中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，隨著精密制造與光通信技術(shù)的快速迭代，激光振鏡行業(yè)作為核心執(zhí)行部件，其技術(shù)成熟度直接決定了激光跟蹤系統(tǒng)的精度與實(shí)時(shí)性。2025年，全球激光振鏡市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)突破85億美元，其中高精度二維激光振鏡的市場(chǎng)占比將達(dá)到62%，在光通信、精密測(cè)量等領(lǐng)域的應(yīng)用滲透率持續(xù)提升。激光跟蹤技術(shù)作為光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，高精度與高實(shí)時(shí)性的特性使其成為保障信號(hào)傳輸穩(wěn)定性的核心支撐，而激光振鏡的控制精度與響應(yīng)速度則是提升系統(tǒng)跟蹤性能的關(guān)鍵突破口。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)對(duì)激光跟蹤系統(tǒng)的空間坐標(biāo)跟蹤速度與精度要求不斷提高，基于二維激光振鏡與光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的跟蹤方案，成為解決高精度光斑定位與穩(wěn)定跟蹤問(wèn)題的主流研究方向。以下是2025年激光振鏡行業(yè)技術(shù)分析。
《2025-2030年全球及中國(guó)激光振鏡行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，為實(shí)現(xiàn)光斑位置的精準(zhǔn)跟蹤探測(cè)，構(gòu)建了基于二維激光振鏡與四象限探測(cè)器的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)光信號(hào)發(fā)射、光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理及控制跟蹤三大核心模塊的協(xié)同工作，完成光斑的實(shí)時(shí)捕獲與跟蹤。其中，光信號(hào)發(fā)射模塊包含激光器及配套鏡頭結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換模塊以四象限探測(cè)器為核心，控制模塊則集成了DAC輸出電路與微控制器最小系統(tǒng)，形成從光信號(hào)感知到激光振鏡驅(qū)動(dòng)的完整閉環(huán)控制鏈路。系統(tǒng)硬件電路核心由信號(hào)采集電路與激光振鏡控制系統(tǒng)組成，通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與微控制器的通信，借助ADC完成信號(hào)采集、DAC輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維激光振鏡的精準(zhǔn)控制，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定供電保障。
激光振鏡跟蹤系統(tǒng)的硬件架構(gòu)以信號(hào)采集與激光振鏡驅(qū)動(dòng)為核心，整體分為光信號(hào)發(fā)射單元、光電轉(zhuǎn)換單元、電信號(hào)處理及激光振鏡控制單元三部分。光信號(hào)發(fā)射單元負(fù)責(zé)輸出特定波段的激光信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換單元通過(guò)四象限探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)處理及控制單元?jiǎng)t完成信號(hào)的放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換，并生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制二維激光振鏡的偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光斑跟蹤。硬件電路的核心連接關(guān)系為：四象限探測(cè)器輸出信號(hào)接入信號(hào)采集電路，經(jīng)處理后通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB模塊傳輸至微控制器最小系統(tǒng)，微控制器通過(guò)DAC輸出兩路控制信號(hào)至激光振鏡控制電路，驅(qū)動(dòng)X、Y軸激光振鏡完成偏轉(zhuǎn)調(diào)整。
信號(hào)采集電路的核心功能是將四象限探測(cè)器捕獲的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可精準(zhǔn)控制的電信號(hào)，其性能直接影響激光振鏡跟蹤系統(tǒng)的探測(cè)精度。電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于選用合適的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換與信號(hào)放大，最終選用精密運(yùn)放AD8605作為核心器件，該器件的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如下：失調(diào)電壓最大65μV，偏置電流最大30mA，帶寬12.02MHz，開(kāi)環(huán)增益50ms，支持最大2.9V的單電源供電，能夠?qū)崿F(xiàn)光電流信號(hào)的高精度轉(zhuǎn)換與穩(wěn)定放大，為后續(xù)信號(hào)處理提供可靠的信號(hào)源。
主控芯片系統(tǒng)采用STM32最小系統(tǒng)，包含外置時(shí)鐘、OSC時(shí)鐘、復(fù)位電路以及去耦合電容設(shè)計(jì)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)選用CH340T作為串口轉(zhuǎn)USB芯片，實(shí)現(xiàn)微控制器與上位機(jī)的硬件全雙工串口通信，該芯片支持5V與3.3V兩種常見(jiàn)電源電壓，關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)為：電源電壓最大5.3V，總電源電流最大30mA，F(xiàn)CLK為12.02MHz，TPR最大50ms，復(fù)位電壓最大2.9V，集成數(shù)據(jù)收發(fā)緩沖區(qū)，通信波特率范圍覆蓋bps~2Mbps，滿(mǎn)足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。
四象限探測(cè)器作為常用的位置敏感器，具備結(jié)構(gòu)緊湊、成本低的優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足激光振鏡跟蹤系統(tǒng)的精度要求。
激光振鏡在跟蹤過(guò)程中，可能因外部擾動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)光斑脫離探測(cè)器檢測(cè)范圍，造成跟蹤間斷。為規(guī)避該問(wèn)題，在系統(tǒng)中集成自動(dòng)掃描算法，通過(guò)持續(xù)檢測(cè)ADC采集信號(hào)的幅值(當(dāng)ADC1、ADC2、ADC3、ADC4均小于10時(shí)啟動(dòng)掃描)，調(diào)整DAC輸出信號(hào)(DAC1、DAC2按特定步長(zhǎng)增減)，實(shí)現(xiàn)光斑的快速重新捕獲。系統(tǒng)通過(guò)讀取ADC采集的信號(hào)獲取光斑位置信息，利用光斑中心定位算法解算目標(biāo)當(dāng)前位置與理想位置的偏差，驅(qū)動(dòng)DAC輸出對(duì)應(yīng)差值的信號(hào)，控制激光振鏡帶動(dòng)光斑向探測(cè)器中心位置移動(dòng)。由于激光振鏡平面成像存在非線(xiàn)性，易產(chǎn)生枕形畸變，若不進(jìn)行畸變修正，僅通過(guò)系數(shù)k調(diào)整激光振鏡運(yùn)動(dòng)僅能在部分區(qū)間滿(mǎn)足精度要求，因此系數(shù)k需選取適當(dāng)較小值以避免過(guò)跟蹤。每次跟蹤周期均需先通過(guò)ADC讀取探測(cè)器信號(hào)確定光斑位置，再通過(guò)解算信息控制DAC輸出信號(hào)電平，經(jīng)過(guò)多個(gè)自動(dòng)掃描算法周期的位置修正，逐步減小誤差，最終實(shí)現(xiàn)光斑在探測(cè)器上的居中穩(wěn)定。跟蹤程序的核心邏輯為：通過(guò)ADC讀取信號(hào)計(jì)算偏差dx、dy(dx=K、dy=K)，根據(jù)偏差調(diào)整x、y坐標(biāo)(x=x-dx、y=y-dy)，并限制x、y坐標(biāo)在0~4095范圍內(nèi)，最終將坐標(biāo)值輸出至DAC1、DAC2，完成一次跟蹤周期后延遲等待下一輪檢測(cè)。
在激光功率恒定且光學(xué)透鏡參數(shù)固定的情況下，探測(cè)器上的激光光斑半徑通過(guò)調(diào)整激光器與輸出鏡頭的距離改變激光輸出視場(chǎng)角實(shí)現(xiàn)調(diào)控。光斑半徑越小，輻照強(qiáng)度越強(qiáng)，探測(cè)器檢測(cè)靈敏度越高。
暗區(qū)是四象限探測(cè)器的固有誤差，無(wú)法完全消除，只能通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)盡可能減小其對(duì)激光振鏡跟蹤定位精度的影響。選取光斑半徑0.3mm、光斑中心縱坐標(biāo)0.05mm的實(shí)驗(yàn)條件，分別設(shè)置暗區(qū)寬度為0mm、0.02mm、0.06mm、0.1mm，觀(guān)察光斑在x軸的實(shí)際坐標(biāo)偏移與理論偏移量的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)暗區(qū)寬度D=0mm時(shí)，實(shí)際偏移量與理論值呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系，此時(shí)光斑檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍最大;隨著暗區(qū)寬度增加，線(xiàn)性關(guān)系逐漸偏離，偏移誤差逐步增大，當(dāng)D=0.1mm時(shí)，最大偏移誤差較D=0mm時(shí)增加約68%。
背景光屬于隨機(jī)誤差因素，其影響程度由實(shí)驗(yàn)環(huán)境決定，探測(cè)器四個(gè)象限光敏面受到的背景光影響存在差異，但信號(hào)幅值遠(yuǎn)小于光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效信號(hào)，最終背景光噪聲會(huì)疊加至探測(cè)平面的光信號(hào)中。為精準(zhǔn)評(píng)估其影響，建立誤差模型，設(shè)定背景光噪聲信號(hào)占總信號(hào)的比例分別為5%、10%、15%、20%，觀(guān)察不同噪聲比例下的偏移誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，背景光噪聲與偏移誤差呈正相關(guān)關(guān)系，噪聲比例每提升5%，偏移誤差平均增加12%，通過(guò)減小背景光干擾可有效提升激光振鏡跟蹤系統(tǒng)的定位檢測(cè)精度。
搭建的激光跟蹤實(shí)驗(yàn)平臺(tái)核心設(shè)備包括直流電源、激光器、二維激光振鏡、探測(cè)器電路、DAC雙路放大電路、STM32微控制器電路以及PC上位機(jī)。光路設(shè)計(jì)中，二維激光振鏡的進(jìn)光處配備UV1900光學(xué)透鏡，該透鏡可透過(guò)500nm-1100nm波段的光信號(hào)，透過(guò)率高達(dá)90%以上。實(shí)驗(yàn)選用PDA5927探測(cè)器用于650nm可見(jiàn)紅外光波段的激光跟蹤，其核心光電參數(shù)如下：感光譜范圍430-1050nm，峰值感光波段940nm，響應(yīng)時(shí)間50ns，結(jié)電容25pF，反向感光電流55μA，暗電流小于10mA。由于實(shí)驗(yàn)為可見(jiàn)光實(shí)驗(yàn)，日光照射會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生顯著干擾，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為晚上六點(diǎn)以后。
通過(guò)恒壓源對(duì)激光振鏡控制電路供電，控制DAC1與DAC2輸出信號(hào)，使用萬(wàn)用表測(cè)量穩(wěn)壓芯片輸入端與輸出端電壓，以及輸出端1和輸出端2的電壓數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)具備良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但存在微小偏差：當(dāng)AMS1117提供5V電源時(shí)，輸出電壓接近1.5V但未完全達(dá)到，且存在微小波動(dòng)。該1.5V信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)雖非絕對(duì)準(zhǔn)確，但誤差處于允許范圍內(nèi)，在光學(xué)跟蹤過(guò)程中，此類(lèi)微小誤差可通過(guò)算法補(bǔ)償，不會(huì)對(duì)激光振鏡的跟蹤精度產(chǎn)生顯著影響。
系統(tǒng)復(fù)位狀態(tài)下，將光源光斑對(duì)準(zhǔn)四象限探測(cè)器，沿水平方向小幅度移動(dòng)光源打破穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，待系統(tǒng)重新穩(wěn)定后，通過(guò)上位機(jī)采集對(duì)應(yīng)的ADC與DAC數(shù)值，重復(fù)操作記錄多組數(shù)據(jù)。ADC數(shù)值反映各象限光照強(qiáng)度，DAC1與DAC2數(shù)值映射跟蹤目標(biāo)的水平與豎直方位。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)光源正對(duì)激光振鏡時(shí)，DAC1與DAC2數(shù)值接近滿(mǎn)輸出狀態(tài)的一半，四個(gè)ADC數(shù)值接近;當(dāng)光源沿直線(xiàn)一側(cè)移動(dòng)時(shí)，隨著光源與激光振鏡距離增加，經(jīng)鏡頭擴(kuò)束的激光束發(fā)散，照射在四象限探測(cè)器上的光功率下降，四個(gè)ADC數(shù)值均呈下降趨勢(shì)，同時(shí)控制光斑沿激光振鏡x軸方向移動(dòng)的DAC1數(shù)值不斷減小。
基于二維激光振鏡的高精度光斑跟蹤系統(tǒng)通過(guò)硬件電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)與軟件算法的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)了光斑的穩(wěn)定跟蹤與精準(zhǔn)定位。硬件層面，選用精密運(yùn)放AD8605與CH340T芯片構(gòu)建的信號(hào)采集與通信電路，保障了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與精準(zhǔn)性;軟件層面，光斑中心定位算法與自動(dòng)掃描算法的結(jié)合，有效提升了系統(tǒng)的跟蹤響應(yīng)速度與抗干擾能力。誤差分析結(jié)果表明，光斑半徑、暗區(qū)寬度與背景光均會(huì)對(duì)系統(tǒng)定位精度產(chǎn)生影響，通過(guò)優(yōu)化光斑參數(shù)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境可顯著提升性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)具備良好對(duì)應(yīng)關(guān)系，微小誤差可通過(guò)算法補(bǔ)償，在水平移動(dòng)光源的測(cè)試場(chǎng)景中，能夠快速重新穩(wěn)定并實(shí)現(xiàn)光斑居中跟蹤，可在光照條件復(fù)雜的環(huán)境下正常工作。未來(lái)，可通過(guò)擴(kuò)大光路視場(chǎng)角、增加驅(qū)動(dòng)部件等方式，進(jìn)一步拓展激光振鏡跟蹤系統(tǒng)的探測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)超出探測(cè)范圍時(shí)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向與大范圍跟蹤，為激光振鏡行業(yè)在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
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