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。     

空间激光通信中四象限光电探测器环形光斑检测及误差补偿

分析了以卡塞格林(卡式)望远系统作为光学天线时,大气激光通信捕获、对准和跟踪系统中四象限光电探测器光敏面上环形光斑位置检测的误差问题。基于光斑中心遮挡与死区感应光能量的等同效应,理论推导了入射环形光斑偏移量与光斑中心坐标、探测器死区宽度和环形光斑内外圆半径之间关系的数学模型。数值仿真和实验结果表明:与完整高斯光斑相比,环形光斑的探测线性范围较小,检测灵敏度较低。根据实验条件选择合适的卡式光学天线或光斑半径,使遮光比为30%时探测器的探测线性范围最大,不会出现非线性误差。所提环形光斑误差补偿算法克服了光斑中心遮挡带来的位置检测误差,探测器探测精度可达0.0015mm。     

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。     

四象限探测器在空间激光通信中应用研究

研究了不同模式光斑对四象限探测器(QD)工作的影响,重点分析了高斯光斑对探测灵敏度的影响。搭建实验系统用扫描偏转镜及辅助CCD相机完成了对其性能测试实验。实验表明,形心算法的检测精度为质心检测精度的5倍;在极限探测灵敏度下,QD只能实现二细分,采用平滑滤波可以改善其细分能力;在高信噪比条件下可实现位置分辨力为1.6μm,角度分辨率为0.8μrad。同时研究了不同光斑大小、不同强度背景光对器件的影响。     

四象限探测器的跟踪与通信复合探测技术

针对空间激光通信系统小型化设计的需求,提出了使用雪崩二极管(APD)型四象限探测器实现跟踪与通信复用的方案,用以降低通信系统的体积和功耗,提高光能量的利用率。简述了系统总体方案的组成与工作原理,在室内搭建测试平台,对跟踪与通信复用模式下的数据采集、通信速率、极限灵敏度、跟踪精度等探测性能进行测试。结果表明:采用靶面直径为4mm的APD型InGaAs四象限探测器,在曼彻斯特编码、强度调制/直接探测条件下,通信速率可达10 Mb/s,探测灵敏度为-35.4dBm,误码率为10~(-6)。当光斑直径为四象限探测器光敏面直径的一半左右时,光斑位置检测的最小分辨率为2μm,探测范围可达0.8 mm,角分辨率为0.8μrad。初步验证了使用APD型四象限探测器用于跟踪与通信复合探测技术的可行性,为空间激光通信系统小型化设计提供技术支持。     

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。     

基于四象限探测器的光纤焦比退化的测量方法

为开展提高光纤焦比退化测量精度方法的研究,提出了一种基于四象限探测器的光纤焦比退化的测量方法。该方法是光纤的出射光斑打到四象限探测器上,通过偏转镜扫描四象限探测器靶面,获得探测器上的光斑位置灵敏度,间接获得出射光斑实际尺寸,进而得出光纤的焦比退化。并对光斑位置灵敏度与光斑半径的关系进行了分析,同时探究了四象限探测器的沟道宽度对光纤焦比退化的影响。     

基于Infinite integral的四象限探测器光斑位置检测算法

为了进一步提高基于四象限探测器的半主动式激光导引头的目标定位精度,本文以高斯分布的圆形光斑作为入射光斑模型,提出了一种基于Infinite integral拟合方法的改进算法(GII)。在Infinite integral拟合算法的基础上,考虑了外部光能和死区带来的误差影响,采用最小二乘法获得最佳拟合的解析表达式。为了简化算法的计算量,对部分解析表达式进行分段式多项式拟合,优化拟合区间,并得到GII算法的解析表达式。GII算法相较于传统Infinite integral拟合算法和8次多项式拟合法,精度大幅度提升。仿真和实验表明,该算法在确保良好实时性的同时,能增加四象限探测器的有效探测范围,提高不同光斑半径下四象限探测器的定位精度,为战场环境下精准激光制导武器的发展提供了理论参考。     

高灵敏度光束位置信号提取的激光通信跟瞄一体化（特邀）

提出一种基于四象限探测器跟瞄和通信复用的强度调制直接探测的空间光通信系统,以超声波电机驱动的双光楔为光束偏转执行单元形成光束位置跟踪的闭环系统。驱动电机转动周期为15 ms,位置分辨率为0.83μrad。经理论分析和实验验证,该系统的位置闭环跟踪-3 dB带宽约为4 Hz。当位置探测误差小于10%时,即光束探测精度小于12μrad,对应的探测灵敏度为-45.2 dBm。在10 Mbit/s的通信速率和无信号编码下,误码率为1×10^-3时对应的通信灵敏度为-44 dBm。验证了利用四象限探测器作为跟踪与通信复用探测器的可行性,可应用于小型化、轻量化的星间激光通信终端。     

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.