用四象限光电探测器获得光斑参数

对四象限光电探测器的信号处理方法进行了研究.分析了用四象限光电探测器获得光斑参数的方法,研究了其各项指标及误差来源,提出了一种新的采用微动法的四象限光电探测器光斑参数的计算方法,并与传统方法进行了比较.采用微动法获取四象限光电探测器的光斑参数,不仅能够得到光斑的光心坐标,还能够计算出传统方法得不到的光斑的半径,增加了信息量.与传统的方法相比,该方法具有误差与光斑中心位置、光斑半径无关的优点.理论分析、仿真和实验都证明,采用四象限光电探测器获得光斑参数的方法具有相当多的优点.获得的参数由两个增加到三个,采用Φ30 mm的GaAs-PIN四象限探测器时,最大误差由18%减小到1.2%以下,将其应用于车辆问大气激光通信光电精定位系统中证明,响应时间可减少30.75%.     

微动法获得四象限光电探测器光斑参数的研究

摘要：对四象限光电探测器的信号处理方法进行了研究,分析了目前采用的四象限光电探测器获得光斑参数的方法,研究了 其各项指标及误差的来源,提出了一种新的采用微动法的四象限光电探测器光斑参数的计算方法,并与传统的方法进行了比 较。采用微动法获取四象限光电探测器的光斑参数,不仅能够得到光斑的光心坐标,还能够计算出传统方法得不到的光斑的 半径,增加了信息量。该方法与传统的方法相比,还具有误差与光斑中心位置、光斑半径无关的优点。理论分析、仿真和实 验都证明,采用的四象限光电探测器获得光斑参数的方法具有相当多的优点。获得的参数由两个增加到三个,采用Φ30mm 的GaAs-PIN四象限探测器时,最大误差由18%减小到1.2%以下。本方法在车辆间大气激光通信的光电精定位系统中实际应 用证明,该方法速度快,精度高,收敛性好。     

高转速扫描激光雷达中探测器偏离焦平面的应用

为了提高激光雷达测距的动态范围,解决高转速扫描激光雷达测量远距离目标时的脱靶问题,提出了探测器偏离焦平面的方法。对远距离回波脱靶现象、探测器在焦平面径向和轴向上偏离的作用原理、回波光斑在焦平面附近的空间能量分布进行研究。根据目标距离、激光扫描线转速、焦距和离焦量,分析回波光斑中心相对于光轴的径向偏离角和径向偏离量。当不同距离回波的像平面、光学系统焦平面和探测器靶面之间的相对位置变化时,分析了回波光斑尺寸在探测器靶面的变化规律。考虑激光高斯光束的能量分布、光学系统孔径光阑、衍射和离焦的影响,分析了回波光斑在探测器平面的能量分布以及探测器靶面的收光率。最后,通过数值仿真和实际测试验证了探测器在偏离焦平面后对不同距离回波的收光率的变化规律。实验结果表明：在75 Hz四棱塔镜扫描方式下,通过调节径向偏离能测到的最远目标距离从约800 m提高至约1 300 m;通过调节轴向偏离,保证远距离回波收光率基本不变的情况下,5 m目标的收光率可降低约70%。该方法基本解决了远距离回波脱靶问题,提高了测距动态范围。     

四象限红外探测器光电参数测试技术研究

针对四象限红外探测器的特点,设计了基于双光路替换法的光学系统。该系统可测试探测器的脉冲响应灵敏度、光电响应均匀度以及相邻象元之间的串扰并可以有效地避免光源输出功率波动和光学分光器件分光比的测量不确定度等因素带来的误差,在相同的硬件条件下可实现更高的测量精度。实验结果证明:该测量系统具有较低的测量误差(≤5%),并且结构简单紧凑,可适用于对光源要求较高的检测系统进行实时检测。     

PSD抗杂光干扰措施的研究

光电位置敏感器件(PSD)是一种可直接对其光敏面上光斑位置进行检测的光电器件,基于光电位置敏感器件可以构成多种非接触的高精度动态位移监测仪器.介绍了位置敏感探测器(PSD)的工作原理及其性能,分析了PSD工作时杂散光对其测量的影响,提出其相应解决方案.     

一种新型微加工交直流电场传感器设计

提出一种灵敏度和测量范围可调的交流/直流电场传感器设计方案。该传感器采用绝缘体微加工工艺制造,由微弹簧支撑的金属膜组成,其工作原理为金属膜在入射电场作用下产生位移,并由光电探测器检测相应的输出电流差值。该传感器与传统电场传感器不同,无需旋转部件,避免了相关的磨损和维护等问题。利用激光位置监测系统实现了高灵敏度监测,通过对入射电场在传感膜上施加偏置电压进行调制,使传感器的测量范围从V/m到MV/m。实验测量结果显示,传感器在谐振状态下工作时,分辨率为0.1 V/m,灵敏度为180 V/(kV·m~(-1))。在距离传感器75 cm的20 kV模拟电力线下进行测量,结果显示其分辨率为17 V/m,灵敏度为0.36 V/(kV·m~(-1))。     

应用位置敏感探测器检测球关节运动状态的方法研究

针对球关节运动状态的现有检测方法对工作环境要求高,测量精度低等问题,在分析球关节运动状态标识方法和位置敏感探测器角度检测原理的基础上,提出了一种应用位置敏感探测器测量球关节运动状态的在线检测方法,并设计了一种试验装置。该方法首先应用二维位置敏探测器实时检测入射光光斑位置偏离于光敏面中心的距离,换算获得球关节的天顶角和方位角,然后应用实时测量的天顶角和方位角时间序列,计算球关节的角速度及线速度等参数。仿真试验表明,入射光处于PSD的中心区域附近时,该方法对于静态参数的测量可靠有效,其测量结果与NDI法、角度尺法相近;对于动态参数的测量结果优于NDI法。     

影响四象限探测器探测结果的若干因素的研究

本文通过影响四象限探测器探测结果的几个因素入手,详细的介绍了四象限算法(四象限加减法和对角相减法),并且对像光斑大小以及背景光对探测结果的影响进行了详细分析,并且通过实验例子,对这些影响因素进行了详细的叙述,为四象限探测器的探测条件和选择方法提供了理论依据,并具有实用的参考价值。     

双波长集成光栅干涉微位移测量方法

介绍了一种基于双波长激光的集成光栅干涉位移检测方法,利用该方法对硅-玻璃键合工艺制作的集成光栅位移敏感芯片进行了测试实验。实验系统主要由敏感芯片、波长为640nm和660nm的双波长半导体激光器、双光电二极管及检测电路组成,敏感芯片则由带反射面的可动部件和透明基底上的金属光栅组成。入射激光照射到光栅上产生衍射光斑,衍射光的光强随可动部件与光栅之间的距离变化,通过分别测量两个波长的衍射光强信号并交替切换选取灵敏度较高的输出信号,实现了一定范围内的扩量程位移测量,并得到绝对位置。实验结果表明,利用双波长集成光栅干涉位移检测方法测得敏感芯片可动部件与基底光栅的初始间隙为7.522μm,并实现了间隙从7.522μm到6.904μm区间的高灵敏度位移测量,其噪声等效位移为0.2nm。     

基于四象限光电探测器的对准与测量系统优化设计——系统优化

在构建四象限光电探测器的测量/对准系统数学模型的基础上,提出了一种搜寻算法,以优化系统,使得对准模型具有线性化的输入输出关系,且具有非常高的选择性.系统仿真结果表明,在四象限光电探测器光电转换系数为常数情况下,所提出的模型优化方法正确可行.掩模板位置偏移量与光电探测器的输出具有线性关系,不论是在横向方向还是纵向方向,而且消除了x、y两个方向偏移量的交叉敏感,这使得消除四象限光电探测器安装位置偏差带来的影响成为可能,提高了探测器的应用效率和测量/对准的准确度.模型的实测结果表明,经优化后的系统微位移检测误差与对准误差均小于2μm.     

基于双线性模板和分块策略的虹膜色素斑检测

本文色素斑是一种重要的虹膜特征纹理。然而,由于该纹理颜色深浅不一,形状各异,因此如何从具有复杂背景的可见光虹膜图像中检测出该纹理仍然是目前亟待解决的一个难题。提出一种基于双线性模板和分块策略的可见光虹膜色素斑检测方法,首先使用两个不同长度的线性模板来提取虹膜上所有不同类型的特征纹理;然后,采用分块策略得到一个能描述该纹理灰度分布特征的特征向量;最后,使用BP神经网络实现对色素斑纹理的检测。该算法对图库中色素斑纹理检测的正确率达到81.25%,对非色素斑纹理的正确识别率达到83.97%,总的正确检测率达到83.23%。实验结果表明,该方法能够从背景复杂的可见光虹膜图像中检测出色素斑纹理,为虹膜的特征提取提供了一个新的思路。     

变栅距光栅衍射特性分析

光纤式变栅距光栅位移传感器是一种新的位移传感器,变栅距光栅是该位移传感器的核心元件,传感器的位移分辨率决定于变栅距光栅的光谱分辨,分析和研究如何提高变栅距光栅的光谱分辨能力是位移传感器提高位移分辨的关键。基于夫琅和费衍射理论,推导了对于变栅距光栅,平行光入射后的衍射光强的角度分布。计算变栅距光栅参数相同,入射光斑宽度分别为5mm和10mm衍射光的分布特点;10mm入射光斑,光栅参数不同时衍射光的分布特点。实验验证了不同入射光斑宽度对光纤式变栅距光栅位移传感器分辨率的影响。由于变栅距光栅的衍射特点,入射光斑直径的大小是传感器分辨率的一个重要影响因素。     

三视场红外地球敏感器导航算法数值分析及实验研究

红外地球敏感器广泛运用空间飞行器,尤其是在地球轨道附近。目前最新的静态地球敏感器使用焦平面探测器来覆盖整个地球红外辐射圆。若面向飞行在70km-100km处的临近空间飞行器,他们就需要有很大的视场(>120°)且相对分辨率很低。本文针对临近空间飞行器的天文导航运用,采用线阵CCD作为探测器,设计了一个三视场红外地球敏感器。他们按照二维角度均匀分布以确保每个光学头能够均匀的指向地球红外辐射圆上。每个CCD覆盖20°以便能够精确地分辨地球辐射和空间的边界点。综合考虑地球辐射模型和地球扁率等因素,利用地球敏感器观测的向量可以获得地心矢量和飞行高度。以70-100km飞行高度为示例,建立相应的数学模型,同时提出了相应的姿态和高度确定算法并进行了仿真。综上述分析,研制了一套三视场地球敏感器原理样机并进行相关测试。仿真和实验结果表明：高度测量精度优于200m,姿态测量精度优于0.002°。     

多尺度光斑中心的快速检测

分析了光斑图像成像特点和理想光斑灰度分布模型,针对含有多个不同尺度光斑的图像,提出了一种可以在复杂环境下一次性快速检测出多个光斑中心的方法。该方法基于高斯模糊后光斑中心不变的性质,先对含有大量光斑的图像进行快速多级高斯模糊,构建其高斯尺度空间;然后,使用加速的非极大值抑制方法在尺度空间内寻找多个尺度的局部极值,初步确定各光斑中心的像素级坐标;最后,联合这些坐标的邻域像素,拟合局部曲面,得到光斑中心的亚像素级精确位置。利用仿真实验和实物实验验证了提出方法的有效性。结果表明:该算法对640pixel×480pixel图像,处理时间仅需50ms,每千个光斑的平均检测时间为23ms,在复杂环境下正确率可达89%。此外,该方法对弱光斑较敏感,适合快速处理含有大量不同尺度光斑的图像,并能够有效减少光斑的错检和漏检。由于检测速度快,自适应性强,在实际应用中取得了良好的检测效果。     

非接触式运动型凹坑信息检测

为提取凹坑信息,提出采用基于光反射的非接触式检测方法。入射光和反射光构成固定的检测光路,其中入射光束的截面为椭圆形。凹坑连续划过入射光束,使探测器接收到的光电信号呈现有规律的变化。通过对凹坑信息检测建立数学模型,给出了光电信号的变化规律。检测信号的软件模拟结果和实测值有较好的吻合,同时实验还表明检测方案有很高的信噪比。     

基于FPGA的固定频率车辆检测器

频率固定车辆检测技术可以显著降低因相邻车遭干扰而导致的检测错误。利用精密模拟调理器、DDS，FPGA等技术实现了频率、灵敏度可调的高灵敏度．高可靠性车辆检测系统。实际测试表明，系统可以在10ms内对线圈电感量0．02％的变化作出响应，从而为检测线圈感抗变化提供了一个有效的手段。     

Application of a diffraction grating and position sensitive detectors to the measurement of error motion and angular indexing of an indexing table

In this paper, two systems for the measurement of the error motion and angular indexing of a rotary indexing table have been developed. A laser diode, a laser holder and a position sensitive detector (PSD) are integrated as a simple measuring device for the measurement of the rotary error without using a precision reference artifact (a cylinder or a sphere), multiple probes or error separation methods. The laser diode is assembled in the laser holder and fixed on the rotary table. The PSD is set up above the laser holder to detect the position of an incident laser beam from the laser diode. When the rotary table rotates, the rotary error changes the direction of the incident beam and also the position of the spot on the PSD. For the measurement of the angular indexing, a reflective diffraction grating and two PSDs are integrated as a high-resolution angle measuring device without using an autocollimator or a laser interferometer system. The diffraction grating is set at the center of the rotary table and reflects an incident laser beam into several diffractive rays. Two PSDs were set up for detecting the positions of ±1st-order diffraction rays. A simple algebraic method is used to solve the angular indexing through an optical analysis. The experimental results showed the feasibility of the proposed test devices.     

光学系统弥散斑参数的测试

采用CCD显微成像系统对光学系统弥散斑参数进行定量测量,并设计了弥散斑参数的评价算法。首先,给出了弥散斑参数的定义,分析了弥散斑所形成的能量等高线构成的闭合的连通区域,对占总能量80%的区域计算其弥散斑直径。然后,对该区域的边界点进行椭圆拟合,得到弥散斑圆度。提出的方法通过对光学系统在像平面所成的星点像的能量分布的分析,在弥散斑圆度测试中引入了椭圆拟合,减少了CCD噪声和测试环境中的杂光等随机因素对测试结果的影响,提高了测试结果的置信度。实验结果显示:弥散斑直径测试重复性为0.18μm,弥散斑圆度测试重复性为1.65%。提出的方法实现了弥散斑参数的定量测试,满足航天项目中光学系统成像质量控制要求。     

飞行器仿真测试中合作目标投影光斑的跟踪识别

针对飞行器仿真测试中合作目标投影光斑的跟踪识别问题,提出了一种投影光斑跟踪识别新方法,该方法主要由预测、识别及修正3个阶段组成。预测阶段主要结合投影光斑运动特点对传统卡尔曼滤波进行改进,提高投影光斑的位置预测精度。识别阶段则根据投影光斑位置的预测值,分两种情况对光斑进行处理:如果下一时刻投影光斑在视场内,则根据相应的判别准则和匹配策略在下一时刻图像中快速搜索投影光斑的最优匹配光斑;如果下一时刻投影光斑在视场外,则根据测量系统相关信息,对视场外投影光斑在图像平面上的位置进行求解,并将求解结果加入相应的运动轨迹,实现对视场外投影光斑的跟踪识别。在完成投影光斑的跟踪识别后,根据跟踪识别结果对投影光斑相关参数进行修正。仿真实验和实际实验结果表明,本文方法能够有效跟踪识别飞行器仿真测试中合作目标的投影光斑,其最大跟踪识别误差不超过2.5pixel,即使跟踪识别过程中存在投影光斑进出视场的情况也不受影响。     

A tracking‐based nanoimaging method for fast detection of surfaces' inhomogeneities using gold nanoparticles

The localization of surfaces inhomogeneities is central to many areas of technology, chemistry and biology, ranging from surface defects in industry to the identification and screening of early bio‐defects inside cells. The development of methods that enable direct, sensitive, and rapid detection of those inhomogeneities is both relevant and timely. To address this challenge, we developed a far‐field nanoimaging method to detect the presence of surface's nanodefects that modify the signal emitted by gold nanoparticles (AuNPs) under laser irradiation. Our technique is based on the formation of hot spots due to the confinement of light in the proximity of the AuNP, whose positions depend on the polarization direction of the incident beam. An inhomogeneity is detected as an increase in the intensity collected from the hot spots when a laser beam is orbiting the nanoparticle and the incident polarization direction of the laser beam is changed periodically.