激光三维小角度测量仪中PSD信号自适应滤波器的研究

作     者：耿文垒 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘泊

授予年度：2021年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：三维小角度测量 PSD信号 自适应滤波器 LMS算法 

摘      要：对于精密仪器来说,工作环境中噪声干扰是影响测量结果的一大因素,使用滤波器对测量信号进行一定的处理是减弱噪声干扰的常用手段,本课题通过对自适应滤波器相关算法和结构的研究,在激光三维小角度测量仪中使用噪声抵消结构的自适应滤波器对PSD信号进行处理,通过实验对比研究了自适应滤波器对PSD信号的滤波效果。利用激光的准直特性发展出的光学自准直原理在测量微小角度方面具有独特的优势,本课题组基于这一原理使用PSD作为光路的接收器设计了一种激光三维小角度测量仪,该仪器能够精确监测光点的位移从而根据相应几何关系解算出角度的偏移。但是该系统容易受到外部环境干扰,外部环境的噪声或者温度变化会影响测量结果的精确度,而传统的滤波器只能处理一定特性的噪声不能应对多变的环境。因此,本课题提出了利用自适应滤波器的原理对PSD信号进行滤波处理。相比传统滤波器来说,自适应滤波器不需要研究对象统计特性的先验知识,能够跟随外部环境的变化而自动调节自身的参数,从而实现最佳滤波,可以有效减小外部环境噪声干扰等对仪器测量结果的影响。本设计对自适应滤波器的相关理论进行研究,在现有自适应滤波算法中,选择了一种性能较好且容易实现的LMS算法进行自适应滤波器的设计,并使用MATLAB软件对LMS自适应滤波算法的滤波效果进行仿真。本设计选择STM32F103ZE单片机作为激光三维小角度测量仪的嵌入式处理器芯片,利用软件程序实现自适应滤波器的设计,在硬件电路对PSD信号初步处理的基础上,使用自适应滤波器对PSD信号进一步滤波处理,最终通过示值稳定性实验等来验证自适应滤波器的效果。经过与未加自适应滤波算法的实验结果对比发现,使用自适应滤波器对PSD信号进行滤波处理后,小角度测量仪的示值稳定性有所改善,提高了仪器的测量精度,满足了设计要求。