光電定向實驗報告
摘要:採用四象限探測器作為光電定向實驗，學習四象限探測器的工作原理和特性，同時掌握四象限探測器定向的工作方法。實驗中，四象限探測器的四個限區驗證了具有完全一樣的光學特性，同時四象限的定向具有較良好的線性關係。
關鍵詞:光電 定向 四象限探測器
1、引言
隨著光電技術的發展，光電探測的應用也越來越廣泛，其中光電定向作為光電子檢測技術的重要組成部分，是指用光學系統來測定目標的方位，在實際應用中具有精度高、價格低、便於自動控制和操作方便的特點，因此在光電準直、光電自動跟蹤、光電制導和光電測距等各個技術領域得到了廣泛的應用。光電定向方式有掃描式、調製盤式和四象限式，前兩種用於連續訊號工作方式，後一種用於脈衝訊號工作方式。，由於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，因此在鐳射準直、鐳射通訊、鐳射制導等領域得到了廣泛的應用［1］. 本光電定向實驗裝置採用鐳射器作為光源，四象限探測器作為光電探測接收器，採用目前應用最廣泛的`一種光電定向方式現直觀，快速定位跟蹤目標方位。定向原理由兩種方式完成：1、硬體模擬定向，透過類比電路進行座標運算，運算結果透過數字表頭進行顯示，從而顯示出定向座標；2、軟體數字定向，透過AD轉換電路對四個象限的輸出資料進行採集處理，經過微控制器運算處理，將資料送至電腦，由上位機軟體實時顯示定向結果。
本實驗系統是根據光學雷達和光學制導的原理而設計的，利用其光電系統可以直接、間接地測定目標的方向。採用650nm鐳射器做光源，用四象限探測器顯示光源方向和強度。透過實驗，可以掌握四象限光電探測器原理，並觀測到紅外可見光輻射到四象限探測器上的位置和強度變化。並利用實驗儀進行設計性實驗等內容，將光學定向應用到各領域中[2]。
2、實驗原理
2.1、系統介紹
光電定向是指用光學系統來測定目標的方位，在實際應用中具有精度高、價格低、便於自動控制和操作方便的特點，因此在光電準直、光電自動跟蹤、光電
制導和光電測距等各個技術領域得到了廣泛的應用。採用鐳射器作為光源，四象限探測器作為光電探測接收器，根據電子和差式原理，實現可以直觀、快速觀測定位跟蹤目標方位的光電定向裝置，是目前應用最廣泛的一種光電定向方式。該系統主要由發射部分，光電探測器，訊號處理電路，A/D轉換和微控制器，最後透過計算機顯示輸出。該系統結構框圖如圖1：
圖1 系統結構框圖
2.1.1鐳射器發射部分
光發射電路主要由光源驅動器、光源（主要是半導體光源，包括LED、LD等）、光功率自動控制電路（APC）等部分組成。用NE555組成的脈衝發生電路來驅動650nm的鐳射器。
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，利用半導體材料吸收光子能量引起的電子躍遷，將光訊號轉換為電訊號．通常是利用整合光路光刻技術將完整的ＰＮ結光電二極體的光敏面分割成幾個具有相同形狀和麵積、位置對稱的區域，每個區域可以看作１個獨立的光電探測器，其背面仍為一整片．理想情況下每個區域都具有完全相同的效能參量．象探測器光敏面形狀有圓形和矩形.如圖2所示[3].
（ａ）圓形光敏面ＱＰＤ （ｂ）矩形光敏面ＱＰＤ
圖2 四象限探測器實物圖
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．假設入射光斑為圓形且能量分佈均勻，如圖3
（ｂ）所示，照射在光敏面上的光斑
被４個象限分成４個部分，４個象限的光斑面積分別為ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ和ＳＤ．此時，由於光生伏特效應，在４個象限中產生與光訊號對應的電訊號，其對應電流大小分別為ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ和ＩＤ．如圖２（ｃ）所示，當光斑中心在四象限光電
探測器上的位置改變時，光敏面各象限上的光斑面積也會改變，從而引起四象限探測器各象限輸出電流強度的變化，透過一定的訊號處理方法可以得到光斑能量中心位置相關資訊．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
根據輸出電流強度可以計算出光斑能量中心位置．用σx和σy分別表示x和y
軸上根據四象限光電探測器輸出訊號經過一定的演算法處理後的歸一化偏移量，σx和σy與光斑能量中心實際偏移量的對應關係利用加減演算法得［６－７］
x0KxK(SASB)(SBSD) SASBSCSD
(SASB)(SBSD) SASBSCSDy0KyK
式中Ｋ 為比例常數，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，只要得到了各象限面積之間的比例關係，即可得到光斑能量中心位置的座標．光斑在探測器上移動如圖3（d）所示
2.2單脈衝定向原理
利用單脈衝光訊號確定目標方向的原理有以下四種：和差式、對差式、
和差
比幅式和對數相減式。
2.2.1 和差式
這種定向方式是參考單脈衝雷達原理提出來的。
在圖5中，四象限探測器與直角座標系座標軸x,y重合，目標（近似圓形的光斑）成像在四象限探測器上。當目標圓形光斑中心與探測器中心重合時，四個光電二極體接收到相同的光功率，輸出相同大小的電流訊號，表示目標方位座標為：x＝0，y＝0.當目標圓形光斑中心偏離探測器中心，如圖3，四個光電二極體輸出不同大小電流訊號，透過對輸出電流訊號進行處理可以得到光斑中心偏差量x1和y1。若光斑半徑為r，光斑中心座標為x1和y1，為分析方便，認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。若設各象限上的光斑總面積佔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係[4]：
當2Xsin1(1) rX14x1時,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的直角座標。但是在實際系統中可以測得的量是各象限的功率訊號，若光電二極體的材料是均勻的，則各象限的光功率和光斑面積成正比，四個探測器的輸出訊號也與各象限上的光斑面積成正比。如圖6，可得輸出偏差訊號大小為
Vx1KP(ABCD)
Vy1KP(ABCD)
對應於 x1k(ABCD)
y1k(ABCD)
圖6 和差定向原理 式中krKP, K為常數，與系統引數有關。 4
2.2.2 對差式
將圖4的座標系順時針旋轉45o，於是得
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座標訊號均與係數k有關。而k又與接收到的目標輻射功率有關。它是隨目標距離遠近而變化的。這是系統輸出電壓Vx1、Vy1並不能
夠代表目標的真正座標。採用下式表示的和差比幅運算可以解決這一問題。 x3k(ABCD)(ABCD)k(ABCD)(ABCD)
k(ABCD)(ABCD)k(ABCD)(ABCD)y3
式中不存在k係數。與系統接收到的目標輻射功率的大小無關，所以定向精度很高。
2.2.4 對數相減式
在目標變化很大的情況下，可以採用對數相減式定向方法。座標訊號為
x4＝lgkABlgkCD=lgABlgCD
y4＝lgkADlgkCB=lgADlgCB
可見，座標訊號中也不存在係數k，同樣消除了接收到的功率變化影響。 當定向誤差很小時，可以得到如下近似關係
x4ABCD