四象限光电探测器电路的设计方案

文章编号:1002-2082(2008)04-0493-05四象限光电检测系统的定位算法研究及改进余　峰1,何　烨2,李　松2,张继涛2(1.武汉武大卓越科技有限责任公司,湖北武汉430223;2.武汉大学电子信息学院,湖北武汉430079)摘　要:　在相同硬件条件下,四象限光电检测系统的线性区间和响应灵敏度等会因算法不同而产生差异。

首先分析光斑定位的常用算法,通过数值积分和曲线拟合得出具有高斯分布的激光光斑位移量在不同算法下的修正曲线,设计制作了一套精度较高的数字式四象限光电定位系统,并使用该系统验证了理论推导结果。

关键词:　激光技术;四象限光电检测系统;算法研究;数值积分中图分类号:T N 247;T L 814 文献标志码:AImprovement of positioning algorithm for four -quadrant optoelectronic detection systemYU Feng 1,HE Ye 2,LI Song 2,ZHANG Ji-tao 2(1.W uhan W uda Z oyo n Science and T echno log y Co.L td,Wuhan 430223,China;2.Electr onic Info rmation Schoo l,Wuhan U niver sity ,W uhan 430079,China)Abstract :Under the same hardw are conditio ns ,the system atic characteristics such as the linear area and the r esponsiv ity of a four-quadrant optoelectr onic detector changes as the algo rithm changes.T he com mon alg orithms for laser spot positioning w ere analyzed.T he co rrection curves fo r the displacement o f Gauss laser spo t were deduced w ith tw o -dimensional numerical integration and curve fitting ,and a hig h -precision digital fo ur -quadrant optoelectronic po sition detection system was desig ned and fabricated.T he theor etically deduced result w as verfied by the detection system.Key words :laser technique ;four -quadrant optoeletronic detection system ;alg orithm analysis ;num erical integr ation引言四象限光电探测器是以光导模式工作的光伏探测器件。

第7卷　第3期2014年6月　 中国光学 Chinese Optics Vol.7　No.3　Jun.2014 收稿日期:2013⁃11⁃15;修订日期:2014⁃02⁃13文章编号　2095⁃1531(2014)03⁃0462⁃07大视场四象限探测光学系统设计薛珮瑶∗,吴　耀,冯　茜,李　川(中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南郑州450047)摘要:为了实现大视场激光探测跟踪,分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。

首先,根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求,结合系统的指标参数,选定合理的光学结构型式,提出像差校正的设计方案。

然后,基于ZEMAX 软件完成大视场四象限探测光学系统设计,并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量;通过TRA⁃CEPRO 光学分析软件,得到探测器靶面的光线照度分布。

最后,依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。

测试结果表明:激光探测系统线性视场为±6°,测角精度优于0.15°,并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合,与理论曲线相符,验证了设计结果的正确性。

关　键　词:四象限探测;光学设计;光学仿真;像差校正中图分类号:TN977;TH703 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20140703.0462Design of the large field optical systemfor four⁃quadrant detectingXUE Pei⁃yao ∗,WU Yao,FENG Qian,LI Chuan(The 27th Research Institute ,China Electronics Technology Group Corporation ,Zhengzhou 450047,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :peiyaoxuenannan@Abstract :In order to realize large field laser detecting and tracking,the characteristics of optical system are analyzed.First,based on the requirement of light spots uniformity for four⁃quadrant detector and system inde⁃xes,the premium structure of optical system is selected and the method of aberration correcting is presented.Then the large field optical system for four⁃quadrant detector is designed by using the ZEMAX software.The light spots quality is evaluated by the spot diagram,footprint and encircled energy while the distribution of the rays illuminance on the quadrant detector is obtained by TRACEPRO software.Finally,manufacture and as⁃sembly for the optical system are finished and optical performance is tested based on designing result.Testing results indicate that linear field of laser detection system is 6degree and precision of angle measurement is lessthan 0.15degree.Testing curve is consistent with theoretical curve,which validates correction of the design.Key words :four⁃quadrant detecting;optical design;optical simulation;correcting aberration1　引　言 将激光制导技术应用于传统炮弹,是炮弹技术发展的飞跃,可以使炮弹“长了眼睛”。

四象限光电探测器设计方案 （4QD ）四象限探测器在一个光敏面用十字沟道隔成四个象限，如图所示，每个象限相当于一个光电管，当激光垂直入射时，经聚焦的光斑照射在四象限的中心位置上，四个象限接收的光强一样，输出的光电流也相同。

当激光光束以其他的角度入射时，光斑的位置也随之偏移，四个探测器输出的光电流也就不相同，对四个探测器输出的电流进行差分处理，就可以得到光斑偏离中心的误差信号。

4QD 计算光斑重心位置的公式如下： 1234123414231234()()()()I I I I X KI I I I I I I I Y K I I I I +−+=++++−+=+++式中K 为比例系数，代表四象限探测器的角灵敏度，它与光斑形状和大小直接相关。

当激光光斑的光强为高斯分布时，在线性响应区间时，K 与光斑直径成反比。

光束误差偏角和光斑位置之间的关系如图，可通过式计算。

四象限探测器的光灵敏度很高，探测频率也可达几千赫兹，外围电路也相对简单，因此是精瞄传感器的一种理想选择。

四象限探测器允许水平和垂直的角度分别独立估测，其输出信号为水平和垂直的角误差电压。

空间跟踪就是通过即时的误差电压对伺服电机进而对光学硬件进行连续调节来实现。

但是四象限传感器的光敏面比较小，且存在死区。

另外由于四象限传感器实际上只是探测四个区域的光强，因而算得的位置偏移的精度和线性度都受到光斑大小和形状的影响。

这就需要设计符合精瞄准系统要求的4QD 传感器。

根据以上指标，要求探测精度优于1‰，综合各种器件，选择日本滨松公司Q 这款4QD图 四象限探测器接受光斑示意图表 4QD S-6695-01性能指标[14]2.4.2 4QD 的电路设计由于4QD 输出的是弱的电流信号，而AD 采集的通常是0-5V 的模拟电压信号，因此需要经过后续电路的I/V 转化和信号调理。

电路的要求是符合带宽条件下的高精度的运算放大电路：首先要满足带宽的需要，保证4QD 电路高的采样能力；第二要求4QD 四个象限的放大倍数较精确的相等，保证四个象限的光电转化输出效率相同；第三要求放大器还应能够抑制传感器上的高频噪声，减少传感器噪声[17]。

四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用摘要：采用四象限探测器作为前端探测单元,介绍了利用光电技术、电子技术、自动控制技术以及精密的步进系统实现了太阳能板自动跟踪瞄准系统中的四象限探测器的应用设计。

Abstract：Adapt the four quadrant detector as the front detector .Introduced the steeping system based on optoelectronic technology, electronic technology, automatic control technology .Realized the designation of the automatic tracking system of solar panels.目录第一章应用背景 (3)第二章名词解释 (3)2.1 四象限探测器 (3)2.2 步进电机 (5)第三章系统的工作原理 (5)3.1 系统工作过程 (5)3.2 传感器工作原理 (6)3.3 探测器放大器基本原理图 (8)第四章系统的电路设计 (9)第五章系统控制程序设计 (10)第六章问题和缺陷 (11)第七章结束语 (12)一、四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用背景：太阳能热发电和太阳能光伏发电是目前利用太阳能发电的两种主要形式。

光热是通过聚光加热介质, 推动燃气轮机做功发电。

而光伏发电则通过太阳光照射光电池板将光能直接转化为电能。

由于太阳能辐射到地球表面的能量密度比较低, 无论是对于太阳能光伏发电还是太阳能热发电, 能否经济高效利用太阳能的关键在于太阳聚光和跟踪水平的优劣。

实验证明在相同条件下, 极轴式太阳能自动跟踪发电的发电量要比固定发电(用太阳能电池板固定朝南安装的方式对太阳能进行采集)提高40% 左右。

而采用聚光技术对太阳跟踪又提出了更高的要求.目前主要的跟踪方式是根据地球自转以及GPS进行粗调节，利用光电传感器设计的系统进行精确调节跟踪，本文主要讲述四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用。

光电系统设计报告设计题目：四象限位置测量系统设计实验专业班级：学生姓名：学生学号：指导教师：设计时间： 2017/12/29 1、设计题方案论证；实验采用激光器作为光源，四象限探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。

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。

四象限位置测量器是以光导模式工作的光伏探测器件。

它利用集成电路光刻技术将一个探测器件光敏面窗口分割成4个面积相等、形状相同、位置对称的区域而形成,4个探测区域具有基本相同的性能参数。

作为一种常用的位置敏感器件,当入射光点落在器件感光面的不同位置时,四象限探测器输出不同的电信号,通过对此电信号进行处理,可以确定入射光点在感光面上的位置。

四象限光电探测器广泛应用于激光准直、测角、自动跟踪等精密光电检测系统中,通过对光斑中心位置的精确定位来检测位移或偏角的大小。

它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。

影响四象限光电检测系统工作精度的因素主要包括外围大气环境、目标光斑大小和光斑能量分布以及系统本身采用的算法、器件响应差异和噪声所带来的四象限不均匀性。

2、各单元电路设计与分电路图绘制并分析工作原理；1、STM32F103RBT6：STM32F103RBT6/STM32F103是?ST?公司基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器产品，内置128KB的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口、2个IIC端口、2个SPI端口、1个CAN接口、一个USB 全速接口、有80个快速I/O端口等多种资源，时钟频率最高可达72MHz。

四象限光电探测器的电路设计方案一、原理四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，如图1。

一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。

当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位），若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或θ角来。

图1 目标在四象限光电探测器上成像图2方位探测器原理框图。

信号通过放大和调理后由由A/D转换器（本系统中采用ADS7864）采样转换成数字量送入单片机，由单片机处理后得到目标的方位，并根据实际系统的需要输出方位控制指令。

二、电路设计根据实际系统的需要，A/D转换器用ADS7864，单片机用最常见的89C51。

这里对ADS7864作一介绍。

ADS7864是TI公司生产的12bit高性能模数转换器，片上带2.5V基准电压源，可用作ADS7864的参考电压。

每片ADS7864实际由2个转换速率为500ksps 的ADC构成，每个ADC有3个模拟输入通道，每个通道都有采样保持器，2个ADC组成3对模拟输入端，可同时对其中的1～3对输入信号同时采样保持，然后逐个转换。

由于6个通道可以同时采样，很适合用来转换四象限光电探测器的4路光电信号，剩下2个通道作系统扩展用。

*下面主要介绍电路中的信号采样转换和处理部分。

ADS7864前端调理电路模数转换器的前端调理电路缩放和平移要采样的信号，通过调理后的信号适合A/D转换器的模拟输入要求。

图3是ADS7864一个输入通道的前端调理电路，图3 ADS7864前端调理电路ADS7864模拟输入通道的+IN和-IN的最大电压输入范围为-0.3V～+5.3V（ADS7864 +5V 供电）。

图3的电路中使用了2个运放，A1用作跟随器，用来缓冲ADS7864输出的2.5V基准电压源；A2和四个电阻构成了信号调理网络，适当配置R1～R4电阻可以实现对输入信号Vi的缩放和平移以适合ADS7864模拟通道的输入要求。