一种用于激光偏转角检测的四象限探测器残差标定方法

本技术涉及激光探测，特别涉及一种用于激光偏转角检测的四象限探测器残差标定方法。

背景技术：

1、空间激光通信、激光制导和精密光束对准系统均要求对激光光束的微小偏转角进行高精度检测。激光束发散角小、方向性强，在传播和采集过程中容易受到平台振动、大气扰动、光路装调误差、背景光噪声等因素影响，导致光斑在探测面发生微小偏移或形态畸变。

2、四象限探测器响应速度快、灵敏度高、信号处理结构简单，是激光光束位置和偏转角检测中常用的探测元件。其基本思路是采集四个象限的电流或电压输出，并通过差比法等前级求解器计算偏转角。

3、在理想条件下，光斑近似为中心对称高斯分布，四象限之间无死区且各通道增益一致，此时差比输出与光斑位移在小范围内具有较好对应关系。但真实四象限探测器往往同时存在探测器死区、象限响应非均匀、通道增益失配、电子噪声、背景光、离焦和光学系统级误差等非理想因素，导致前级求解器计算的偏转角的精度较低。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种用于激光偏转角检测的四象限探测器残差标定方法。

2、本说明书采用下述技术方案：

3、本说明书提供了一种用于激光偏转角检测的四象限探测器残差标定方法，包括：

4、根据四象限探测器靶面四个象限的输出电流，计算归一化差分特征、对角差分特征，以及功率尺度特征，形成响应特征向量；

5、根据归一化差分特征，确定四象限探测器靶面上激光光斑的归一化响应半径和响应方向角，并根据归一化响应半径和响应方向角，确定光斑在靶面的分区编号；根据当前四象限探测器的环境干扰参数和激光光束物理参数，确定光斑对应的工况索引；

6、获取分区编号和工况索引对应的局部残差模型，并将响应特征向量输入至局部残差模型，得到目标残差估计量；目标残差估计量反映了前级求解器在真实系统下尚未消除的局部系统误差。

7、可选地，根据归一化响应半径和响应方向角，确定光斑在靶面的分区编号，包括：

8、根据归一化响应半径，确定光斑在靶面的径向区域编号；

9、根据响应方向角，确定光斑在靶面的扇区编号；靶面圆周按角度划分多个扇区；

10、对光斑在靶面的径向区域编号和扇区编号进行编码，得到光斑在靶面唯一的分区编号。

11、可选地，径向区域包括中心区、有效区、过渡区和边缘区；根据归一化响应半径，确定光斑在靶面的径向区域编号，包括：

12、若归一化响应半径大于或等于0且小于第一预设半径阈值，则确定光斑在靶面的中心区；

13、若归一化响应半径大于或等于第一预设半径阈值且小于第二预设半径阈值，则确定光斑在靶面的有效区；

14、若归一化响应半径大于或等于第二预设半径阈值且小于第三预设半径阈值，则确定光斑在靶面的过渡区；

15、若归一化响应半径大于或等于第三预设阈值且小于或等于1，则确定光斑在靶面的边缘区；

16、根据光斑在靶面的径向区域，确定光斑在靶面的径向区域编号。

17、可选地，根据当前四象限探测器的环境干扰参数和激光光束物理参数，确定光斑对应的工况索引，包括：

18、将环境干扰参数和激光光束物理参数分别进行量化分级，得到各参数的等级编码；环境干扰参数包括环境灯状态和背景噪声；激光光束物理参数包括光功率、衰减片透光率、信噪比、光斑尺度和光斑形态特征；

19、根据各参数对应的等级编码，生成光斑唯一的工况索引。

20、可选地，获取分区编号和工况索引对应的局部残差模型，包括：

21、将分区编号和工况索引组合，形成二维联合索引向量；

22、根据二维联合索引向量，在预先构建的残差模型库中进行检索；残差模型库以分区编号和工况索引的每一种组合作为唯一的存储寻址键值，每一组分区编号和工况索引的组合均唯一对应一组预存储的局部残差模型参数；不同组合对应不同的局部残差模型参数；

23、将检索到的与二维联合索引向量相匹配的局部残差模型参数，加载至残差估计器，得到与当前光斑空间位置和当前工作状态唯一匹配的局部残差模型。

24、可选地，该方法还包括：

25、在确定光斑的分区编号时，若归一化响应半径或响应方向角落入预设的边界过渡带，则将边界两侧相邻的分区编号均作为候选分区编号；

26、根据两个候选分区编号和光斑对应的工况索引，确定第一局部残差模型和第二局部残差模型；

27、将响应特征向量分别输入第一局部残差模型和第二局部残差模型，得到第一残差估计量和第二残差估计量；

28、根据当前归一化响应半径或响应方向角在边界过渡带内的位置确定插值权重，并对第一残差估计量和第二残差估计量进行加权插值，得到目标残差估计量。

29、可选地，残差模型库的构建方式，包括：

30、采集不同偏转角、不同环境干扰参数和不同激光光束物理参数下四象限探测器靶面四个象限的样本输出电流；

31、将四个象限的样本输出电流输入至预先标定的前级求解器中，得到激光光束相对于四象限探测器的样本初始偏转角；

32、根据实际偏转角与样本初始偏转角之差定义样本残差；

33、根据四个象限的样本输出电流，构建样本响应特征向量，以及每一个样本的分区编号和工况索引；

34、在每一种分区编号和工况索引的组合下，通过对应样本的样本残差和样本响应特征向量构建局部残差模型；

35、将每一种分区编号和工况索引的组合下的局部残差模型的模型参数存储至残差模型库中。

36、可选地，局部残差模型采用加权岭回归、局部线性模型、低阶多项式模型或轻量化神经网络构建。

37、可选地，根据四个象限的输出电流，计算归一化差分特征、对角差分特征，以及功率尺度特征，形成响应特征向量，包括：

38、计算四个象限的输出电流的总和，得到光总电流；

39、根据每一象限的输出电流，计算光斑在靶面x方向和y方向的偏移量；

40、根据总光电流，对光斑在靶面x方向和y方向的偏移量分别进行归一化，得到光斑在四象限探测器靶面的归一化差分特征；

41、根据四个象限的输出电流中对角象限的电流之差，确定对角电流差分；

42、通过总光电流对对角电流差分进行归一化，得到对角差分特征；

43、对总光电流进行对数运算，得到功率尺度特征；

44、将归一化差分特征、对角差分特征和功率尺度特征，组成响应特征向量。

45、可选地，归一化差分特征包括x方向归一化差分特征和y方向归一化差分特征；根据归一化差分特征，确定四象限探测器靶面上激光光斑的归一化响应半径和响应方向角，包括：

46、计算x方向归一化差分特征和y方向归一化差分特征的平方和的平方根，并除以，将所得值确定为归一化响应半径；

47、将垂直方向归一化差分特征作为第一变量、将水平方向归一化差分特征作为第二变量输入双变量反正切函数，得到响应方向角。

48、本说明书提供了一种用于激光偏转角检测的四象限探测器残差标定装置，包括：

49、计算模块，用于根据四象限探测器靶面四个象限的输出电流，计算归一化差分特征、对角差分特征，以及功率尺度特征，形成响应特征向量；

50、分区模块，用于根据归一化差分特征，确定四象限探测器靶面上激光光斑的归一化响应半径和响应方向角，并根据归一化响应半径和响应方向角，确定光斑在靶面的分区编号；根据当前四象限探测器的环境干扰参数和激光光束物理参数，确定光斑对应的工况索引；

51、残差标定模块，用于获取分区编号和工况索引对应的局部残差模型，并将响应特征向量输入至局部残差模型，得到目标残差估计量；目标残差估计量反映了前级求解器在真实系统下尚未消除的局部系统误差。

52、本说明书提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述用于激光偏转角检测的四象限探测器残差标定方法。

53、本说明书提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述用于激光偏转角检测的四象限探测器残差标定方法。

54、本说明书采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

55、在本说明书提供的用于激光偏转角检测的四象限探测器残差标定方法中，通过依据光斑在靶面的分区编号以及由环境干扰和物理参数确定的工况索引，自适应调用对应的局部残差模型，能够针对不同落点区域及干扰条件，输出高精度的目标残差估计量，该估计量真实反映了前级求解器在非理想因素（如探测器死区、增益失配、噪声、背景光及光学误差）影响下尚未消除的局部系统偏差，显著提升了偏转角残差估计的可信度，从而为后续误差补偿环节提供准确、可靠的校正依据，为提高偏转角检测精度奠定了坚实基础。