本發(fā)明涉及電子
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種光探測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：隨著我國城市化進(jìn)程發(fā)展，地鐵成為很多城市重要的交通工具之一。地鐵是個獨(dú)立的有軌交通系統(tǒng)，其不會受地面道路情況的影響，因而能夠按照設(shè)計的能力正常運(yùn)行，從而可以快速、安全、舒適地運(yùn)送乘客。同時，地鐵以其效率高、無污染，且能夠滿足諸多城市的大運(yùn)量的要求等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代化城市的標(biāo)志之一。地鐵在運(yùn)營過程中，為保證運(yùn)營的安全及智能化等方面的需求，通常需要設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備。目前，地鐵中對大部分監(jiān)測設(shè)備使用的探測器為照度探測器。但是現(xiàn)有的照度探測器的靈敏度一般比較低，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性也相應(yīng)降低，故無法很好地滿足地鐵運(yùn)營的需求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種光探測系統(tǒng)，從而可以有效提高針對地鐵等場所進(jìn)行精確有效的監(jiān)測。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種光探測系統(tǒng)，包括光電探測器、前置處理電路和非線性補(bǔ)償電路，所述光電探測器將通過其光敏面采集的來自于待探測區(qū)域的光信號轉(zhuǎn)換為電信號后傳送至所述前置處理電路，所述前置處理電路將所述電信號進(jìn)行前置放大處理后繼續(xù)傳送至所述非線性補(bǔ)償電路，由所述非線性補(bǔ)償電路對所述放大處理后的電信號進(jìn)行非線性補(bǔ)償處理后輸出，所述非線性補(bǔ)償處理后輸出的信號用于分析確定待探測區(qū)域的參數(shù)信息。所述前置處理電路包括：第一放大器和第二放大器，所述第一放大器和第二放大器的輸入端分別與所述光電探測器的輸出電流端連接，且所述第一放大器和第二放大器的輸入端和輸出端之間分別連接有電容和電阻，所述電容和電阻為并聯(lián)。所述非線性補(bǔ)償電路包括：第三放大器和第四放大器，所述第三放大器和第四放大器的輸入端分別與所述第一放大器和第二放大器的輸出端連接，所述第三放大器和第四放大器的輸出端還與乘法器連接，所述乘法器的輸出端連接至所述第四放大器的輸入端處，所述第四放大器的輸出端輸出所述非線性補(bǔ)償處理后輸出的信號。所述第一放大器和第二放大器的輸出端輸出的信號為電壓信號。所述第一放大器和第二放大器采用積分的方式進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，以及通過調(diào)節(jié)積分的時間來調(diào)節(jié)增益大小，令輸出電壓在預(yù)定的范圍內(nèi)。所述第一放大器和第二放大器采用型號為ad820的放大器。所述第一放大器和第二放大器的電源采用的是基準(zhǔn)電壓源。該系統(tǒng)還包括：激光器、聚光透鏡和成像透鏡，所述激光器發(fā)射的光穿過所述聚光透鏡到達(dá)待探測區(qū)域后反射發(fā)出，所述待探測區(qū)域反射發(fā)出的光經(jīng)過所述成像透鏡到達(dá)所述光電探測器。所述聚光透鏡和成像透鏡前還設(shè)置有同光源峰值波長相同的窄帶濾光片。所述待探測區(qū)域反射發(fā)出的光經(jīng)過所述成像透鏡到達(dá)光電探測器后，要求所述光電探測器收到的光斑小于預(yù)定值，且所光斑的清晰度符合預(yù)定的要求。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種光探測系統(tǒng)采用了psd(位置敏感探測器，或稱位置傳感器或光電探測器)技術(shù)，使得相應(yīng)的光探測系統(tǒng)具有較高的靈敏度，從而可以準(zhǔn)確地監(jiān)測地鐵等場所的光照度、人流等情況。對地鐵運(yùn)營自動化的發(fā)展過程起到了推動作用。而且，該光探測系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的測量系統(tǒng)的開環(huán)非線性補(bǔ)償原理圖；圖2為圖1中的開環(huán)非線性補(bǔ)償部分的電路圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。psd橫向光電效應(yīng)是schottky在1930年代發(fā)現(xiàn)的，但是當(dāng)時并沒有得到特別關(guān)注。1957年，wallmark在圓形ge-inp-n結(jié)上重新發(fā)現(xiàn)了橫向光電效應(yīng)?，F(xiàn)象是當(dāng)光斑在器件上移動時，光斑位移與在n型層面上的兩個相距1毫米的點(diǎn)電極之間的電勢差成比例。他對此現(xiàn)象做出了理論解釋，并提出該理論可以用于檢測光點(diǎn)位置。之后對psd的研究真正開始了。psd(位置敏感探測器，或稱位置傳感器或光電探測器)是一種基于非均勻半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)，是一種對粒子位置或者入射光很敏感的光電器件。具有對光學(xué)系統(tǒng)以及光源的要求相對比較低并且響應(yīng)速度較快，分辨率高，信號處理相對簡單等特點(diǎn)。psd適用于距離、位移、動態(tài)監(jiān)測、角度以及位置等非接觸高精度快速測量，廣泛應(yīng)用于監(jiān)控、機(jī)器人傳感、自動聚焦、工業(yè)檢測等領(lǐng)域?；趐sd的上述特性，本發(fā)明提供的光探測系統(tǒng)即為基于psd實(shí)現(xiàn)，從而可以滿足更為精確的特定場所的監(jiān)測需求。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種光探測系統(tǒng)，其具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以包括光電探測器(即位置傳感器，屬于非線性環(huán)節(jié)，即輸入信號x經(jīng)光電探測器后輸出為非線性信號)、前置處理電路和非線性補(bǔ)償電路，所述光電探測器將通過其光敏面采集到的來自于待探測區(qū)域的光信號轉(zhuǎn)換為電信號后傳送至所述前置處理電路，所述前置處理電路將所述電信號進(jìn)行前置放大處理后繼續(xù)傳送至所述非線性補(bǔ)償電路，由所述非線性補(bǔ)償電路對所述放大處理后的電信號進(jìn)行非線性補(bǔ)償處理后輸出，所述非線性補(bǔ)償處理后輸出的信號用于分析確定待探測區(qū)域的參數(shù)信息。即基于該經(jīng)過非線性補(bǔ)償處理后輸出的電壓信號便可以分析確定待探測區(qū)域的參數(shù)信息，例如，人流情況或光照度情況等參數(shù)信息，之后，相應(yīng)的參數(shù)信息既可以為其他智能自動化處理部分的參考數(shù)據(jù)，也可以直接輸出給用戶，便于用戶獲知待監(jiān)測區(qū)域的情況。在上述光探測系統(tǒng)中，所述前置處理電路如圖2所示，可以包括：第一放大器op1和第二放大器op2，所述第一放大器op1和第二放大器op2的輸入端分別與所述光電探測器的輸出電流端i1、i2連接，且所述第一放大器op1和第二放大器op2的輸入端和輸出端之間分別連接有電容和電阻r1、r2，所述電容和電阻r1、r2為并聯(lián)。通過所述第一放大器op1和第二放大器op2可以對微弱的電流信號進(jìn)行前置放大處理，便于后續(xù)的處理過程中對電流信號的處理分析。在上述光探測系統(tǒng)，所述非線性補(bǔ)償電路仍參照圖2所示，可以包括：第三放大器op3和第四放大器op4，所述第三放大器op3和第四放大器op4的輸入端分別與所述第一放大器op1和第二放大器op2的輸出端連接，所述第三放大器op3和第四放大器op4的輸出端還與乘法器m連接，所述乘法器m的輸出端連接至所述第四放大器op4的輸入端處，所述第四放大器op4的輸出端輸出所述非線性補(bǔ)償處理后輸出的信號。進(jìn)一步地，上述光探測系統(tǒng)中，所述第一放大器op1和第二放大器op2的輸出端輸出的信號為電壓信號v1、v2。且所述第一放大器op1和第二放大器op2可以采用型號為ad820的放大器。所述第一放大器op1和第二放大器op2的電源可以采用基準(zhǔn)電壓源。具體地，本發(fā)明實(shí)施例提供的光探測系統(tǒng)如圖3所示，還可以包括：激光器、聚光透鏡和成像透鏡，所述激光器發(fā)射的光穿過所述聚光透鏡到達(dá)待探測區(qū)域后反射發(fā)出，所述待探測區(qū)域反射發(fā)出的光經(jīng)過所述成像透鏡到達(dá)所述光電探測器。進(jìn)一步地，在所述聚光透鏡和成像透鏡前還可以設(shè)置有同光源峰值波長相同的窄帶濾光片。在發(fā)射透鏡(聚光透鏡)和接收透鏡(成像透鏡)前加上同光源峰值波長相同的窄帶濾光片的目的是為了消除雜散光以及背景光的干擾。在該光探測系統(tǒng)中，所述待探測區(qū)域反射發(fā)出的光經(jīng)過所述成像透鏡到達(dá)光電探測器后，要求所述光電探測器收到的光斑小于預(yù)定值，且所光斑的清晰度符合預(yù)定的要求。也就是說，該光探測系統(tǒng)要求所測量的距離(即圖3中待探測區(qū)域中的距離z，即ob)反應(yīng)到psd(光電探測器)的光斑(圖3中的o’b’)盡可能的小，并且要求光斑是清晰的，即滿足清晰度的要求。本實(shí)發(fā)明實(shí)施例提供的光探測系統(tǒng)是一種結(jié)合激光三角測量的原理設(shè)計出的合理的信號處理系統(tǒng)，可以用于位移(移動物體)、振動物理量的測量。由于激光三角法獲得的測量結(jié)果是非線性的，為了便于進(jìn)行測量和控制，本發(fā)明實(shí)施例中采用了相應(yīng)的補(bǔ)償處理，消除了激光三角法測量結(jié)果的非線性特性，提高了測量的可操作性。激光三角測量具體是根據(jù)漫反射光來實(shí)現(xiàn)測量的。本發(fā)明實(shí)施例中對微弱的電流信號處理，pcb板的設(shè)計以及放大器的選擇等方面進(jìn)行了較為新穎的設(shè)計，使得相應(yīng)的光探測系統(tǒng)可以取得較佳的監(jiān)測效果，進(jìn)而使得該光探測系統(tǒng)能有效的檢測到地鐵中人流、照明、行車等情況，從而便于保證地鐵運(yùn)行安全。本發(fā)明實(shí)施例提供的光探測系統(tǒng)具有響應(yīng)速度較快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證測量的準(zhǔn)確性。其具體可以但不限于應(yīng)用于地鐵照明監(jiān)控系統(tǒng)中。通過該光探測系統(tǒng)可以對地鐵中乘客的位置的光源的反射情況來判斷地鐵區(qū)域光照度是否滿足規(guī)范的要求。當(dāng)乘客接近部分地鐵區(qū)域時，光照度偏低或者偏高時該光探測系統(tǒng)中的位敏探測器將通過軟件硬件程序進(jìn)行判斷。當(dāng)光照度過高或低時，可以發(fā)出指令從而控制光源。從而使得乘客在地鐵區(qū)域活動時，保證光照度滿足規(guī)范要求，并且能夠達(dá)到很好的節(jié)能效果。進(jìn)一步地，該光探測系統(tǒng)還可以應(yīng)用于人流、行車等監(jiān)控，以保證乘客以及行車的安全。當(dāng)然，該光探測系統(tǒng)也可以應(yīng)用于除地鐵以外的其他類似場所中，以進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測。為便于對本發(fā)明實(shí)施例的理解，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)過程作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。本發(fā)明實(shí)施例中所采用的激光三角測量方法是一種非接觸測量位移的方法，該方法可以廣泛應(yīng)用于三維物體的輪廓、厚度以及振動的測量。其原理是：激光束投射在被測物面(行人或車輛等)，會形成的漫反射光斑，將光斑作為位置傳感器(即psd)的輸入信號，利用透鏡成像原理收集漫反射光聚在位置傳感器的聚焦平面的光接收器上因此形成像點(diǎn)，相應(yīng)的聚焦平面也可以稱為光敏面，光敏面的長度影響到psd的接收性能，本發(fā)明實(shí)施例在具體實(shí)施過程中可以選擇國內(nèi)生產(chǎn)的psd，其光敏面長度為8mm。當(dāng)入射光斑隨被測物移動時，像點(diǎn)會在光接收器上做相應(yīng)的移動，根據(jù)像移大小以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的參數(shù)得出被測物(人員或行車等)的位移量，以及獲取的被測物的某方面相關(guān)信息。為了保證反映出物面的位置變化，不受其表面質(zhì)量粗糙度的影響，本發(fā)明實(shí)施例中具體可以選用激光束入射被測物面的三角測量方法。本發(fā)明實(shí)施例中的激光三角測量過程原理如下：參照圖3所示，成像透鏡l的焦距為f，d0(即om)為透鏡光軸上物距，di(mo′)為像距，γ(∠bom)為透鏡光軸上漫反射光與入射光的夾角，γ′(∠a′o′m)為ccd(chargecoupleddevice，電荷耦合器件)像面與透鏡光軸的夾角，i為像方成像點(diǎn)位置的變化量，z為物方縱向位置變化量(被測物由o移至b時)，由圖3可知：bob＝zsinγ,b′ob′＝isinγ′；即根據(jù)上式化簡處理后可知：當(dāng)被測物由o移至a時，可知：綜合上述兩式可得：通過上述激光三角測量過程得到的曲線為非線性曲線，故還需要非線性補(bǔ)償措施來減小非線性測量誤差。如圖2所示，在相應(yīng)的非線性補(bǔ)償措施中，先將電流i1和i2經(jīng)第一放大器op1和第二放大器op2實(shí)現(xiàn)電流/電壓轉(zhuǎn)換，再由放大器op3實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算，以及由第四放大器op4和乘法器m實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算，以通過相應(yīng)的開環(huán)式補(bǔ)償方案進(jìn)行補(bǔ)償處理。具體地，圖2中非線性補(bǔ)償電路是通過加法器和乘法器使得電路系統(tǒng)輸出的電壓信號和被測物面位移的大小線性對應(yīng)非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的補(bǔ)償處理。由于被測物面光反射能力不同的，在psd上的成像光斑的光強(qiáng)是不同的，導(dǎo)致psd輸出電流不同。為了能夠測量光反射能力不同的被測物面，基于相應(yīng)的的第一放大器op1和第二放大器op2，具體可以采用積分的方式進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換。并通過調(diào)節(jié)積分的時間來調(diào)節(jié)增益大小，從而使得輸出電壓在一個合理的范圍(預(yù)定的范圍)之內(nèi)。本發(fā)明實(shí)施例在具體實(shí)現(xiàn)過程中，具體可以根據(jù)綜合考慮增益帶寬，噪聲，溫漂等參數(shù)合理地進(jìn)行圖2中的放大器型號的選擇。下面將詳細(xì)描述相應(yīng)的放大器的選擇過程：在前置放大器的選擇過程中，需要考慮精密放大器的以下幾個重要參數(shù)：(1)輸入失調(diào)電壓，由于運(yùn)算放大器的差分輸入不能達(dá)到完全對稱，輸入電壓為零時，仍然存在少量的輸出電壓。將這個輸出電壓轉(zhuǎn)換為理想運(yùn)算放大器的輸入電壓即是這個放大器輸入失調(diào)電壓。輸入失調(diào)電壓是系統(tǒng)誤差，因此補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ姓{(diào)零補(bǔ)償以及系統(tǒng)校正技術(shù)。(2)輸入偏置電流指，是指在運(yùn)放輸出為零的時候，兩個輸入端的靜態(tài)電流的平均值。偏置電流越小，信號源內(nèi)阻變化引起輸出電壓的變化就越小。如果偏置流比輸入電流還要大，那么系統(tǒng)將無法檢測到輸入信號。(3)輸入失調(diào)電流，是指運(yùn)放輸出為零時輸入端靜態(tài)電流的差值。由于信號源存在內(nèi)阻，放大器輸出電壓不為零，會導(dǎo)致輸入電壓放大器不平衡。采用的方法是通過平衡電阻來消除。(4)溫漂，是指輸入失調(diào)電流漂移以及輸入失調(diào)電壓漂移。(5)將一個頻率可變的恒幅正弦小信號輸入到運(yùn)放器的輸入端，單位增益帶寬運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍，隨著輸入信號頻率的增加，輸出信號增益將持續(xù)減小，在閉環(huán)電壓增益下，運(yùn)放輸出端測得的信號相當(dāng)于運(yùn)放輸入信號的0.707時，對應(yīng)的信號頻率乘以閉環(huán)放大倍數(shù)1得到了增益帶寬積。(6)開環(huán)增益精密運(yùn)算放大器的直流開環(huán)增益應(yīng)當(dāng)很高。相應(yīng)的增益計算公式為：av為實(shí)際增益，a為開環(huán)增益，為設(shè)計增益由下表1可知使用開環(huán)增益誤差較小。相應(yīng)的增益誤差表如下表1所示：表1以下表2中是部分型號放大器的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)：表2型號增益帶寬噪聲溫漂ad8201.9131ad7951.693ad82316162ad825461210op070.60.350.1通過上述表2中各型號放大器的技術(shù)指標(biāo)情況，本發(fā)明實(shí)施例中可以采用放大器ad820作為圖2中的放大器op1和op2。進(jìn)一步地，放大器ad820的更多的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如下：失調(diào)電壓漂移：最大為2μv/℃；電壓噪聲：100hz時21nv/rthz；輸入偏流：在25℃時最大為25pa；增益帶寬乘積為1.9mhz；電流噪聲：1khz時為0.8fa/rthz；當(dāng)電壓為±15v時1.6w。綜上技術(shù)指標(biāo)可以看出，相應(yīng)的放大器ad820可以作為本發(fā)明實(shí)施例圖2中的放大器op1和op2。本發(fā)明實(shí)施例中還需要對圖2中的psd信號檢測電路引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，其中，psd信號檢測電路引起的誤差可以包括：前置運(yùn)算放大器輸入偏置電流引起的誤差、反饋電阻溫漂等噪聲引起的誤差，以及psd兩路信號放大倍數(shù)不一致引起的誤差，等等。為進(jìn)行相應(yīng)的前置放大電路補(bǔ)償處理，在設(shè)計電路時，可以采用以下補(bǔ)償措施：(1)采用高精度的精密電阻(圖2中的r1和r2)和低輸入偏置電流的運(yùn)放；(2)合理布置印刷電路板上面的元件，合理接地；(3)psd工作時需要反偏電壓提高響應(yīng)速度和靈敏度，因而會產(chǎn)生暗電流及產(chǎn)生噪聲電流；為了降低或者消除相應(yīng)產(chǎn)生的電流誤差，可以對電路進(jìn)行電流補(bǔ)償，即通過圖2中的電壓v1和v2之前的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行電流補(bǔ)償；以及令圖2中的第一放大器op1和第二放大器op2的補(bǔ)償電流的電源采用基準(zhǔn)電壓源來產(chǎn)生，在光照射在量程范圍外的物體上或者激光器關(guān)閉時，使得第一放大器op1和第二放大器op2的前置放大輸出電壓(v1,v2)為零，以消除暗電流及背景光產(chǎn)生電流的影響。本發(fā)明實(shí)施例在實(shí)施過程中還需要考慮采取相應(yīng)的電路抗干擾措施，以增加電路的抗干擾性能。電路中形成干擾的主要因素通過包括：干擾源，傳播途徑和受干擾設(shè)備。模擬電路而言干擾很多是電源引起的。優(yōu)質(zhì)的線性電源能夠減少這種干擾。且進(jìn)入電路前濾除紋波電壓也可以減少開關(guān)電源的干擾。同時，還需要提高pcb板的抗干擾性，注意pcb板的抗干擾的措施，即：優(yōu)化pcb板電子元件的布局；在重要的部位配置旁路電容(圖2中的電容的設(shè)置)；以及合理布置電源線和接地等均可以增強(qiáng)pcb板的抗干擾性能。本發(fā)明實(shí)施例提供的光探測系統(tǒng)在具體應(yīng)用過程中，相應(yīng)的測量值與真實(shí)值之間的誤差如下表3所示，由表3可見，該光探測系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性較高，可以很好地滿足針對移動物體等測量的準(zhǔn)確性要求。表3總之，本發(fā)明實(shí)施例中根據(jù)psd的工作原理，對測量誤差來源進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)相關(guān)的理論分析，考慮到光電測距的簡單、重量輕、體積小，并且具有高測量的精準(zhǔn)度以及數(shù)據(jù)連接。將該系統(tǒng)應(yīng)用于地鐵運(yùn)營管理中，可以有效提高探測系統(tǒng)對地鐵運(yùn)行的監(jiān)控準(zhǔn)確度。對地鐵中光照度的監(jiān)控，實(shí)時調(diào)整，節(jié)約了能源。對人流的監(jiān)控有效的預(yù)防了地鐵站內(nèi)人流過度擁擠的現(xiàn)象。綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的光探測系統(tǒng)在地鐵中應(yīng)用的發(fā)展前景還是很樂觀的，且將會有很大的發(fā)展空間。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁12