光電定向?qū)嶒?yàn)報(bào)告

2022-06-02 報(bào)告

　　摘要:采用四象限探測器作為光電定向?qū)嶒?yàn)，學(xué)習(xí)四象限探測器的工作原理和特性，同時(shí)掌握四象限探測器定向的工作方法。實(shí)驗(yàn)中，四象限探測器的四個(gè)限區(qū)驗(yàn)證了具有完全一樣的光學(xué)特性，同時(shí)四象限的定向具有較良好的線性關(guān)系。

　　關(guān)鍵詞:光電定向四象限探測器

　　1、引言

　　隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電探測的應(yīng)用也越來越廣泛，其中光電定向作為光電子檢測技術(shù)的重要組成部分，是指用光學(xué)系統(tǒng)來測定目標(biāo)的方位，在實(shí)際應(yīng)用中具有精度高、價(jià)格低、便于自動(dòng)控制和操作方便的特點(diǎn)，因此在光電準(zhǔn)直、光電自動(dòng)跟蹤、光電制導(dǎo)和光電測距等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光電定向方式有掃描式、調(diào)制盤式和四象限式，前兩種用于連續(xù)信號工作方式，后一種用于脈沖信號工作方式。，由于四象限光電探測器能夠探測光斑中心在四象限工作平面的位置，因此在激光準(zhǔn)直、激光通信、激光制導(dǎo)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］. 本光電定向?qū)嶒?yàn)裝置采用激光器作為光源，四象限探測器作為光電探測接收器，采用目前應(yīng)用最廣泛的一種光電定向方式現(xiàn)直觀，快速定位跟蹤目標(biāo)方位。定向原理由兩種方式完成：1、硬件模擬定向，通過模擬電路進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過數(shù)字表頭進(jìn)行顯示，從而顯示出定向坐標(biāo)；2、軟件數(shù)字定向，通過AD轉(zhuǎn)換電路對四個(gè)象限的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算處理，將數(shù)據(jù)送至電腦，由上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示定向結(jié)果。

　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是根據(jù)光學(xué)雷達(dá)和光學(xué)制導(dǎo)的原理而設(shè)計(jì)的，利用其光電系統(tǒng)可以直接、間接地測定目標(biāo)的方向。采用650nm激光器做光源，用四象限探測器顯示光源方向和強(qiáng)度。通過實(shí)驗(yàn)，可以掌握四象限光電探測器原理，并觀測到紅外可見光輻射到四象限探測器上的位置和強(qiáng)度變化。并利用實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，將光學(xué)定向應(yīng)用到各領(lǐng)域中[2]。

　　2、實(shí)驗(yàn)原理

　　2.1、系統(tǒng)介紹

　　光電定向是指用光學(xué)系統(tǒng)來測定目標(biāo)的方位，在實(shí)際應(yīng)用中具有精度高、價(jià)格低、便于自動(dòng)控制和操作方便的特點(diǎn)，因此在光電準(zhǔn)直、光電自動(dòng)跟蹤、光電

　　制導(dǎo)和光電測距等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用激光器作為光源，四象限探測器作為光電探測接收器，根據(jù)電子和差式原理，實(shí)現(xiàn)可以直觀、快速觀測定位跟蹤目標(biāo)方位的光電定向裝置，是目前應(yīng)用最廣泛的一種光電定向方式。該系統(tǒng)主要由發(fā)射部分，光電探測器，信號處理電路，A/D轉(zhuǎn)換和單片機(jī)，最后通過計(jì)算機(jī)顯示輸出。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1：

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1.1激光器發(fā)射部分

　　光發(fā)射電路主要由光源驅(qū)動(dòng)器、光源（主要是半導(dǎo)體光源，包括LED、LD等）、光功率自動(dòng)控制電路（APC）等部分組成。用NE555組成的脈沖發(fā)生電路來驅(qū)動(dòng)650nm的激光器。

　　2.1.2接收部分

　　接收部分主要由四象限探測器組成。四象限光電探測器是一種常用的精跟蹤探測器，其基本原理是光電效應(yīng)，利用半導(dǎo)體材料吸收光子能量引起的電子躍遷，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號．通常是利用集成光路光刻技術(shù)將完整的ＰＮ結(jié)光電二極管的光敏面分割成幾個(gè)具有相同形狀和面積、位置對稱的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以看作１個(gè)獨(dú)立的光電探測器，其背面仍為一整片．理想情況下每個(gè)區(qū)域都具有完全相同的性能參量．象探測器光敏面形狀有圓形和矩形.如圖2所示[3].

　�。ǎ幔﹫A形光敏面ＱＰＤ（ｂ）矩形光敏面ＱＰＤ

　　圖2 四象限探測器實(shí)物圖

　　如圖3（ａ）所示，四象限光電探測器光敏面有４部分Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ．假設(shè)入射光斑為圓形且能量分布均勻，如圖3

　�。ǎ猓┧�，照射在光敏面上的光斑

　　被４個(gè)象限分成４個(gè)部分，４個(gè)象限的光斑面積分別為ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ和ＳＤ．此時(shí)，由于光生伏特效應(yīng)，在４個(gè)象限中產(chǎn)生與光信號對應(yīng)的電信號，其對應(yīng)電流大小分別為ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ和ＩＤ．如圖２（ｃ）所示，當(dāng)光斑中心在四象限光電

　　探測器上的位置改變時(shí)，光敏面各象限上的光斑面積也會(huì)改變，從而引起四象限探測器各象限輸出電流強(qiáng)度的變化，通過一定的信號處理方法可以得到光斑能量中心位置相關(guān)信息．如圖4所示.

　　圖3 四象限探測器工作示意圖

　　圖4四象限探測器工作光路

　　根據(jù)輸出電流強(qiáng)度可以計(jì)算出光斑能量中心位置．用σx和σy分別表示x和y

　　軸上根據(jù)四象限光電探測器輸出信號經(jīng)過一定的算法處理后的歸一化偏移量，σx和σy與光斑能量中心實(shí)際偏移量的對應(yīng)關(guān)系利用加減算法得［６－７］

　　x0KxK(SASB)(SBSD) SASBSCSD

　　(SASB)(SBSD) SASBSCSDy0KyK

　　式中Ｋ為比例常數(shù)，光斑能量中心偏移量σx和σy僅與光斑在探測器上的面積有關(guān)，只要得到了各象限面積之間的比例關(guān)系，即可得到光斑能量中心位置的坐標(biāo)．光斑在探測器上移動(dòng)如圖3（d）所示

　　2.2單脈沖定向原理

　　利用單脈沖光信號確定目標(biāo)方向的原理有以下四種：和差式、對差式、

　　和差

　　比幅式和對數(shù)相減式。

　　2.2.1 和差式

　　這種定向方式是參考單脈沖雷達(dá)原理提出來的。

　　在圖5中，四象限探測器與直角坐標(biāo)系坐標(biāo)軸x,y重合，目標(biāo)（近似圓形的光斑）成像在四象限探測器上。當(dāng)目標(biāo)圓形光斑中心與探測器中心重合時(shí)，四個(gè)光電二極管接收到相同的光功率，輸出相同大小的電流信號，表示目標(biāo)方位坐標(biāo)為：x＝0，y＝0.當(dāng)目標(biāo)圓形光斑中心偏離探測器中心，如圖3，四個(gè)光電二極管輸出不同大小電流信號，通過對輸出電流信號進(jìn)行處理可以得到光斑中心偏差量x1和y1。若光斑半徑為r，光斑中心坐標(biāo)為x1和y1，為分析方便，認(rèn)為光斑得到均勻輻射功率，

　　總功率為P。在各象限探測器上得到扇形光斑面積是光斑總面積的一部分。若設(shè)各象限上的光斑總面積占總光斑面積的百分比為A、B、C、D。則由求扇形面積公式可推得如下關(guān)系[4]：

　　當(dāng)2Xsin1(1) rX14x1時(shí),ABCD1 rr

　　r即x1(ABCD) 4

　　r同理可得 y1(ABCD) 4

　　可見，只要能測出A、B、C、D和r的值就可以求得目標(biāo)的直角坐標(biāo)。但是在實(shí)際系統(tǒng)中可以測得的量是各象限的功率信號，若光電二極管的材料是均勻的，則各象限的光功率和光斑面積成正比，四個(gè)探測器的輸出信號也與各象限上的光斑面積成正比。如圖6，可得輸出偏差信號大小為

　　Vx1KP(ABCD)

　　Vy1KP(ABCD)

　　對應(yīng)于 x1k(ABCD)

　　y1k(ABCD)

　　圖6 和差定向原理式中krKP, K為常數(shù)，與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。 4

　　2.2.2 對差式

　　將圖4的坐標(biāo)系順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45o，于是得

　　x2＝x1cos45o+y1sin45o＝2kAC

　　y2＝-x1cos45o+y1sin45o＝2kBD

　　2.2.3 和差比幅式

　　上述兩種情況中輸出的坐標(biāo)信號均與系數(shù)k有關(guān)。而k又與接收到的目標(biāo)輻射功率有關(guān)。它是隨目標(biāo)距離遠(yuǎn)近而變化的。這是系統(tǒng)輸出電壓Vx1、Vy1并不能

　　夠代表目標(biāo)的真正坐標(biāo)。采用下式表示的和差比幅運(yùn)算可以解決這一問題。 x3k(ABCD)(ABCD)k(ABCD)(ABCD)