發(fā)射坐標(biāo)系下的位置

如圖2中，我們把兩臺經(jīng)緯儀O1和O2和目標(biāo)點M在發(fā)射坐標(biāo)系Oxz平面上做投影。其中，O1和O2分別為O1和O2在Oxz平面上做投影；XO1, YO1，ZO1，XO2, YO2，ZO2分別為兩臺經(jīng)緯儀原點在發(fā)射坐標(biāo)系中的坐標(biāo);x1,y1,z1，x2，y2，z2為目標(biāo)M在測站坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；Al，A2，El，E2為兩臺經(jīng)緯儀測得目標(biāo)M在本站坐標(biāo)系中的方位角和俯仰角。

3光電經(jīng)緯儀交匯測量結(jié)果及誤差分析

4結(jié)束語

光電經(jīng)緯儀是在現(xiàn)代靶場測量中廣泛應(yīng)用的一種測量儀器，但是光電經(jīng)緯儀在跟蹤飛行目標(biāo)的過程中，會因各種原因產(chǎn)生測角誤差，影響彈道的測量精度。通過對靶場光電經(jīng)緯儀目標(biāo)交匯測量的研究和分析，從而得到確完整的彈道測試數(shù)據(jù)和外推數(shù)據(jù)，提高彈道數(shù)據(jù)獲取的精度，是非常有意義的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張玲霞,馬彩文,劉軼,陳明.靶場光電經(jīng)緯儀多臺交會測量的融合處理及其仿真分析[J].光子學(xué)報,2002(12).

[2]趙曉萌,劉李楠.一種基于最小均方誤差準(zhǔn)則的多臺光電經(jīng)緯儀測量融合方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(11).

第5篇：光電跟蹤技術(shù)范文

關(guān)鍵詞： 光敏器件； PWM波； PID閉環(huán)控制； MSP430單片機； 光電跟蹤

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0143?03

光電跟蹤系統(tǒng)是以光電器件（主要是激光器和光電探測器）為基石，將光學(xué)技術(shù)、電子/微電子技術(shù)和精密機械技術(shù)等融為一體，形成具有特定跟蹤功能的裝置。目前國內(nèi)外較先進(jìn) 的光電跟蹤系統(tǒng)多以激光測距儀、電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀三位一體為核心構(gòu)成。采用機械方法實現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)控制起來還不太靈敏。對于一個光電追蹤系統(tǒng)，一般通過目標(biāo)識別、位置信號檢測、位置信號處理、PID伺服控制計算、驅(qū)動控制、位置反饋、目標(biāo)不間斷跟蹤，完成特定跟蹤任務(wù)[1]。而與之配套的目標(biāo)識別檢測處理與PID伺服控制實現(xiàn)是非常重要的部分，是保證整個系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。

為更好地實現(xiàn)精確的跟蹤伺服系統(tǒng)，本設(shè)計中使用MSP430單片機完成對目標(biāo)定位跟蹤的PID閉環(huán)控制， 采用S066A的國產(chǎn)四象限探測對目標(biāo)進(jìn)行識別跟蹤定位。MSP430 單片機是美國TI（德州儀器）公司近年推出的16 位高性能混合信號處理器。由于它具有處理能力強、運算速度快、集成度高、外部設(shè)備豐富、超低功耗等優(yōu)點，因此在許多領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用[2]。S066A國產(chǎn)四象限探測器光譜響應(yīng)范圍在400～1 100 nm，它的峰值波長為940 nm，它具有較高的靈敏度和精確度，廣泛運用于位置檢測，光學(xué)定位，距離探測等方面。

本課題研究的意義在于一方面對四象限探測器件以及新式低功耗高集成的微處理器的使用和推廣；另一方面探索一種新的機械對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及為低成本跟蹤系統(tǒng)的研制提供一種可行性方案。

1 總體設(shè)計方案

整個系統(tǒng)的設(shè)計如圖1 所示，主要由機械傳動設(shè)計和系統(tǒng)電路設(shè)計兩部分組成。

機械部分中目標(biāo)實時位置信號發(fā)生源采用四象限探測器對目標(biāo)進(jìn)行定位，并輸出包含目標(biāo)位置信息的4路電信號，電機傳動跟蹤定位則是根據(jù)四路位置信號來驅(qū)動探測器所在的定位面板對目標(biāo)進(jìn)行搜索和鎖定。機械部分將探測和定位集為一體，目標(biāo)可見即可識，電機與定位面板的傳動以角位移為變量進(jìn)行快速方便的傳動。系統(tǒng)電路設(shè)計部分中MSP430F169片內(nèi)集成了多個功能模塊。

本設(shè)計利用其作為處理核心，其片內(nèi)A/D模塊實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。一方面Timer對時鐘進(jìn)行分頻從而提高時鐘頻率，使A/D獲得更快的采樣率或轉(zhuǎn)換速度，以保證A/D 轉(zhuǎn)換的精度；另一方面Timer的輸出端單元可作為PWM信號發(fā)生器根據(jù)片內(nèi)編程進(jìn)行PID高速運算處理所得結(jié)果產(chǎn)生PWM輸出控制信號，設(shè)置簡單方便簡化了電路的設(shè)計，進(jìn)而降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。接收前端的位置信號使用低偏置，高精密度放大器對信號進(jìn)行調(diào)整，利用濾波器對位置信號進(jìn)行優(yōu)化，以滿足更好的精度和定位要求。在控制信號輸出端采用現(xiàn)有的電機驅(qū)動芯片確保電機的穩(wěn)定運行。基于總體設(shè)計方案，本文將其劃分為4個不同但又彼此相互作用的4個方面來實現(xiàn)該研究。具體包括硬件電路設(shè)計、機械模擬模型設(shè)計、PID算法設(shè)計以及軟件編程。

2 硬件模塊設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計原理

依據(jù)總體設(shè)計方案，硬件電路主要由電源模塊、四象限信號放大處理模塊、系統(tǒng)控制模塊、電機驅(qū)動模塊以及相關(guān)輔助模塊構(gòu)成（見圖2）。

四象限探測器可探測波長范圍（380～1 100 nm），其原理是將光照強度轉(zhuǎn)換為電流信號。但由于其輸出電流信號較小，四象限探測器的預(yù)處理模塊電路實現(xiàn)將電流信號經(jīng)放大和運算處理，并將電流轉(zhuǎn)化為單片機A/D能夠采集到電壓范圍0～2.5 V。采樣的數(shù)字信號經(jīng)單片機內(nèi)的數(shù)字濾波和算法的運算，進(jìn)而控制PWM波的占空比來調(diào)節(jié)電機的速度。

2.2 機械模擬機構(gòu)實驗設(shè)計原理

模擬機構(gòu)設(shè)計靈感源于地動儀的設(shè)計原理，采用兩個不同的軸來調(diào)節(jié)兩個不同但相關(guān)的平面實現(xiàn)四象限探測器的大范圍搜尋目標(biāo)的目的，模型圖如圖4所示。其中下平板主要用于帶動上平板實現(xiàn)大范圍搜尋目標(biāo)，上平板及其配置設(shè)備實現(xiàn)精確定位和跟蹤功能。研究中利用皮筋的彈性以及牽引絲線柔軟且形變相對較小的優(yōu)勢，實現(xiàn)搜索平面的任意角度轉(zhuǎn)動。并利用廢棄的中心筆管代替齒輪實現(xiàn)軸的小摩擦先轉(zhuǎn)動。使得模型輕小便捷，制作簡單方便，并且變廢為寶。

3 軟件編程

軟件編程部分主要包括目標(biāo)的粗搜尋和目標(biāo)的精定位及跟蹤兩個部分。編程中載入自動搜索程序搜尋目標(biāo)光源，對目標(biāo)進(jìn)行三維維的空間片區(qū)性搜索，并載入判別搜到目標(biāo)程序，具體通過A/D采集到的電壓范圍判別是否搜到目標(biāo)。目標(biāo)一旦搜到，即載入坐標(biāo)運算程序，計算當(dāng)前四象限面板與目標(biāo)位置的歸一化坐標(biāo)差值，進(jìn)而調(diào)用PID算法程序，將PID的調(diào)節(jié)量轉(zhuǎn)化為PWM波的輸出持續(xù)時間和占空比，通過調(diào)用控制電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)程序?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行追蹤。通道誤差計算程序如圖5所示。

4 PID控制算法設(shè)計

PID算法主要有位置式算法和增量式算法兩類。一般增量式算法適用于控制精度要求不高的系統(tǒng)中，位置式適用于控制精度要求較高的控制系統(tǒng)中[4]。

由于位置式控制算法會出現(xiàn)積分飽和問題[5]。工程中通常采用的消除積分飽和問題的方法有限制PI調(diào)節(jié)器輸出的方法、積分分離法和欲限削弱積分法。由于限制PI調(diào)節(jié)器輸出法有可能在正常操作中不能消除系統(tǒng)的余差，而積分法可以在小偏差時利用積分作用消除偏差。因此本文選用位置式算法的改進(jìn)形式，即積分分離法[5?8]。

采用的PID控制算法的公式如下式（1）所示：

[un=un-1+KPen-en-1+KIen+ KDen-2en-1+en-2] （1）

PID算法程序流程圖如圖6所示。研究中控制參數(shù)的確定采用先選定控制度，依據(jù)不同的控制度預(yù)設(shè)控制參數(shù)通過實驗輸出波形，調(diào)整控制參數(shù)取值，從而達(dá)到研究期望的控制精度。

5 測試結(jié)果及分析

實驗中采用波長為650 nm激光作為目標(biāo)物，實驗過程中先調(diào)用目標(biāo)搜尋程序，大范圍搜尋目標(biāo)，一旦探測到目標(biāo)，四象限探測器即會有較大電流輸出。通過磁性判斷轉(zhuǎn)入目標(biāo)精定位及追蹤程序。利用PID算法配合調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)動，使光斑移至四象限光敏面中心。實驗結(jié)果如圖7所示。

本設(shè)計采用性能優(yōu)越的MSP430F169 作為控制核心。使用MSP430內(nèi)部的A/D模塊以及定時器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的多路數(shù)據(jù)采集。電路的設(shè)計，利用RC濾波器，減小了噪聲對信號的影響，同時利用相位補償技術(shù)消除了自激干擾，使信號穩(wěn)定輸出。軟件編程部分采用位置式PID算式，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的門限值之后再加入積分運算，這樣就能夠避免積分飽和問題，使跟蹤設(shè)備平緩地到達(dá)指定位置。

6 結(jié) 語

本研究設(shè)計中采用性能優(yōu)越的 MSP430F169 作為控制核心。通過四象限光電探測器將光照強度轉(zhuǎn)化成電流信號，經(jīng)過四象限信號處理電路轉(zhuǎn)化成MSP430F169單片機ADC能夠采集到的電壓范圍，利用PID算法及相關(guān)轉(zhuǎn)化控制兩路 PWM 波輸出控制電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)目標(biāo)定位跟蹤。通過使用激光器將定位和追蹤過程直觀顯示，便于直接觀察。使用MSP430內(nèi)部A/D模塊和時鐘模塊能夠快速實現(xiàn)精準(zhǔn)的PID誤差信號與PWM波占空比的轉(zhuǎn)換。本研究的意義并不僅在于其具體研究結(jié)果及利用價值，是通過實驗研究豐富了小組成員的專業(yè)知識且使得大家的動手解決問題的能力得到了很好的提升，極大地培養(yǎng)了小組成員的工程意識。

參考文獻(xiàn)

[1] 俞金壽，蔣慰孫.過程控制工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2] 謝興紅，林凡強，吳雄英.MSP430單片機基礎(chǔ)與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3] 彭華，郭建強，高曉蓉，等.基于MSP430單片機的USB接口固件編程的研究[J].信息技術(shù)，2012（7）：115?120.

[4] 魏小龍.MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[5] 司棟森，李增智，王曉旭.采用四象限探測器的智能跟蹤定位算法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2012（4）：13?17.

[6] 李玲琪，李誠，周航.實用PID控制算法的改進(jìn)及其編程技巧[J].黑龍江電子技術(shù)，1998（3）：27?29.

[7] 梅田，郭建強，高曉蓉，等.MSP430控制的恒溫晶體振蕩器[J]. 信息技術(shù)，2011（11）：88?92.

第6篇：光電跟蹤技術(shù)范文

關(guān)鍵詞：AT89S51；光電檢測；硬件電路；太陽能跟蹤系統(tǒng)

中圖分類號：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0001-03

1 內(nèi)核設(shè)計

51單片機是本系統(tǒng)的核心處理器，在本設(shè)計中它的主要作用是：接收從光電檢測部分得到的信號，通過對該信號的分析處理后，輸出信號控制步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)動，從而帶動太陽光接收裝置水平豎直雙軸轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)對太陽能的跟蹤。

本設(shè)計中采用的是AT89S51單片機。AT89S51是一個低功耗高性能單片機，DIP40封裝有40個引腳，32個外部雙向并行I/O口線，2個外部中斷源，2個16位可編程的定時/計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，支持在線編程。

2 光電檢測模塊的設(shè)計

2.1 光電傳感器的選擇

本設(shè)計采用光敏二極管作為前端太陽能電池板上的檢測傳感裝置，因其具有良好的光電特性和較高靈敏度，且具有良好的穩(wěn)定性和輸出持續(xù)性。其符號和外形，如圖1所示。

光敏二極管的參數(shù)：

①Umax：最高工作電壓，無光照，其反向電流不超過0.1安培時，兩端所加的反向最高電壓值。

②Tr：響應(yīng)時間，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號所需的時間。

③IL：光電流，有光照時，其兩端加有正常反向工作電壓時的電流值。

④Sn：光電靈敏度，光敏二極管對光的敏感程度。

⑤ID：暗電流，無光照射時，光敏二極管兩端加有正常工作電壓時的反向電流。

主要型號與參數(shù)，如圖2所示。

根據(jù)上表，對價格、響應(yīng)時間、靈敏度等參數(shù)進(jìn)行綜合考量后，確定了本設(shè)計中光敏二極管的型號：

①2CU1E作為檢測晝夜的光敏元件。原因：響應(yīng)時間短，光敏區(qū)大，易接收光線。

②2CU101D作為檢測陰晴的光敏元件。原因：靈敏度高，細(xì)微的光線變化也能檢測到

③3DU33作為晴天時檢測太陽光是否正射的光敏元件，原因光敏區(qū)大，感應(yīng)電流大，響應(yīng)時間短。

2.2 前端太陽能檢測裝置的設(shè)計

前端太陽能光線檢測裝置由五個光敏二極管的組成，外部套有頂部開孔的圓柱形罩子，如圖3 所示。

要想達(dá)到理想的檢測效果，則需對罩子上開孔的直徑、罩子的高度、內(nèi)部光敏二極管的排列及間距等有嚴(yán)格的要求。照射的示意圖，如圖4所示。

為了達(dá)到良好的照射效果，圓柱體外罩上孔的直徑D應(yīng)為光敏二極管3DU33（D0）的直徑5 mm。并處于其正上方。確保陽光直射時，完全照射到D0上。

同時必須注意的是：D0與D1、D2、D3、D4中任一個光敏二極管之間的距離不可以小于5 mm，各二極管之間的間距略大于光敏二極管的直徑便可，確保光線時刻都能照射到任一個光敏二極管，且只能照射到衛(wèi)衣一個光敏二極管上。因此，本設(shè)計中將間距定為6 mm（二極管直徑為5 mm）。

我們設(shè)定每次檢測的間隔時間為15 min，直射D0開始， 15 min后，太陽偏移，光線經(jīng)外罩中孔斜射入內(nèi)，照射二極管。當(dāng)太陽光斜射時，設(shè)斜射角度為β，則可計算出圓柱型外罩的高度。在下一次檢測到來之前，即15 min內(nèi)，光線要從正射D0移動到照射D0不足直徑的一半，或能照射到D1＼D2＼D3＼D4中的任意一個的直徑一半以上。則陽光移動距離的L要大于或等于0.5倍光敏二極管的直徑，即>=2.5 mm，同時要小于或等于1.5倍光敏二極管直徑，再加二極管之間6mm的間距，即

故可得以下結(jié)論：L=Htanβ，（2.5≤L≤13.5）（1）

H=Lcotβ（2）

太陽24個小時旋轉(zhuǎn)360 °，每10 min移動的角度是一個定值。每小時15 °，則太陽15 min約為 4 °，可計算出：36 mm≤H ≤193 mm。本設(shè)計中取高度為40 mm。

2.3 光電檢測電路設(shè)計

光電檢測部分的電路主要有：晝夜檢測電路、陰晴檢測電路、晴天光線檢測電路。

2.3.1 晝夜檢測電路

晝夜檢測電路的作用是通過初檢判斷當(dāng)前是白天還是黑夜，若為黑夜，則系統(tǒng)進(jìn)入中斷，無需工作，切換為睡眠模。若為白天，則進(jìn)一步進(jìn)行陰晴檢測步驟。

工作原理：采用2CU1E型光敏二極管作為光敏元件，用其判斷白天黑夜。比較電路采用運算放大電路，該運放的輸出端接單片機P3.2上。運放的反相輸入端接固定電壓+5 V，運放的同相輸入端接2CU1E光敏二極管的正極，通過試驗確定R51=100 kΩ，R52=1 kΩ，R2=1 kΩ，R53=1 kΩ。晝夜檢測電路原理圖，如圖5所示。

2.3.2 陰晴檢測電路

本設(shè)計中采用兩種太陽能跟蹤方法：光電跟蹤法和角度跟蹤法。由于白天的太陽光線的強弱是不確定的，有陽光燦爛的晴天，也有陰云密布的陰天。有時陰天的太陽光線較弱，無法使光敏二極管導(dǎo)通，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的光電檢測模塊失效，甚至是整個系統(tǒng)的混亂，此時采用角度跟蹤法更加合理。所以，在確定為白天之后，需要判斷的是否為晴天。電路圖，如圖6所示。

2.3.3 晴天時的光電檢測電路

該電路是本設(shè)計中實現(xiàn)太陽能光電跟蹤方式的核心電路。將五個3DU33型光敏二極管按照圖5安放在前端圓柱形太陽光接收裝置的底部。與接收陽光照射的電池表面平行，目的是保持統(tǒng)一的陽光入射角度。

此電路由D0-D4五個3DU33型光敏二極管、R0-R4五個定值電阻 、一個LM324芯片（封裝四個運算放大器U1-U3）構(gòu)成。具體接線如下：5個3DU33型光敏二極管的負(fù)極共接電源；它們的正極分別與LM324芯片的輸入端相接：LM324芯片的4個同相輸入端均連接在D0的正極上，芯片的4個反相輸入端分別與剩余四個3DU33型光敏二極管D1-D4的正極相連接。構(gòu)成了D0與D1、D2、D3、D4組成的四個相同的比較電路。LM324芯片的四個輸出端即四個運放的輸出端與單片機 AT89S51 P2.0-P2.3并行I/O口線相連接。因此，通過讀取P2.0-P2.3端口輸入電平的高低即可判斷出太陽光線入射的角度。電路圖，如圖7所示。

3 電機控制電路設(shè)計

在前篇所述的光電檢測電路中，光信號一步一步被轉(zhuǎn)化為單片機可識別的電信號，從而完成由單片AT89S51為內(nèi)核的太陽能跟蹤系統(tǒng)的實現(xiàn)。本設(shè)計采用步進(jìn)電動機來控制前端太陽能接收裝置的角度調(diào)整。而電機的轉(zhuǎn)動是通過AT89S51來控制的，通過對兩級 NPN三極管導(dǎo)通和截止的控制，進(jìn)而實現(xiàn)對繼電器閉合或斷開的控制，從而達(dá)到控制電機的轉(zhuǎn)動目的。如圖8所示。

該電路的工作原理：當(dāng)太陽光未正射前端接收裝置，通過前端的光電檢測電路，將電信號轉(zhuǎn)換為單片機AT89S51可以識別的電信號，假設(shè)D1受到光照，此時單片機的P2.0口線會輸入一個低電平。此時通過軟件控制系統(tǒng)的程序?qū)1.4口線清零，導(dǎo)致電機控制電路的第一個晶體管Q1截止，第二個晶體管Q2導(dǎo)通，于是繼電器閉和，電動機有電流而轉(zhuǎn)動，由此實現(xiàn)了單片機對電動機的控制。

4 時鐘電路設(shè)計

當(dāng)光電檢測電路檢測到當(dāng)前天氣為陰天時，軟件控制系統(tǒng)將轉(zhuǎn)變太陽能跟蹤方式，采用角度跟蹤方式，由于角度跟蹤方式是將當(dāng)?shù)禺?dāng)時的太陽角度參數(shù)的計算函數(shù)寫入，只需確定當(dāng)前時間就可計算出確切數(shù)值。

本設(shè)計中采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS1302串行實時時鐘芯片，與單片機相連，需要的串行時鐘SCLK、數(shù)據(jù)線I/O、復(fù)位線RST三根線。數(shù)據(jù)是以一次1-31個字節(jié)進(jìn)行傳送的。如圖9所示。

5 結(jié) 語

基于AT89S51單片機的太陽能跟蹤系統(tǒng)，采用光電檢測追蹤與角度追蹤相結(jié)合的太陽能跟蹤方式，使用電機帶動雙軸實現(xiàn)360度無死角旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高精度、高穩(wěn)定性的跟蹤效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王濤.基于光敏感應(yīng)及角度計算的太陽追蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成 都：電子科技大學(xué)，2009.

[2] 王東嬌，朱林泉，薛忠晉.太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究與 設(shè)計[J].山西電子技術(shù)，2010，（2）.

[3] 崔惠柳.串行實時時鐘芯片DS1302及其應(yīng)用[J].廣西工學(xué)院學(xué)報，

1998，9（1），60-64.

[4] Datta M，Senjyu T，Yona A，et al.A coordinatedcontrol method for

leveling PV output powerfluctuations of PV-diesel hybrid systems

connected toisolated power utility[J]. 2009.

第7篇：光電跟蹤技術(shù)范文

關(guān)鍵詞： Monte Carlo法； 最壞情況法； 誤差分析； 跟蹤測量

引言

靶場光測設(shè)備是對彈道導(dǎo)彈、飛行器、衛(wèi)星等武器設(shè)備進(jìn)行精確觀測的有效工具，它通過角度測量和交誤差分析實施對空間目標(biāo)精確定位以完成外彈道的觀測。測量中的各種誤差源直接決定定位精度[1，2]。但誤差并不是越小越好還要受到研制成本等多種因素的制約，同時各種誤差因素對光測系統(tǒng)而言，其重要性和影響方式有所不同，對各種誤差源進(jìn)行精確分析對靶場光測設(shè)備有重要的實際意義。一方面在設(shè)計的初期研制過程中可以對設(shè)備測量不確定度有影響的各種因素進(jìn)行嚴(yán)格的過程控制，同時對優(yōu)化材料選用、設(shè)備制造等多種環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，以更低的研制成本更好地滿足用戶的使用要求[35]；另一方面通過對光測設(shè)備進(jìn)行合理的布站以提高光測設(shè)備測量精度[6，7]。光測設(shè)備的精度模型和光測設(shè)備的布站是兩個相互聯(lián)系的問題，對光測設(shè)備的布站優(yōu)化必須以精確的誤差模型為基礎(chǔ)，同時對光測設(shè)備的誤差分析也需要給出在一定布站方式下對特定目標(biāo)軌跡的精度分析。

文中以光電經(jīng)緯儀為例，對光電經(jīng)緯儀建立了精確的VerilogA模型，并在此基礎(chǔ)上使用Monte Carlo法對光電經(jīng)緯儀的各種誤差源的影響進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計學(xué)分析和研究，并針對彈道導(dǎo)彈不同的布站方式進(jìn)行數(shù)值分布，給出能適應(yīng)不同靶場地形的通用的布站優(yōu)化方法。

1光電經(jīng)緯儀的誤差模型

文中提出的誤差分析方法具有一定的通用性，使用通用的模擬系統(tǒng)建模語言VerilogA以對光電經(jīng)緯儀建立數(shù)學(xué)模型，并在數(shù)學(xué)模型中對測量精度有影響的各種誤差源進(jìn)行建模。VerilogA提供了層次化的模擬系統(tǒng)模型構(gòu)架，可以一定的數(shù)學(xué)表達(dá)式在抽象的層次上對系統(tǒng)建模，以方便系統(tǒng)的分析設(shè)計和驗證。VerilogA支持直流、交流、瞬態(tài)、Monte Carlo法等多種分析方法。提供給用戶一定的設(shè)計參數(shù)，用戶使用VerilogA模型可以對設(shè)備的性能進(jìn)行仿真分析進(jìn)一步指導(dǎo)光測設(shè)備的應(yīng)用。對各種光測設(shè)備建立通用的VerilogA模型具有非常重要的實際意義。光電經(jīng)緯儀的VerilogA模型分為基本模型和誤差模型，如圖1所示。

2.1最壞情況法分析法

在最壞情況下假定所有的誤差源都取最大誤差，由于在實際情況下所有的誤差源不是同時取得最大誤差數(shù)值，因此最壞情況分析將得到較為悲觀的預(yù)測數(shù)值，但這種分析方法可以快速估計各單項誤差對系統(tǒng)誤差影響程度和影響方式，同時給出理論上最大誤差。使用此模型仿真了各單項誤差都取最大數(shù)值的最壞情況，誤差主要影響方位角A，而對俯仰角E影響較小。其中編碼器誤差直接加入到方位角和俯仰角誤差中，而傳感器誤差、照準(zhǔn)差、橫軸差對系統(tǒng)誤差的影響相對較為復(fù)雜，可以通過掃描相關(guān)誤差參數(shù)計算出各誤差參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

使用該模型仿真了因俯仰角變化而引起的傳感器誤差、軸系照準(zhǔn)差和水平軸誤差A(yù)分量的變化曲線，如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著俯仰角的增加，三種誤差源快速增加，文獻(xiàn)表明照準(zhǔn)差和水平軸誤差的δE分別與sec（E）和tan（E）成正比，而水平軸誤差與tan（E）與仿真結(jié)果相一致。同時可以看出在俯仰角較大時照準(zhǔn)差對系統(tǒng)影響約為橫軸誤差的2倍。其中圖3（a）表示了不同誤差像素數(shù)目對系統(tǒng)誤差的影響，傳感器誤差將隨著誤差像素數(shù)目的提高而增加，誤差像素主要來自量化誤差、細(xì)分誤差和拖尾誤差。

2.2Monte Carlo法分析法

在實際情況下各個單項是以一定概率分布的形式出現(xiàn)的，誤差合成不是簡單的線性疊加關(guān)系，傳統(tǒng)的方法是基于統(tǒng)計學(xué)的t分布和χ2分布不確定度分析法，這種方法在處理測量誤差傳遞時是基于線性化近似模型，同時假設(shè)各種誤差源間是相互獨立的。由于光測設(shè)備本身是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，同時誤差源間也不是完全獨立的，因此決定了這種方法具有一定的局限性。Monte Carlo法是一種通用的誤差分析工具，它將設(shè)備的各項誤差源表達(dá)為一定概率分布函數(shù)的形式，以相同概率分布產(chǎn)生隨機數(shù)進(jìn)行仿真計算，從而得到各種誤差對系統(tǒng)的影響。系統(tǒng)的輸出呈現(xiàn)出一定統(tǒng)計分布，通過使用MatLab統(tǒng)計學(xué)工具箱擬合的方法，可以得到系統(tǒng)輸出的準(zhǔn)確的統(tǒng)計分布函數(shù)，并以一定的數(shù)字特征如期望和方差的形式來表達(dá)。Monte Carlo算法的準(zhǔn)確度主要取決于采樣點的數(shù)目，可以通過合理的選用采樣點的數(shù)目以達(dá)到所需的計算精度。

4結(jié)論

對光電經(jīng)緯儀建立了包含各種誤差源的準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，使用此模型進(jìn)行最壞情況分析和Monte Carlo法分析，分析了各種誤差源影響系統(tǒng)性能的程度和方式。進(jìn)一步使用此模型對雙站異側(cè)布站情形進(jìn)行了優(yōu)化，分析表明針對沿x方向發(fā)射的彈道軌跡，飛行段x方向中部位置布站可以獲得最小測量誤差；布站z方向存在最優(yōu)位置z*，此處y方向交匯測量誤差最小，當(dāng)布站z向距離zz*時，x方向和z方向誤差隨z增加快速增加。提出的基于Monte Carlo法的布站優(yōu)化可以進(jìn)一步推廣到特定靶場地形的情況，對經(jīng)緯儀總體設(shè)計及布站方式的選擇具有一定的理論指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙學(xué)顏，李迎春.靶場光學(xué)測量[D].北京：裝備指揮技術(shù)學(xué)院，2001：35-38.

[2]王家騏.光學(xué)儀器總體設(shè)計[D].長春：長春光機所研究生部，2003：27-32.

[3]杜俊峰.光電經(jīng)緯儀測量精度指標(biāo)的確定[J].應(yīng)用光學(xué)，2006，5（6）：506-509.

[4]張寧，沈湘衡.應(yīng)用跟蹤誤差等效模型評價光電經(jīng)緯儀跟蹤性能[J].光學(xué)精密工程，2003，18（3）：677-684.

[5]李慧，沈湘衡.光電經(jīng)緯儀數(shù)字化模型的建立方法及其應(yīng)用[J].光電子技術(shù)，2007，27（2）：97-100.

第8篇：光電跟蹤技術(shù)范文

關(guān)鍵詞： 光電傳感器； 光電開關(guān)； 匹配； 良品率

中圖分類號： TN214?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）24?0144?03

Matching of emitter and detector in optoelectric sensor

WENG Jian?hua

（School of Energy & Mechanical Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China）

Abstract： The output current of optoelectric sensor is one of the key parameters for the optoelectric sensor. Its output current is related not only to the radiant intensity of emitter， collector current of detector， distance or angle between emitter and detector， and width of apertures in front of these discretes， but also to the manufacturing process control of discretes and sensor housing， sensor assembling， discrete testing， etc. Based on analysis of design and manufacturing factors which affect the output current of the sensor， the measures to improve the yield of optoelectric sensors are proposed， including selection of proper discretes with proper radiant intensity or collector current， enhancement of manufacturing process control， and matching of discretes in different stages.

Keywords： optoelectric sensor； optoelectric switch； matching； yield

光電傳感器廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程自動化、辦公自動化設(shè)備、醫(yī)療器械、光控玩具等行業(yè)，且不斷在一些新的研究領(lǐng)域中得以應(yīng)用，如智能車自動尋跡系統(tǒng)、臨床醫(yī)學(xué)檢測、焊縫自動跟蹤系統(tǒng)、軍事裝備、能源利用系統(tǒng)等[1?5]。常用的光電傳感器有槽型光電傳感器（Transmissive Optical Sensor）、反射型光電傳感器（Reflective Optical Sensor）等[6]。槽型和反射型光電傳感器均由發(fā)光器件即發(fā)射器（Emitter）和光接收器件即接收器（Detector）組裝而成。槽型光電傳感器將發(fā)射器與接收器隔開一定距離安裝在外殼中，發(fā)射器發(fā)射的紅外或可見光通過外殼的槽縫到達(dá)接收器，用以檢測發(fā)射器與接收器之間是否有物體遮擋。反射型光電傳感器則將發(fā)射器與接收器按某一角度安裝在外殼中，用以檢測傳感器前是否有反射介質(zhì)或反射介質(zhì)的類型[7]。光電傳感器的基本特性包括輸出電流與接收器兩端電壓之間的關(guān)系曲線、輸出電流與發(fā)射器輸入電流之間的關(guān)系曲線、輸出電流隨溫度變化的關(guān)系曲線、脈沖響應(yīng)特性曲線[8]等。盡管從工作原理上槽型和反射型光電傳感器都并不復(fù)雜，但要設(shè)計與制造一款滿足要求、性能穩(wěn)定、可靠性好、成本合理的光電傳感器亦并非易事， 更何況有些應(yīng)用場合對傳感器性能參數(shù)的要求十分苛刻。本文從設(shè)計與制造角度討論影響光電傳感器輸出電流的因素，并提出提高傳感器生產(chǎn)制造過程良品率的一些相應(yīng)措施。

1 發(fā)射器與接收器的選取

光電傳感器的輸出電流ICON是光電傳感器一個十分關(guān)鍵的參數(shù)。對槽型光電傳感器而言，在給定條件下， ICON不僅與發(fā)射器輻射強度Ee、接收器集電極電流IC有關(guān)，還和發(fā)射器與接收器的距離以及發(fā)射器與接收器前槽縫的寬度有關(guān)。圖1為側(cè)面發(fā)光發(fā)射器與側(cè)面受光接收器之間距離改變時，發(fā)射器電流10 mA時測量得到的接收器集電極電流IC隨距離的變化曲線。距離越大，相同條件下接收器集電極電流IC就越小。而發(fā)射器與接收器前槽縫的寬度越大，相同條件下光電傳感器的輸出電流ICON就越大[9]。在槽型光電傳感器設(shè)計過程中，發(fā)射器輻射強度與接收器集電極電流應(yīng)結(jié)合發(fā)射器與接收器之間的距離，以及槽縫寬度進(jìn)行選取。

圖1 接收器集電極電流IC隨發(fā)射器與接收器之間距離的變化

對反射型光電傳感器而言，在給定條件下， ICON不僅與發(fā)射器輻射強度Ee、接收器集電極電流IC有關(guān)，還與傳感器與反射面之間的距離以及發(fā)射器與接收器之間的角度有關(guān)。在反射型光電傳感器設(shè)計過程中，發(fā)射器輻射強度與接收器集電極電流應(yīng)結(jié)合傳感器與反射面之間的距離以及發(fā)射器與接收器之間的角度進(jìn)行選取。

2 工藝與制造過程的影響

一般而言，高的發(fā)射器輻射強度Ee與高的接收器集電極電流IC裝配組成的光電傳感器， 其輸出電流ICON也較高； 反之亦然。但由于工藝、測試及制造過程中的變差，例外的情況也不少。圖2中的樣品6與樣品10，盡管兩者的發(fā)射器輻射強度Ee接近，樣品10的接收器集電極電流IC高于樣品6的IC，但樣品10的輸出電流ICON卻要低于樣品6的ICON； 樣品8與樣品13的發(fā)射器輻射強度Ee與接收器集電極電流IC都相近，但樣品8的輸出電流ICON卻高許多；同樣，樣品1與樣品5的發(fā)射器輻射強度Ee與接收器集電極電流IC都相近，但樣品5的輸出電流ICON卻要低很多。造成這種情況的影響因素有許多，主要包括塑料外殼注塑過程中引起的尺寸變差、傳感器組裝過程中引起的變差、發(fā)射器輻射強度在空間分布的變化以及測試過程中造成的誤差等。

（1）外殼尺寸變差。槽型和反射型光電傳感器絕大多數(shù)的外殼采用塑料外殼， 模具加工制造、注塑件的注塑以及冷卻過程都會引起同一尺寸在不同塑料外殼之間的變化，這包括槽型光電傳感器發(fā)射器與接收器前槽縫寬度的變化、外殼上用于安裝發(fā)射器與接收器部分之間距離的變化， 反射型光電傳感器發(fā)射器與接收器前孔尺寸的改變、外殼上用于安裝發(fā)射器與接收器部分之間角度的變化等。這些尺寸的變化將引起傳感器輸出電流的變化。

圖2 某反射型傳感器發(fā)射器Ee、接收器IC及其輸出電流ICON

（2）裝配過程中產(chǎn)生的變差。槽型和反射型光電傳感器中發(fā)射器、接收器與外殼間的裝配與固定需要通過一定的工藝來完成，如槽型光電傳感器，對一些外殼材料可通過熱壓的方式將發(fā)射器和接收器與外殼固定。在裝配過程中，對槽式光電傳感器，發(fā)射器透鏡的光軸并不能保證與接收器透鏡光軸在同一條線上，一些產(chǎn)品偏離設(shè)計要求小一些，而另一些則偏離大一些；同樣，對反射型光電傳感器，發(fā)射器透鏡的光軸與接收器透鏡光軸的交點也不可能都如設(shè)計所要求正好位于反射物的表面上，有些產(chǎn)品的交點靠前，而另一些則可能靠后一些。這些裝配過程中的變差也會引起傳感器輸出電流的變化。

（3）發(fā)射器輻射強度及其空間分布上的變化晶片位置對發(fā)射器輻射強度及在空間分布有影響[10]。在設(shè)計條件下，晶片位于發(fā)射器透鏡的中心線上。但在發(fā)射器的生產(chǎn)制造過程中，固晶（die?attach）和封膠（encapsulation）這兩道工序都可能使晶片偏離中心線，而封膠過程造成的偏離一般會更大。圖3為同一晶圓（wafer）不同批次（lot）發(fā)射器輻射強度的分布。由圖可見，批次1輻射強度在0.07～0.08 mW/10°范圍內(nèi)發(fā)射器的比例為34.2%，而批次2 輻射強度在相同范圍內(nèi)的比例為41.8%。由于發(fā)射器輻射強度的測試與發(fā)射器在光電傳感器中的使用條件一般并不相同，輻射強度在空間分布的變化有可能導(dǎo)致在相同條件下，裝配測試得到的高輻射強度發(fā)射器的光電傳感器，其輸出電流反而比裝配測試得到的低輻射強度發(fā)射器的光電傳感器低。另外，通常情況下用于填充反射杯和覆蓋晶片的硅膠的折射率與封膠用的環(huán)氧樹脂（epoxy）的折射率十分接近，故硅膠與環(huán)氧樹脂交界面的形狀對發(fā)射器的輻射強度分布的影響很小。但若兩者有一定差別，則交界面的形狀會對發(fā)射器的輻射強度分布產(chǎn)生影響，這種情況下控制點膠工序中所用硅膠的量相同或相近十分重要，以便使不同發(fā)射器硅膠與環(huán)氧樹脂交界面的形狀保持一致，避免由此引起發(fā)射器輻射強度在空間分布的變化。

圖3 同一晶圓不同批次發(fā)射器輻射強度的分布

（4）測試誤差。在發(fā)射器與接收器測試過程中，由于機臺、測試人員不同，會導(dǎo)致測試結(jié)果的變差。圖4為3位測試人員在同一機臺測試相同的三個接收器樣品得到的結(jié)果。由圖可見， 樣品2不同集電極電流測試值之間的最大差值甚至略高于0.5 mA。測試誤差與機臺的測量精度、測試過程中用于固定元件的夾具的精度等有關(guān)。

圖4 三個樣品不同測試人員的測試結(jié)果

3 提高產(chǎn)品良品率的措施

（1）合理確定光電傳感器輸出電流的范圍。根據(jù)應(yīng)用場合的不同， 光電傳感器輸出電流的范圍有寬有窄。對輸出電流的范圍有較高要求的應(yīng)用場合，需合理確定范圍，過高的要求會導(dǎo)致產(chǎn)品良品率的下降，導(dǎo)致成本增加。

（2）樣品應(yīng)具代表性。在樣品制作階段，應(yīng)從不同生產(chǎn)批次中抽取發(fā)射器和接收器來組裝傳感器樣品，從而在設(shè)計階段對一個批次中可用的發(fā)射器和接收器的比例有正確的估計，避免批量生產(chǎn)時良品率偏低。

（3）工藝與制造過程的控制。外殼尺寸的變化、裝配中發(fā)射器與接收器的固定、晶片位置的變化以及測試誤差都會導(dǎo)致傳感器輸出電流的變化，嚴(yán)格控制外殼注塑工藝過程、傳感器的裝配過程、發(fā)射器與接收器的制造過程，是提高傳感器良品率的必要條件。另外，發(fā)射器與接收器測試前都應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)元件對測試機臺進(jìn)行校準(zhǔn)。

（4）分等級匹配。若光電傳感器輸出電流的范圍要求比較窄，可考慮將同一批次的發(fā)射器或接收器按輻射強度或集電極電流分成兩至三個等級，高輻射強度發(fā)射器與低集電極電流接收器相匹配，或低輻射強度發(fā)射器與高集電極電流接收器相匹配，以提高同一批次中可用發(fā)射器和接收器的比例。在特定情況下，如外殼成本較高，甚至可考慮增加返工工序，替換不合格產(chǎn)品中的發(fā)射器或接收器，使其滿足對輸出電流的要求。

4 結(jié) 論

大多數(shù)應(yīng)用場合對光電傳感器的輸出電流的范圍有一定要求，有些場合的要求還很苛刻，如何合理確定發(fā)射器的輻射強度與接收器的集電極電流，以及光電傳感器的其他一些設(shè)計參數(shù)，是光電傳感器設(shè)計與研發(fā)中的一個關(guān)鍵。同時，發(fā)射器與接收器制造過程中的一些變差、外殼注塑及裝配過程中的變差、測試誤差等都會影響光電傳感器的輸出，需要對這些工藝及制造過程進(jìn)行嚴(yán)格控制。對輸出電流要求苛刻的光電傳感器，在制造過程中，還可考慮將接收器與發(fā)射器按輻射強度與集電極電流進(jìn)行分等級匹配，以提高產(chǎn)品良品率。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹懿，洪波，張晨曙，等.光電傳感器式焊縫自動跟蹤系統(tǒng)[J]. 焊接學(xué)報，2006，27（9）：93?98.

[2] 蔡錦達(dá)，趙國初，宋韞崢.基于光電傳感器的血清與血細(xì)胞分層面的檢測[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（2）：143?145.

[3] 呂霞付，羅萍.基于光電傳感器的智能車自動尋跡系統(tǒng)設(shè)計[J].壓電與聲光，2011，33（6）：939?942.

[4] 楊海成，林國村.光電傳感器在戰(zhàn)場偵察車上的應(yīng)用與發(fā)展[J].應(yīng)用光學(xué)，2004，25（6）：43?46.

[5] 杜云峰.基于單片機的太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（15）：157?159.

[6] NUNLEY W， BECHTEL J S. Infrared optoelectronics： devices and applications [M]. New York： Marcel Dekker，Inc.，1987：127?163.

[7] 繆家鼎，徐文娟，牟同升.光電技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1995.

[8] 王慶有.光電技術(shù)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

第9篇：光電跟蹤技術(shù)范文

Abstract： The design of navigation pod FLIR device is due to the large field of view， scanning lines， high spatial resolution， which causes particularly large frame pixels in the system， amount of data processing per second is very large， which has brought great difficulties in the design of high-speed real-time image processing system. In this paper， acoording to imaging characteristics of navigation pod FLIR device， the real-time imaging technology in the the core part of the image processing system of FLIR device was carried out research.

關(guān)鍵詞： 高速圖像處理；設(shè)計；FPGA；DSP

Key words： high-speed image processing；design；FPGA；DSP

中圖分類號：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）01-0197-03

0 引言

在阿富汗戰(zhàn)爭中，美軍作戰(zhàn)模式有了最典型的轉(zhuǎn)變，即在對方的防空系統(tǒng)很弱甚至不存在的情況下，美軍也采取了將低空攻擊轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌蘸头绤^(qū)外實施精確武器攻擊的作戰(zhàn)模式。而這種轉(zhuǎn)變正是由于機載光電瞄準(zhǔn)、導(dǎo)航系統(tǒng)，包括新型合成孔徑雷達(dá)等一系列數(shù)字電子、光電子設(shè)備的應(yīng)用和不斷改進(jìn)的結(jié)果。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下，不但要求機載火控系統(tǒng)具有精度高，作用距離遠(yuǎn)，而且要有在晝夜和惡劣天氣條件下工作的能力。實戰(zhàn)表明，機載光電目標(biāo)搜索捕獲、識別和指示系統(tǒng)與其它傳感器如毫米波雷達(dá)、高精度導(dǎo)航等組合，就能滿足戰(zhàn)場要求。從20世紀(jì)70年代初開始，美、英、法、德等國的軍事航空部門就開始重視發(fā)展各種機載光電導(dǎo)航瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，這些光電系統(tǒng)有如：前視紅外系統(tǒng)（FLIR）、紅外搜索跟蹤系統(tǒng)、激光測距儀和激光目標(biāo)指示系統(tǒng)、激光自動跟蹤系統(tǒng)，以及微光電視設(shè)備、CCD攝像機、可見光電視設(shè)備、光電平面顯示裝置等。這些機載光電導(dǎo)航和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)在上世紀(jì)的中東戰(zhàn)爭、海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭等歷次局部戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要的作用，至今，這類光電設(shè)備已成為確保飛行員實施敵方“火力圈”外安全準(zhǔn)確攻擊目標(biāo)的必備裝備。

導(dǎo)航吊艙前視紅外裝置的設(shè)計由于視場大，掃描線多，空間分辨率高，造成系統(tǒng)的幀像素數(shù)特別大，每秒處理數(shù)據(jù)量也非常大，這樣給高速實時圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計帶來了很大困難。

本文主要根據(jù)導(dǎo)航吊艙前視紅外裝置成像的特點，重點開展前視紅外裝置的核心部分圖像處理系統(tǒng)實時成像技術(shù)方面的研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)建 本系統(tǒng)主要實現(xiàn)對前端波紅外探測器輸出的模擬圖像信號采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換，實時圖像處理，輸出單幀像素為768*576 CCIR-656制式的全模擬電視信號進(jìn)行顯示。為達(dá)到整個系統(tǒng)高速、實時性的要求，系統(tǒng)采用了DSP與FPGA相結(jié)合的設(shè)計思想，由FPGA實現(xiàn)SRAM A，B，C緩存存儲器映射在DSP的CE空間，實現(xiàn)協(xié)處理系統(tǒng)間的無縫接口。FPGA作為圖像數(shù)據(jù)采集單元，采集到的圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理后傳給DSP；DSP部分為系統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)的核心單元，決定著整個系統(tǒng)的性能；DSP完成處理任務(wù)后，將把結(jié)果返回給FPGA，F(xiàn)PGA將負(fù)責(zé)信息的顯示，提供人機交互，作為系統(tǒng)的視頻顯示單元。系統(tǒng)總體流程如圖1所示。

由于探測器輸出的模擬圖像信號通過四路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號，F(xiàn)PGA將負(fù)責(zé)該數(shù)字信號的采集。FPGA與DSP采用主從工作方式，DSP通過向FPGA寫入狀態(tài)來控制FPGA的工作，執(zhí)行相應(yīng)的功能。當(dāng)采集到的有效的探測器信號，先經(jīng)過非均勻性校正、亮度/對比度控制、盲元替換。經(jīng)過處理的圖像數(shù)據(jù)被緩存在一片的SRAM A中，當(dāng)存滿一場時觸發(fā)一次DSP讀中斷，通過DSP的EDMA傳輸方式將數(shù)據(jù)寫入DSP的片內(nèi)L2的緩存區(qū)中。由DSP進(jìn)行圖像顯示變換，把14bit的圖像數(shù)據(jù)變換成8bit的圖像數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行實時圖像增強等算法處理，來改善圖像質(zhì)量。由于每幀中的兩場圖像數(shù)據(jù)相同，系統(tǒng)中只需處理一場的圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)DSP將一場圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理算法處理結(jié)束后，觸發(fā)一次DSP寫中斷，通過DSP的EDMA傳輸方式將數(shù)據(jù)寫入FPGA的片外接的兩片SRAM B、C中緩存。由FPGA根據(jù)同步信號邏輯進(jìn)行切換控制，將經(jīng)過處理后的圖像數(shù)據(jù)，送入視頻編碼器數(shù)模視頻轉(zhuǎn)換，最后輸出CCIR-656制式兼容的全模擬電視信號。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 整個硬件系統(tǒng)上劃分為DSP模塊和FPGA模塊，其中DSP和FPGA為核心器件。DSP模塊承擔(dān)系統(tǒng)管理和控制、圖像顯示變換、非均勻性校正的定標(biāo)、盲元檢測、數(shù)字圖像增強處理等算法處理的功能，F(xiàn)PGA模塊承擔(dān)實時像素采集、圖像預(yù)處理、圖像數(shù)據(jù)輸入/輸出場緩存、視頻編碼器控制、異步串行通訊等功能。DSP模塊和FPGA模塊之間采用主從方式工作，DSP模塊為主模塊，控制整個系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，控制圖像數(shù)據(jù)在DSP模塊和FPGA模塊之間的傳輸。系統(tǒng)進(jìn)行完圖像處理后，按照CCIR-656制式全電視信號的時序要求，把圖像數(shù)據(jù)輸出給視頻編碼器，它內(nèi)部包括視頻合成和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，然后輸出模擬全電視信號到電視監(jiān)視器顯示。系統(tǒng)硬件框圖入圖2所示。

電路部分分為FPGA和DSP兩個大模塊，各自具有電路和外設(shè)器件，兩個模塊之間采用總線相連。

DSP模塊包括數(shù)字信號處理器，大容量動態(tài)存儲器，F(xiàn)LASH存儲器，JTAG調(diào)試接口，時鐘及復(fù)位電路和相應(yīng)的電源電路等。

FPGA模塊包括Stratix可編程邏輯器件，輸入輸出幀緩沖存儲器，視頻編碼器，可編程邏輯器件的配置芯片及其配置接口，異步串行通訊，還有相應(yīng)的電源及時鐘電路。Sratix系列可編程邏輯器件具有豐富的管腳資源，外部電路卻很簡潔，只需要相應(yīng)的配置芯片就可以正常工作?？删幊踢壿嬓酒饕脕硖幚韺崟r視頻流，包括輸入和輸出，相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)積累滿一場后中斷DSP來讀?。煌瑯拥?，DSP處理完一場數(shù)據(jù)后馬上產(chǎn)生中斷DSP刷新數(shù)據(jù)?？偣泊嬖谌齻€幀緩沖器，一個輸入緩沖及兩個輸出緩沖，分別由三片SRAM承擔(dān)。視頻D/A部分選用視頻編碼芯片，由FPGA產(chǎn)生全電視信號的同步及消隱信號進(jìn)行控制。視頻編碼芯片的控制接口為I2C接口，該接口接至FPGA，由該芯片直接發(fā)出配置命令進(jìn)行配置。FPGA編程產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的異步串口通訊控制模塊配合電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)異步串口通訊，提高了系統(tǒng)的模塊化設(shè)計和多設(shè)備通訊的能力。

1.2.1 高速外部存儲器電路

1.2.1.1 外接FLASH存儲器 高速外部存儲器有兩個外部數(shù)據(jù)總線，一個寬度64bit的高速外部存儲器總線，一個寬度16bit的低速外部存儲器總線。

1.2.1.2 外接FPGA 高速外部存儲器總線EMIFA與FPGA中實現(xiàn)無縫連接，F(xiàn)PGA連接在CE1～CE3空間。在外部中斷4的觸發(fā)下，高速外部存儲器從CE1相應(yīng)映射地址以高效的EDMA搬運數(shù)據(jù)的方式讀取緩存區(qū) SRAM A的圖像數(shù)據(jù)。在外部中斷5的觸發(fā)下，高速外部存儲器從CE3相應(yīng)映射地址也以高效的EDMA搬運數(shù)據(jù)的方式將視頻數(shù)據(jù)寫入緩存區(qū)SRAM B或SRAM C中。高速外部存儲器也可從CE2相應(yīng)映射地址向FPGA的內(nèi)部RAM寫入亮度/對比度等系數(shù)。

1.2.1.3 外接SDRAM 高速外部存儲器總線EMIFA另外擴展了2片SDRAM作為數(shù)據(jù)存儲器，連接在高速外部存儲器上EMIFA的CE0空間，提高了數(shù)據(jù)緩存速度和效率，2片并行組成64位數(shù)據(jù)總線。高速外部存儲器的SDRAM用來做DSP系統(tǒng)的內(nèi)存，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的備用緩存，以及圖像處理過程中間結(jié)果的緩存。

1.2.2 FPGA電路

1.2.2.1 外接配置器件 根據(jù)系統(tǒng)的需要，在FPGA的外部擴開展了FPGA配置器件EPC4，為了方便地實現(xiàn)對FPGA芯片的配置和調(diào)試，采用專用增強型配置器件EPC4。EPC4器件通過JTAG接口進(jìn)行其配置，將其管腳PORSEL接地。通過配置器件EPC4，在每次上電啟動的時候配置FPGA，又可以通過EPC4的JTAG接口重新編程，在下次上電更新。

1.2.2.2 外接視頻編碼器 本系統(tǒng)采用的圖像顯示單元的視頻編碼器為ADV系列，該編碼器可以產(chǎn)生復(fù)合視頻信號、Y/C（S-Video）或者RGB（SCART）視頻信號，輸入是8或者16bit YcrCb數(shù)字流。支持很多視頻標(biāo)準(zhǔn)，包括NTSC-M，PAL-B，D，G，H，I，PAL-M，PAL-N，PAL-Nc。行同步HSYNC和場同步VSYNC可以配置為輸入（從模式）或者輸出（主模式）。BLANK是輸入，可以由外部控制。行和場消隱可以自動產(chǎn)生也可以由外部控制，芯片內(nèi)部控制同步上升沿和下降沿。模擬亮度Y和色差C信號可以用于連接S-Video設(shè)備，復(fù)合模擬視頻輸出信號可以在兩路同時輸出，這樣就能夠一路輸出基帶復(fù)合視頻信號，另外一路驅(qū)動RF調(diào)制器。該編碼器還輸出模擬RGB信號，支持歐洲SCART/PeriTV就口。

1.2.2.3 外接異步存儲器 本系統(tǒng)FPGA外接了三片SRAM A，B，C。SRAM A作為前端數(shù)據(jù)輸入緩存，當(dāng)寫滿一場數(shù)據(jù)量大小后，由FPGA產(chǎn)生讀中斷，DSP采用EDMA方式通過EMIFA口數(shù)據(jù)線讀取SRAM A中的數(shù)據(jù)。FPGA產(chǎn)生控制信號實現(xiàn)對SRAM A讀操作。SRAM B、C作為輸出視頻數(shù)據(jù)幀緩存，當(dāng)DSP算法處理完后，達(dá)到一定數(shù)據(jù)量大小后，由FPGA產(chǎn)生寫中斷，DSP采用EMDA方式通過EMIFA口數(shù)據(jù)線乒乓寫入SRAMB、C中，F(xiàn)PGA產(chǎn)生控制信號實現(xiàn)對SRAM B、C寫操作。

1.2.3 圖像場存儲器切換 本系統(tǒng)采用三場存儲器切換的工作方式來保證圖像處理和視頻顯示的實時性，由于每幀圖像中兩場數(shù)據(jù)相同，因此只需處理一場圖像數(shù)據(jù)即可，具體處理方式如圖3所示。

2 圖像算法簡介

2.1 非均勻性校正算法 本系統(tǒng)在結(jié)合傳統(tǒng)的兩點非均勻校正算法的基礎(chǔ)上提出一種兩點加一點的校正算法。具體算法流程圖如圖4所示。

2.2 盲元檢測算法 對于掃描型紅外焦平面系統(tǒng)可以利用替代原理插值原理，相鄰行替代算法可以實現(xiàn)對系統(tǒng)盲元的補償。實現(xiàn)原理如圖5所示。

2.3 幀間濾波算法 由于前視紅外裝置圖像中不僅存在散粒噪聲，還存在縱條狀隨機頻率噪聲。采用幀內(nèi)中值濾波算法改善了系統(tǒng)圖像質(zhì)量，使系統(tǒng)圖像更加清晰。幀間濾波算法的流程如圖6所示。

2.4 圖像增強處理算法 紅外圖像的信噪比比較低，圖像增強處理包括圖像噪聲的消除和圖像細(xì)節(jié)的清晰化。直方圖均衡算法流程如圖7所示。

3 結(jié)束語

總結(jié)，本系統(tǒng)基于DSP+FPGA架構(gòu)實現(xiàn)了該紅外圖像處理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用TI公司的高速外部存儲器為核心處理芯片，輔以ALTERA公司的FPGA芯片來實現(xiàn)紅外探測器數(shù)據(jù)的前端采集、預(yù)處理以及處理結(jié)果的最終顯示，構(gòu)成功能完備的一套嵌入式高性能處理系統(tǒng)。系統(tǒng)從探測器數(shù)據(jù)采集、處理到視頻顯示的整個過程分別由DSP與FPGA來協(xié)同承擔(dān)，充分考慮了它們各自優(yōu)缺點，使系統(tǒng)在滿足實時性的同時，結(jié)構(gòu)靈活，有較強的通用性，系統(tǒng)功能便于改進(jìn)和擴展。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jeon B， Landgrebe D. Decision fusion approaches for multitemporal classification.IEEETrans on Geoscience and Remote Sensing，1999，37（3）：1227～1233.

[2]Ma JG.The basic technologies of the acquisition，tracking and pointing systems.Opto-Electronic Engineering，1989，16（3）：1～41馬佳光.捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的基本技術(shù)問題.光電工程，1989，16（3）：1～41.

[3]陳瞄海.機載光電導(dǎo)航瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展概況[J].電光與控制，2003，（11）.

[4]孫隆和，吳廣山.機載光電探測、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)技術(shù)分析及發(fā)展研究[J].電光與控制，1995，（2）.

[5]張晨光.有源成像系統(tǒng)——ALBEDOS和EIVISS[J].光電技術(shù)，2001，（4）：33-35.

[6]萬里青，孫隆和，趙榮椿.瞄準(zhǔn)吊艙ATR現(xiàn)狀及發(fā)展[J].國際航空，1995，（11）：58-60.

[7]朱振福，黃繼昌.電視跟蹤的研制現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國航天，1993，（7）：28-31.

[8]夏良正.數(shù)字圖像處理[M].南京：東南大學(xué)出版社，1999.

[9]顧凡及，汪云久.側(cè)抑制網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字圖像處理[M].北京：科學(xué)出版社，1983.

[10]趙榮椿.數(shù)字圖像處理導(dǎo)論[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.