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。     

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。     

采用三线位置敏感探测器定位模型分析光斑对定位精度的影响

在实际测量中,由于光斑具有一定尺寸和不对称性,在很大程度上影响了位置敏感探测器(PSD)的定位精度.根据激光光束高斯能连续分布的特征,建立了一种三线PSD定位模型,可以根据光斑的形状解算出该光斑特征状态下的定位误差.实验验证了该PSD定位模型的有效性.在激光三角测量法中采用该定位模型可以很好地补偿由于光斑自身不均匀性、传输过程中光斑尺寸变化以及激光与待测物体互作用产生的散斑所引入的定位误差,有效提高测量精度.实验中可以补偿的误差达到0.07 mm.     

飞秒激光跟踪仪跟踪脱靶量零位标定方法

飞秒激光跟踪仪通过PSD探测脱靶量实现目标跟踪,脱靶量零位是跟踪激光指向反射靶球的中心时反射激光在PSD上输出的光斑位置,跟踪时以脱靶量零位作为基准计算目标脱靶量,因此如何准确标定脱靶量零位是仪器实现精确测量的前提。文中在分析角反射器特性的基础上,结合仪器自身特点提出了一种基于角反射器的飞秒激光跟踪仪跟踪脱靶量零位标定方法。分析了脱靶量零位误差对仪器指向精度的影响;建立了跟踪脱靶量标定误差模型;根据仪器结构设计和轴系几何误差对脱靶量零位标定方法进行了仿真,结果显示,其误差小于17.8 m,当目标距离仪器10 m时,仪器的指向误差小于1.1,该结果对系统误差补偿模型建立奠定了基础。最后,基于实际装置对仪器的脱靶量零位进行了标定,为后续仪器的动态测量提供了跟踪基准。     

PSD安装倾斜误差对光斑定位影响的研究

针对入射光能量为高斯分布时,位置敏感探测器(PSD)安装倾斜影响光斑定位的问题,建立了光斑定位畸变误差数学模型,并进行了仿真。仿真结果表明,光斑定位畸变误差随着PSD倾斜角度、高斯光束的束腰半径和与光束束腰之间的距离的增加而增加,其中前两项的变化对PSD光斑定位精度的影响在小范围内可以忽略,最后一项影响较大。所建立的光斑定位畸变误差模型及仿真结果为PSD的实际工程应用提供了有效的理论依据。     

基于光斑跟踪系统的位敏传感器误差修正

位置敏感探测器(PSD)测量误差主要来自于自身非线性、干扰和安装倾斜的影响,且PSD的直接测量范围受限于探测器的尺寸。针对这些问题,分析了自身非线性、干扰和安装倾斜的影响原理,根据测量值与实际值的线性关系,提出利用伺服模组与PSD相结合的光斑跟踪系统来进行局部拟合实时校准的方法减小干扰影响并消除PSD安装倾斜误差,利用线性度较好的中间区域减小自身非线性影响。实验以Al2O3/PEN为样品,利用研制的光斑跟踪系统对上述方法进行的验证结果显示,线性相关系数维持在10.001 5/40 mm之间,线性度标准误差减小到0.3 m/40 mm以下,最大误差在16 m/40 mm之内且测量范围也可增大到模组的行程200 mm,此方法简单有效、灵活实用,特别适用于光强度弱且多变和测试范围较大的场合。     

改进的激光光斑位置分辨率模型

为了分析四象限探测器(QD)激光光斑位置检测性能,建立了新的高斯光斑位置分辨率数学模型。分析了高斯光斑模型下QD位置检测原理和近似数学模型,根据误差函数可导性,结合误差理论推导出位置分辨率与总信噪比、光斑中心位置和光斑半径关系的数学模型,数值仿真和实验系统验证了所提模型的正确性。结果表明,当光斑半径为0.74 mm,总信噪比为66.96 dB时,在光斑中心偏移±0.45 mm范围内,所提模型的估算误差约为36%,与原近似模型相比,精度提高了约1倍,可以对激光光斑位置检测系统的位置分辨率进行有效估算。     

基于PSD的非均匀激光光斑中心定位研究

激光光斑中心定位是光学检测中的关键技术,大量应用在光学通信ATP系统、光路自准直控制系统、光学非接触位移角度测量系统中。针对传统电荷耦合器件(CCD)检测方法无法精准定位非均匀、非理想圆激光光斑的问题,提出一种基于位置敏感探测器(PSD)的旋转激光光斑中心检测的新方法。该方法依据PSD能够连续检测光敏面上光斑重心位置的工作原理,设计了一种定轴心旋转且角度可控的激光实验装置,通过对该装置投射到光敏面上的光斑重心的轨迹探测,经Kasa算法处理后得到光斑的中心位置,相较于CCD无需进行图像处理。实验中搭建了PSD光斑中心检测系统,并对旋转的激光光斑模式进行了分析。结果表明,激光光斑中心定位模型的线性度为-1.036、位置分辨率为0.1 μm,精确定位了光斑中心的移动轨迹。该方法为非均匀光斑的实时高精度定位提供了一种新思路。     

PSD安装倾斜误差对光斑定位的影响

针对入射光能量为高斯分布时,位敏探测器(PSD)安装倾斜影响光斑定位的问题,建立了光斑定位畸变误差数学模型,并进行了仿真.仿真结果表明,光斑定位畸变误差随着PSD倾斜角度、高斯光束的束腰半径和与光束束腰之间的距离的增加而增加,其中前两项的变化对PSD光斑定位精度的影响在小范围内可以忽略,最后一项影响较大.所建立的光斑定位畸变误差模型及仿真结果为PSD的实际工程应用提供了有效的理论依据.     

神经网络在光电位置坐标传感器中的应用

光电位置敏感器件(PSD)是一种可直接对其光敏面上的光斑进行检测的光电器件,基于PSD可以构成多种非接触的高精度动态位移监测仪器.在PSD器件使用中的一个关键问题是如何克服器件本身的非线性,以提高监测的精度和可靠性.提出一种基于神经网络的PSD非线性补偿方法,利用神经网络具有逼近任意非线性函数的特点,通过训练使神经网络建立在PSD输出与其理想值之间的非线性映射关系,实现PSD非线性补偿.计算机仿真表明,该方法不仅能有效地消除非线性的影响,而且能在神经网络的输出端得到期望的线性输出.     

光电位置敏感器件背景光补偿的研究

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。根据光电位置敏感器件的原理及特征方程，分析了存在背景光时它的输出信号是非线性的。提出～种基于神经网络的光电位置敏感器件背景光非线性补偿方法。利用神经网络具有逼近任意非线性函数的特点．通过训练使神经网络建立在不同背景光下光电位置敏感器件输出与其标准值之间的非线性映射关系，对其实现全程跟踪补偿。计算机仿真表明，该方法能有效地消除背景光的影响，在神经网络的输出端得到期望的线性输出。     

基于光斑位置的起重机轨道高度差自动检测方法

针对目前起重机轨道自动检测技术无法满足轨道检测要求的问题,文中提出基于光斑位置的起重机轨道高度差自动检测方法.在轨道两侧分别放置激光发射器与成像板,激光经过传输,投射在成像板上形成光斑图像.对光斑图像灰度分布进行修整,增强图像清晰度与灰度分布差异.利用改进二维Otsu算法准确分割光斑图像,提取光斑边缘进行圆拟合.计算边...     

ATP跟瞄系统中位置敏感探测器测量精度研究

为满足星－地量子通信中 ATP 跟瞄系统对二维位置敏感探测器（PSD）的精密性、实时性、可靠性的要求,基于 LabVIEW 设计了 PSD 精度测量与误差修正系统。首先,采用驱动平台带动激光光源,通过扫描 PSD 光敏面,获得电压值并计算出光斑位置,分析非线性成因,采用多项式拟合法建立实际值与测量值间的数学模型,得到非线性修正函数。然后,结合光学三角测量对被测物体进行微位移和角度测量,并对测量结果进行误差修正。实验结果表明,经过修正后 PSD 位置误差显著减小,满足系统对 PSD 的需求,通过 LabVIEW 软件编程提高了系统的测试效率。     

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。     

反激光探测红外双波段光学系统设计

针对激光主动探测技术对光电设备的威胁,提出了通过光敏面倾斜设计来改变激光回波偏转角,从而提升系统反激光主动探测性能的方法。设计了一款光敏面倾斜为5的中/长波双波段反激光探测光学系统,利用自由曲面校正了光敏面倾斜引入的像差。所设计的系统工作波段为3~5 m,8~12 m。视场角为2.4,F数为2。设计结果表明,在奈奎斯特频率17 lp/mm处,两个波段传递函数均高于0.38,满足红外系统对成像质量的要求。通过反追光迹分析得出系统的被探测距离得到有效降低。