基于数字信号处理技术的PSD相位法多光束同步检测系统研究

论文摘要

位置敏感探测器是一种基于横向光电效应的半导体器件。它具有响应速度快、分辨率高、信号处理电路简单、环境适应性好等优点,特别适用于位移、角度、距离以及可以间接转化为光斑位置或位移的其它物理量的非接触高精度快速测量。目前基于PSD的光点探测方法有幅值法和相位法两种,相位法具有幅值法无法比拟的一些优点,如位置信息不依赖光强、适合多光束探测、处理电路简单等,但目前针对相位法的研究还不够深入,基本处于理论研究阶段,要将其运用于工程实践还需要做大量的研究。基于此,本文在分析和研究现有技术的基础上,提出并设计了一种基于数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)的PSD相位法多光束检测系统。本文首先介绍了PSD的发展和研究现状,分析了PSD相位法检测技术研究的必要性,提出了基于数字信号处理技术的PSD相位法检测方案;论文接着论证和推导了基于数字信号处理技术的PSD相位法多光束检测原理,主要包括基于RC传输线模型的相位法检测技术和基于FFT算法的多光束鉴相实现;在此基础上,本文从系统功能需求出发,从性能、经济性和研究周期等方面进行分析,提出了基于TMS320F2812芯片的多光束检测系统的总体设计方案,并按照此方案设计了包括信号调理电路、DSP最小系统和相关软件程序的PSD相位法多光束检测系统;在该实验平台上,本文进行了PSD的单光束和多光束标定实验,并对实验结果进行了分析总结;论文的最后部分对该系统的误差进行了分类和分析并给出了减小误差的方法及建议。实验表明,PSD在正弦调制光的照射下,其输出信号的相位差和光斑位移呈明显的线性关系,其转换灵敏度随着调制频率的增加而增加,这和相位法的理论推导相一致;同时,由于系统还存在较多的误差源,拟合直线的非线性误差比较大,部分测量区域失真明显,需要在后续的研究中进一步完善。本文的研究工作为PSD相位法多光束检测提供了一种全新的、有效的解决方案,并在基于DSP的多光束检测系统下得出了若干重要结论,为后续研究提供了有用参考。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 PSD 概述
• 1.1.1 PSD 的发展及分类
• 1.1.2 PSD 器件的研究现状
• 1.1.3 PSD 的应用
• 1.2 PSD 多光束检测技术及研究现状
• 1.2.1 基于幅值法的PSD 多光束检测技术
• 1.2.2 基于相位法的PSD 多光束检测技术
• 1.3 问题的提出及研究意义
• 1.4 课题研究目的和研究内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 2 基于数字信号处理技术的 PSD 相位法检测原理
• 2.1 PSD 检测机理概述
• 2.1.1 横向光电效应
• 2.1.2 Lucovusky 方程
• 2.1.3 RC 传输线模型
• 2.1.4 横向光电效应的进一步推导
• 2.2 相位法检测原理
• 2.3 数字信号处理技术介绍
• 2.4 FFT 鉴相原理
• 2.4.1 FFT 算法简介
• 2.4.2 FFT 算法鉴相
• 2.5 本章小结
• 3 系统总体方案设计
• 3.1 引言
• 3.2 功能需求分析
• 3.2.1 性能指标
• 3.2.2 经济性要求
• 3.2.3 研究周期
• 3.3 器件选型
• 3.3.1 PSD 器件特性及选型
• 3.3.2 光源及其驱动设备
• 3.3.3 放大电路及放大器
• 3.3.4 ADC 及数字信号处理器选型
• 3.3.5 TMS320F2812 芯片特性
• 3.4 系统总体设计方案
• 3.5 本章小结
• 4 基于 DSP 和 PSD 的检测系统设计
• 4.1 系统设计概述
• 4.2 硬件设计
• 4.2.1 信号调理电路设计
• 4.2.2 TMS320F2812 的最小系统设计
• 4.2.3 LCD 控制电路设计
• 4.2.4 硬件联调
• 4.3 软件设计
• 4.3.1 A/D 转换及数据采集程序设计
• 4.3.2 FFT 算法及鉴相程序设计
• 4.3.3 LCD 显示程序设计
• 4.4 本章小结
• 5 实验研究及误差分析
• 5.1 实验平台介绍
• 5.2 系统标定实验
• 5.2.1 一维PSD 标定实验
• 5.2.2 二维PSD 多光束检测实验
• 5.3 误差分析
• 5.3.1 PSD 器件噪声引起的误差
• 5.3.2 检测系统信号处理电路引起的误差
• 5.3.3 测量环境及方法引起的误差
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录