光电定向实验报告
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光电定向实验报告
摘要:采用四象限探测器作为光电定向实验，学习四象限探测器的工作原理和特性，
同时掌握四象限探测器定向的工作方法。实验中，四象限探测器的四个限区验证了具有完
全一样的光学特性，同时四象限的定向具有较良好的线性关系。
关键词: 光电 定向 四象限探测器
1、引言
随着光电技术的发展，光电探测的应用也越来越广泛，其中光电定向作为光电子检测
技术的重要组成部分，是指用光学系统来测定目标的方位，在实际应用中具有精度高、价
格低、便于自动控制和操作方便的特点，因此在光电准直、光电自动跟踪、光电制导和光
电测距等各个技术领域得到了广泛的应用。光电定向方式有扫描式、调制盘式和四象限
式，前两种用于连续信号工作方式，后一种用于脉冲信号工作方式。，由于四象限光电探
测器能够探测光斑中心在四象限工作平面的位置，因此在激光准直、激光通信、激光制导
等领域得到了广泛的应用［1］. 本光电定向实验装置采用激光器作为光源，四象限探测
器作为光电探测接收器，采用目前应用最广泛的一种光电定向方式现直观，快速定位跟踪
目标方位。定向原理由两种方式完成：1、硬件模 定向，通 模 路 行坐 运算，拟 过 拟电 进 标
运算结果通过数字表头进行显示，从而显示出定向坐标；2、 件数字定向，通软 过 AD 转换
电路对四个象限的输出数据进行采集处理，经过单片机运算处理，将数据送至电脑，由上
位机软件实时显示定向结果。
本实验系统是根据光学雷达和光学制导的原理而设计的，利用其光电系统可以直接、
间接地测定目标的方向。采用 650nm 激光器做光源，用四象限探测器显示光源方向和强
度。通过实验，可以掌握四象限光电探测器原理，并观测到红外可见光辐射到四象限探测
器上的位置和强度变化。并利用实验仪进行设计性实验等内容，将光学定向应用到各领域
中[2]。
2、 原理实验
2.1、系 介统 绍
光电定向是指用光学系统来测定目标的方位，在实际应用中具有精度高、价格低、便
于自 控制和操作方便的特点，因此在光 准直、光 自 跟踪、光动 电 电 动 电
制 和光 距等各个技 域得到了广泛的 用。采用激光器作 光源，四象限探导 电测 术领 应 为
测器作为光电探测接收器，根据电子和差式原理，实现可以直观、快速观测定位跟踪目标
方位的光电定向装置，是目前应用最广泛的一种光电定向方式。该系统主要由发射部分，
光电探测器，信号处理电路，A/D 转换和单片机，最后通过计算机显示输出。该系统结构
框图如图 1：
图1 系统结构框图
2.1.1 激光器发射部分
光发射电路主要由光源驱动器、光源（主要是半导体光源，包括 LED、LD 等）、光功
率自动控制电路（APC）等部分组成。用 NE555 组成的脉冲发生电路来驱动 650nm 的激光
器。
2.1.2 接收部分
接收部分主要由四象限探测器组成。四象限光电探测器是一种常用的精跟踪探测器，
其基本原理是光电效应，利用半导体材料吸收光子能量引起的电子跃迁，将光信号转换为
电信号.通常是利用集成光路光刻技术将完整的 PN 结光电二极管的光敏面分割成几个具有
相同形状和面积、位置对称的区域，每个区域可以看作 1个独立的光电探测器，其背面仍
为一整片.理想情况下每个区域都具有完全相同的性能参量.象探测器光敏面形状有圆形和
矩形.如图 2所示[3].
（a）圆形光敏面 QPD （b）矩形光敏面 QPD
图2 四象限探测器实物图
如图 3（a）所示，四象限光电探测器光敏面有 4部分 A，B，C，D.假设入射光斑为圆
形且能量分布均匀，如图 3
（b）所示，照射在光敏面上的光斑
被4个象限分成 4个部分，4个象限的光斑面积分别为SA，SB，SC 和SD.此时，由于
光生伏特效应，在 4个象限中产生与光信号对应的电信号，其对应电流大小分别为
IA，IB，IC 和ID.如图 2（c）所示，当光斑中心在四象限光电
探测器上的位置改变时，光敏面各象限上的光斑面积也会改变，从而引起四象限探测
器各象限输出电流强度的变化，通过一定的信号处理方法可以得到光斑能量中心位置相关
信息.如图 4所示.
图3 四象限探测器工作示意图
图4四象限探测器工作光路
根据输出电流强度可以计算出光斑能量中心位置.用σx 和σy 分别表示 x和y
轴上根据四象限光电探测器输出信号经过一定的算法处理后的归一化偏移量，σx 和
σy 与光斑能量中心实际偏移量的对应关系利用加减算法得［6－7］
x0KxK(SASB)(SBSD) SASBSCSD
(SASB)(SBSD) SASBSCSDy0KyK
式中 K 为比例常数，光斑能量中心偏移量σx 和σy 仅与光斑在探测器上的面积有
关，只要得到了各象限面积之间的比例关系，即可得到光斑能量中心位置的坐标.光斑在
探测器上移动如图 3（d）所示
2.2 单脉冲定向原理
利用单脉冲光信号确定目标方向的原理有以下四种：和差式、对差式、
和差
比幅式和对数相减式。
2.2.1 和差式
这种定向方式是参考单脉冲雷达原理提出来的。
在图 5中，四象限探测器与直角坐标系坐标轴x,y 重合，目标（近似圆形的光斑）成
像在四象限探测器上。当目标圆形光斑中心与探测器中心重合时，四个光电二极管接收到
相同的光功率，输出相同大小的电流信号，表示目标方位坐标为：x＝0，y＝0.当目标圆
形光斑中心偏离探测器中心，如图 3，四个光电二极管输出不同大小电流信号，通过对输
出电流信号进行处理可以得到光斑中心偏差量 x1 和y1。若光斑半径为r，光斑中心坐标
为x1 和y1，为分析方便，认为光斑得到均匀辐射功率，
总功率为 P。在各象限探测器上得到扇形光斑面积是光斑总面积的一部分。若设各象
限上的光斑总面积占总光斑面积的百分比为A、B、C、D。则由求扇形面积公式可推得如下
关系[4]：
当2Xsin1(1) rX14x1 时,ABCD1 rr
r即x1(ABCD) 4
r 同理可得 y1(ABCD) 4
可见，只要能测出 A、B、C、D和r的值就可以求得目标的直角坐标。但是在实际系
统中可以测得的量是各象限的功率信号，若光电二极管的材料是均匀的，则各象限的光功
率和光斑面积成正比，四个探测器的输出信号也与各象限上的光斑面积成正比。如图 6，
可得输出偏差信号大小为
Vx1KP(ABCD)
Vy1KP(ABCD)
对应于 x1k(ABCD)
y1k(ABCD)
图6 和差定向原理 式中 krKP, K 为常数，与系统参数有关。 4
2.2.2 对差式
将图 4的坐标系顺时针旋转45o，于是得
x2＝x1cos45o+y1sin45o＝2kAC
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光电定向实验报告 摘要:采用四象限探测器作为光电定向实验，学习四象限探测器的工作原理和特性，同时掌握四象限探测器定向的工作方法。实验中，四象限探测器的四个限区验证了具有完全一样的光学特性，同时四象限的定向具有较良好的线性关系。 关键词: 光电定向四象限探测器 1、引言 随着光电技术的发展，光电探测的应用也越来越广泛，其中光电定向作为光电子检测技术的重要组成部分，是指用光学系统来测定目标的方位，在实际应用中具有精度高、价格低、便于自动控制和操作方便的特点，因此在光电准直、光电自动跟踪、光电制导和光电测距等各个技术领域得到了广泛的应用。光电定向方式有扫描式、调制盘式和四象限式，前两种用于...
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作者：Jazy
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时间：2024-07-10
