激光导引头四象限探测器偏差信号特性研究

为了分析四象限探测器偏差信号对激光导引头探测定位精度的影响,在激光导引头四象限探测器探测定位原理的基础上,采用计算机建模仿真的方法,研究了入射光斑大小、分划线宽度和背景光强度对四象限探测器偏差信号的影响。结果表明,入射光斑变大,四象限探测器的灵敏度会变低,动态跟踪范围变大;分划线宽度在探测器串扰允许的范围内越窄越好;背景光降低了四象限探测器的灵敏度。该研究结果有助于提高激光导引头四象限探测器探测定位精度。     

自由空间激光通信四象限探测器性能研究

在自由空间激光通信中,精跟踪单元的探测器经常选用四象限探测器(QD),探测器的性能影响跟踪精度,为了研究四象限探测器在不同条件下的性能,提出变步长的方法,分析光斑大小对动态范嗣和探测灵敏度的影响情况,在满足仿真精度的前提下,缩短了仿真时间.在光斑能量服从高斯分布的情况下,分析背景光、光电响应度和死区对动态范围和探测灵敏度的影响,特别研究非均匀背景光的影响.结果表明,随着光斑半径的增加,光斑位置检测的动态范围在增大,位置探测灵敏度在降低.相同光斑半径条件下,对于服从艾里分布的光斑的位置探测灵敏度高于服从高斯分布的光斑,而动态范围小于后者,非均匀背景光对探测器性能的影响比均匀背景的影响大.     

四象限探测器高精度定位算法研究

用于光斑中心位置计算的定位算法是影响四象限探 测器位置测量精度的主要因素之一。为了提高四象限光电探测器的定位精度,分析了目 前通用的质心算法计算 光斑中心的位置误差,提出了一种基于数据库查询的高精度光斑中心定 位算法。算法的原理为:在四象限探测器和光源特性已知的前提下,首先通过仿真方法建 立一个数据库;数据库中光斑中心位置和探测器各象限的电流比具有一一对应关系。实际使 用时,以实测的四象限探测器各象限的电流比为基础查找对应的光斑中心的位置。仿真分 析和实验验证结果同时表明,与通用的质心算法相比,新算法能将光斑中心位置的计算精度 提高10²数量级。这对于使用象限式探测器进行高精度位置测量具有重要 意义。     

中心开孔型四象限探测器光纤定位闭环控制方法

光纤定位技术是多目标光纤光谱望远镜中的关键技术,光纤定位精度是影响望远镜观测效率的重要因素,随着光谱巡天项目的开展,光纤定位单元的小型化、高密度化、集成化和高精度定位要求成为普遍趋势,这对光纤定位系统提出了更高技术要求和挑战。光纤定位技术也期望实现高精度的实时监测和反馈系统,形成有效的闭环控制。基于此提出了一种中心开孔型四象限探测器光纤定位技术,并利用二维高斯模型对中心开孔型四象限探测器定位算法进行了设计,该算法对单元光斑束腰单次标定,可实现高精度的多次实时光斑位置确定和光纤位置调整。利用光纤光谱仪望远镜原理搭建了模拟实验对此装置和算法的性能进行了模拟,应用此闭环控制方法,在四象限探测器零点偏置直径为4 mm、光纤截面积达到1 000 μm2情况下,绝对定位误差可以控制在6 μm之内,相对误差可控制在0.15%范围内,可以有效提高望远镜星象和光纤的耦合效率。     

四象限探测器基于高斯分布的激光光斑中心定位算法

为了提高四象限探测器在FPGA中实时激光光斑位置测量的精度,提出了一种基于高斯分布的光斑中心定位算法。首先,四象限探测器光敏面上分布的激光光斑采用高斯分布模型等效。结合探测器的工作原理,合理设置高斯积分区间,计算出呈高斯分布的光斑在探测器各象限内的光能量,从而对应各象限输出的光电流,得到包含光斑位置信息的正态分布关系式。再通过标准正态分布表查询快速求解出光斑中心位置,将算法在硬件上实时地实现。最后,分别对基于高斯分布的定位算法和基于圆模型的传统算法进行仿真与实验验证。结果表明,基于高斯分布的定位算法的测量精度相较于传统算法提高了43.8%。由此证明基于高斯分布的定位算法能有效提高激光光斑中心位置测量精度。     

基于四象限探测器进行太阳跟踪的偏差分析

为了实现基于四象限探测器的太阳自动跟踪,首先分析了四象限光电探测器工作原理,并说明了选择四象限探测器的依据,介绍了使用四象限探测器进行太阳跟踪的装置,深入研究了太阳光斑几何位置与小孔光阑、四象限探测器安装位置可能存在的偏差影响,对四象限探测器与Ⅰ-Ⅴ转换电路系统进行了一致性分析,评价了一致性对跟踪精度的影响,最后介绍了跟踪时四象限探测器电压值存在偏差的原因和合理性.实验证明,基于四象限探测器的跟踪装置适用于高精度太阳跟踪.     

轨距传感器中激光光斑大小的影响

文中基于四象限光电探测器和三角测量方法,经过相似三角形的近似处理,提出了一种用于铁轨轨道几何参数检测的新型激光位移传感器.该传感器与其他方法不同之处是：激光器采用红外脉冲半导体激光器,这样避免了外界杂散光的影响;探测器采用四象限光电探测器,响应频率高,避免了外界温度的干扰.重点分析和研究了激光器光斑,物体表面激光光斑和四象限探测器探测的激光光斑大小的计算.从而调节激光器到一个最佳的位置.     

四象限探测器位置检测精度的主要影响因素研究

为了提高四象限探测器(QD)光斑位置检测性能,研究了在高斯光斑模型下影响QD位置检测精度的主要因素。分析了四象限探测器位置检测的基本原理,随后根据误差理论推导出高斯光斑模型下位置检测精度与光斑半径、质心位置和系统信噪比关系的数学模型,通过数值仿真和实验分析验证了该数学模型的有效性,并深入分析了各因素对位置检测精度影响的趋势及大小。研究结果表明,对于四象限探测器高斯光斑位置检测系统,在保证检测范围的条件下,采用较小半径的光斑、选取靠近光敏面中心的工作区域和提高系统信噪比可以提高位置检测精度。当系统信噪比为57.48 d B时,采用束腰半径为0.6 mm的高斯光斑,QD中心点位置检测精度可达0.514μm。     

影响四象限探测器探测精度的因素

主要分析了影响四象限探测器跟踪精度的因素。对光斑大小、光斑位置、质心计算公式、探测器噪声、放大器噪声等因素进行了理论分析,通过计算和仿真的方法对各种因素的作用进行了验证,并通过实验验证了方法的正确性。研究结果表明,采用常用的四象限质心算法,只要采用合适的光学系统和信号检测电路,就可以实现高精度的跟踪误差检测。     

四象限激光制导的双光斑探测算法

为了消除干扰光斑对四象限激光导引头的影响,分析了四象限探测器(QPD)经典算法用于双光斑探测的特点,即干扰光斑导致探测器接收能量突变,且双光斑能量中心偏离了没有干扰光斑时的目标光斑能量中心,其偏离量δd由双光斑中心距d和双光斑能量比k决定.在此基础上,提出了四象限激光制导的双光斑探测新算法,由能量突变判断干扰光斑出现的时刻,通过计算每个波门对应的d和k来确定δd,并对双光斑误差信号修正±δd.为了验证新算法,对双光斑的位置误差输出信号进行了数值模拟.结果表明:新算法可实现对目标光斑和干扰光斑的识别,并消除干扰光斑的影响.     

基于四象序列的最大熵原则的光轴对准方法

四象限探测器目前被广泛应用于空间激光通信中的对准过程,但由于大气湍流的不良影响,激光穿越大气在接收系统成像的时候,光斑产生形变以及破碎等不良影响,这严重地限制了四象限器件的对准精度。由于四象限探测自身所能提供的光斑信息较为单一,相较于CCD器件,其处理自由度较小。在分析研究基于CCD的序列光斑检测方法的理论基础之上,提出了一种基于四象限探测器的光轴对准方法。通过统计某一段时间内四象限器件所输出的脱靶量值的范围,并根据其在不同象限的分布概率计算出相应象限的熵作为加权系数,对原有计算公式进行加权计算,利用象限探测器高帧频的优势弥补原本单一的信息,从而完成对大气湍流影响的抑制作用,并搭建实验平台,最终验证该算法可以显著提高四象限器件的探测精度。     

基于四象限探测器的互瞄技术研究

空间位置传感中互瞄精度是影响全景立体相机和 激光雷达联合标定的主要因素,针对目前通用的望远镜互瞄十字丝法 精度瞄准过程繁 琐及操作难度大等问题,提出了利用激光器和四象限光电探测器实现两台仪器间互瞄的 新方法。在两台需要互瞄的仪器 设备上分别安装一个激光发射器、四象限探测器及粗瞄器,通过粗瞄使激光光束照射到 四象限探测器光敏面上, 根据四象限探测器4个象限电压输出得到光斑中心相对于光敏面中心的偏移量,通过适当调 整仪器位置姿态实现互 瞄对准。仿真分析和实验结果表明,四象限探测器的对准精度可满足仪器间互瞄的要求,相 比于望远镜互瞄十字丝法操作简便,为联合标定提出了一种新思路。     

空间光通信中低信噪比条件下的光束位置检测

空间光通信中,需要通信双方检测入射光轴偏差以保证通信链路畅通。但光学天线控制系统使用的信标光经长距离传输后损耗过大,受背景光和暗电流噪声强烈干扰,系统中的四象限探测器(QD)对光斑位置检测精度下降。为解决这一问题,根据QD工作特性和噪声特性,提出了一种基于幅度调制和循环互相关运算的检测方法。该方法在QD输出信噪比(SNR)过低的情况下,可精确测量QD各象限输出的电流幅度,并以此计算出准确的光斑位置。实验结果表明:当QD的输出SNR为﹣14.58 dB时,该方法的绝对误差小于0.012 mm,证明了该方法的有效性。     

PIN四象限探测器输出特性的改进研究

PIN四象限探测器在应用过程中对其输出一致性的要求很高。文章讨论了影响PIN四象限探测器输出一致性的各种因素,并有针对性地提出了相应的改进措施。通过仿真分析,对PIN器件的各项参数进行了优化设计,并制作出了可工作在1 060nm波长、50V偏压下的PIN四象限探测器,其每个象限响应度达到0.3A/W,暗电流小于50nA,四个象限输出不一致性小于10%。然后通过对单个芯片的四个象限分别进行放大电路的安装调试,制作出了输出不一致性小于3%的四象限探测器器件。     

高精度近红外光斑位置检测模型研究

为了提高1550 nm近红外波段光斑位置的检测精度,提出了一种改进的积分无穷解算模型。以高斯光斑为入射光模型,深入分析了InGaAs四象限探测器（Quadrant Detector, QD）输出信号与光斑实际位置之间的关系,考虑探测器直径及沟道的影响,通过引入误差补偿因子,利用最小二乘拟合的方法得到有效光斑半径,从而获得新解算模型的解析表达式,最后在搭建的InGaAs QD光斑位置检测系统上对提出模型进行实验验证。仿真和实验结果表明:新模型可有效降低不同半径光斑下的位置检测误差;入射光总能量约为10 W,光斑半径0.75 mm时,在[-0.75～0.75 mm]检测范围内,新模型均方根误差为0.003 mm,最大误差为0.009 mm,较原有模型分别降低了78.6%和52.6%。新模型在激光通信和激光雷达等工程实际中具有较好的应用前景。     

温度对激光光斑跟踪不确定度的影响

对激光束四象限跟踪系统各通道输出电压随温度的变化进行了实际测量，建立了一种校正光斑中心坐标的模型，用于补偿温度变化导致的偏移量；采取控制电路系统工作温度的措施，减小光斑定位的不确定性；根据探测系统光电信号处理方式，用各象限接收的脉冲光强幅度值表述探测光束为调制脉冲串时光束中心坐标。通过测试四象限跟踪系统的输出特性，确定该系统的线性工作范围，以便保证光斑位于四象限探测器的最佳测量区域；控制电路系统环境温度后，系统跟踪分辨率达到1 m，取决于单片机控制的步进电机步进准确度。     

远距离激光光斑位置高精度测量方法

为了提高激光光斑位置测量精度,考虑影响光斑测量精度的因素,并对若干关键技术进行研究。为了抑制由于气溶胶散射导致的激光后向散射,研究距离选通技术,提出一种基于四象限探测器的异步距离选通技术;为了削弱大气湍流的随机扰动对激光光斑成像的影响,提出一种改进的盲解卷积事后复原方法,并从数学上证明了该方法的收敛性;为了消除多传感器采集图像之间的差异,提出一种基于目标区域的图像配准算法;还原光斑图像并利用高斯曲面拟合法提取激光光斑的位置信息。实验结果表明,提取到的激光光斑位置精度不大于0.3pixel。     

新型四象限设计及其光斑参数测量方法

针对自由空间光通信中对信标光进行快速、准确定位的要求,基于一种新型四象限探测器设计,提出了采用归一化函数方法获得光斑参数。首先,根据电流与相应光斑面积关系之比,可以得出光斑半径;其次,利用归一化函数的方法获得光斑中心偏移量的估计量;再次,采用查表法简化了函数的运算复杂度;最后,利用误差分析方法得出光斑中心偏移量的估计误差。理论分析和仿真表明,该方法能够精确地估计出光斑的半径和位置,光斑半径估计误差在±0.01%以内,光斑位置的估计误差在±0.005%以内。算法计算复杂度低,测量跟踪速度快,定位准确,可以广泛应用于自由空间光通信。