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随着现代工业的发展，人们对于在某些场合的三维坐标测量有更高的要求。例如在工业机器人、航天航空、船舶制造等领域，需要进行大范围、高精度的现场测量。传统的测量方法，例如三坐标测量机，已经难以满足这种要求。伴随着机器人测量学的发展，激光跟踪干涉测量方法应运而生。相比传统的测量方法，激光跟踪测量方法具有高精度、无导轨、大范围、实时动态等优点，得到了广泛应用。本文基于球坐标法测量原理和现场可编程门阵列（FPGA），进行了激光跟踪测量系统中跟踪部分的光学、机械、硬件电路、软件等部分的设计。根据球坐标法原理，首先对激光跟踪测量系统进行了光学部分的设计，采用法拉第器作为光隔离器改进了传统的光路。根据跟踪系统对机械转动部分的动力学要求，设计了跟踪转头的机械结构，并进行了电机的选型。选用二维枕形位置敏感探测器（PSD）作为激光光斑重心的位置传感器，并对PSD的信号进行了后续处理。以AD公司的AD820作为运算放大器构建了T型反馈网络结构的I/V转换电路。经过转换和放大电路的信号再由AD转换电路转换成数字信号输入FPGA。基于Altera公司的FPGA芯片cyclone IV，用Verilog HDL语言设计了软件结构。包括三个部分：AD采样控制、坐标转换和电机控制。AD采样软件部分控制上述AD采样电路将PSD的电极电压值读取到FPGA中并输入坐标运算模块，坐标转换部分是由基本的浮点运算模块组合而成。运算单元可以计算出光点的位置和电机需要转动的角度，再由电机驱动部分驱动电机带动机械部分转动完成跟踪。在上述设计的基础上，对整个系统的性能进行了实验验证。实验包括对PSD及后续转换电路输入电压的线性度的测量、目标镜接收范围即系统测量范围的检验和系统跟踪能力的验证。实验结果证明，跟踪系统可以对距离转镜2m内、以0.1m/s运动的物体实现稳定跟踪。