基于四象限探测器的高精度激光光斑位置检测技术研究
第 1 章 绪论
1.1.1 激光光斑位置检测技术简介
早在几千年前，人类就已经开始将太阳光用于天文和地理领域中的位置定位和角度测量。随着 1960 年第一台红宝石激光器的发明，激光技术飞速发展，特别是将激光技术、半导体技术和计算机技术相融合，发展起来的激光测量技术被广泛应用于基础科研、工业生产和航天军事等领域[1-5]。激光光斑位置检测技术是激光测量技术中的重要内容，它是一门利用信号处理技术对落在光电位置探测器光敏面上的光斑进行质心位置检测的技术，这项技术的不断发展一方面得益于激光的高准直特性和功率稳定性，另一方面得益于半导体技术的不断发展使光电位置探测器的检测精度不断提高。激光光斑位置检测技术主要应用在两个方面，如图 1.1 所示。
另一方面是对待测目标或激光器发射端进行高精度的动态跟踪。通过位置探测器解算出的光斑质心位置，为电机或快速反射镜等执行机构提供脱靶量，实现闭环跟踪[11-12]。激光半主动制导正是利用该技术对待打击目标进行实时跟踪，实现精确打击[13-14]。对于空间激光通信系统的接收端 ATP 系统，其需要对发射端信标光进行实时捕获和跟踪才能够构建稳定的光通信链路，进而实现远距离大容量的空间数据传输[15-16]。
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通过上一节的论述，基于四象限探测器的激光光斑位置检测技术已经广泛应用于生物检测以及光电测控通信领域，并且四象限探测器光斑位置检测性能的好坏往往直接影响整个系统性能，因此开展提高光斑位置检测精度的研究对激光光斑位置检测技术的应用至关重要。国内外众多学者对提高光斑位置检测精度进行了深入研究，其研究现状如下。
1.2.1 光斑位置检测算法研究现状
光斑位置检测算法算法的本质是根据四象限探测器输出的四路光电流信号，对当前光斑的质心位置进行解算。当对光斑位置检测精度要求不高的情况下，可以利用中心近似法进行求解，这种算法在光斑中心很小的范围内精度较高，随着光斑中心向探测器边缘移动时，由于解算偏差值与实际的质心不在是线性关系，而呈现非线性的变化，导致误差逐渐增大。为了扩展光斑位置检测范围和提高位置检测精度，学者们提出了不同的光斑位置检测算法。
目前，关于四象限探测器光斑位置检测模型算法研究主要基于均匀光斑和高斯光斑两种模型，针对均匀光斑模型，文献[63]根据几何法给出了 QD 质心位置解析解，并分析了不同光斑半径对于光斑位置检测误差的影响；文献[64]提出利用微动法解算光斑的质心位置，不仅给出了光斑质心的具体位置，同时可以得到光斑的半径，但微动量的大小对算法的影响较大。相比均匀光斑，高斯光斑模型更接近实际情况，并且在一定的探测范围内，高斯光斑模型比均匀光斑灵敏度更高，针对高斯光斑模型，文献[65]提出了积分限近似为无穷时光斑位置的解析表达式，取得了较好的精度，但由于其忽略了探测器半径大小和 QD 沟道对位置检测精度的影响，仍存在较大位置检测误差。
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第 2 章 基于四象限探测器的激光光斑位置检测技术
本文所研究的基于四象限探测器激光光斑位置检测系统并不是针对某一种特定应用场合所设计的，而是将许多用到光斑位置检测功能的系统进行分析简化得到的，以方便理论分析和定量计算。该系统主要利用四象限探测器这种具有高分辨率、高帧频的位置探测器件作为感知光斑质心位置的核心器件，通过四路输出的光电流信号估算出光斑质心位置。本章首先介绍四象限探测器的基本原理，包括光生伏特效应、四象限探测器的主要性能参数以及光斑位置检测的一般性原理。然后，建立了基于四象限探测器的光斑位置检测系统数学模型。2.3 节介绍了光斑位置检测系统的主要性能指标，2.4 节概括分析了影响光斑位置检测系统的主要因素。
2.1.1 外形结构
四象限探测器制作出来后，为减少电磁干扰，外部用金属外壳密封包装，与光敏面垂直方向有保护玻璃构成的光窗。后端有四个象限输出电流的引脚、一个公共引脚（共 N 或共 P）和一个接地引脚。如图 2.2 所示为两款四象限探测器的实物图。
2.1.2 光生伏特效应
四象限探测器的本质是一种光电探测器，利用先进的光刻技术将一块光电探测器按照笛卡尔坐标系分成四块，对应探测器的四个象限。光电探测器是基于内光电效应原理中的光生伏特效应制作而成的[87-89]。当没有光照射时，P 区和N 区的多数载流子会向对方区域进行扩散，当这种扩散达到平衡时，在 PN 结处形成了由正负离子组成的耗尽层。并且在耗尽层中形成了一个自建的电场 E，方向由N 区指向 P 区，其势垒高度为DqV ，如图 2.3 所示。
如果将其与外部电路连接，便会有短路电流通过回路。若在 PN 上结外加反向偏电压，使反向偏电压的方向与 PN 结内部电场的方向保持一致，最终在综合电场的作用下，形成光生电流，一般光生电流由漂移电流和扩散电流两部分构成[90-96]。
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光斑位置检测系统包含两部分，一部分为前端激光光源和光学系统构成的光学变换部分，另一部分为光斑位置检测探测器及其后端处理电路构成的采集解算部分。针对不同的应用场合，需要对前端光学变换部分进行设计和调节，而后端采集解算部分的结构是基本不变的，但对其具体的参数设计仍要按实际需求而定。为了研究方便，不考虑具体的应用场景，构建如图 2.10 的光斑位置检测系统模型，其工作过程如下：
以上描述了一个简化的基于四象限探测器光斑位置检测系统的工作过程，为论文的后续章节的叙述奠定基础。受激光器制造工艺所限，所输出的激光发散角和功率都会出现微小的波动，当其光斑落在 QD 靶面上，QD 所解算出光斑质心位置就会出现随机误差，因此高稳定度的光源对光斑位置检测系统十分必要。
总之，光斑位置检测系统的设计需要依托于具体的应用环境，根据具体的应用环境去调节每个环节的系统参数。本文依托于如图 2.10 所示的一种简化的光斑位置检测系统，旨在深入研究各种应用环境均会遇到的共性问题，光斑位置检测算法和噪声对光斑位置检测精度的影响分析，使其促进基于四象限探测器光斑位置检测技术的进一步工程应用。
随着光刻技术、探测器参杂技术地逐渐提高，死区和象限响应非均匀性的影响已经大大减少。、由于光学装调装配过程中所带来的误差也可以通过软补偿的措施逐渐减小。因此影响光斑位置检测精度的因素主要为光斑位置检测算法和各环节所引入的光噪声和电噪声，这两部分也正是本文所研究的重点。
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3.1 引言............................................................35
3.2 几种常用的算法................................................36
第 4章 噪声对光斑位置检测精度影响分析....................................63
4.1 系统噪声源分析......................................................63
4.2 光斑位置标准差的数学模型.........................................67
第 5章 测试系统搭建及实验分析...................................83
5.1 硬件平台搭建...................................................83
5.2 实验结果与分析.............................................88
第 5 章 测试系统搭建及实验分析
第3章和第4章分别研究了基于四象限探测器的光斑位置检测算法和噪声对光斑位置检测精度的影响。本章在设计 QD 后端硬件电路的基础上，分别搭建了位移测试平台和动态跟踪测试平台，验证了Infinite integral拟合算法和Composite拟合算法下的光斑位置检测性能；同时也验证了光斑位置标准差数学模型与和在一定概率下光斑位置误差的数学模型；最后在动态跟踪测试平台上测试了基于QD 的光斑闭环跟踪精度。
5.1.1 硬件电路
5.1.1.1 模拟放大电路
由于本文所在课题组的研究课题是空间激光通信技术的研究，通信距离在20km 左右，接收端接收到的光能量约为几十 nW，，为能够达到接收端的探测灵敏度，因此需要设计低噪声、高增益的放大电路，放大电路分为两级，第一级为跨阻放大器，第二级为电压放大器，总放大倍数为 3×106V/A。由于 QD 探测器的特性，后端还设计了偏置调整电路和二阶有源低通滤波器，滤波带宽设计为1kHz，电路 PCB 图和实物图如图 5.1 所示。
对设计好的放大电路需要进行功能测试和噪声测试，表 5.1 和表 5.2 给出了输入电流分别为 30nA 和 50nA 时前置放大器四个通道的输出结果。从表中数据可知，各通道的放大倍数与理论值 3×106V/A 基本是吻合的。对于噪声测试，表5.3 给出了前置放大器各个通道的输出噪声结果，与理论计算值 18uV 基本是吻合的。
本文采用的是自主设计的具有数据存储和实时处理两个功能的综合功能板。此处理板主要分为三个模块，ADS1274 模块、USB 3.0 模块和 DSPF2812 模块。在 USB3.0 模块上有一块型号为 EP3C16F484C8N 的 FPGA，它是整个处理板的核心，通过它发出时序控制 ADS1274 采集由前端放大电路输出的四路电压信号，并将其传输到 FPGA 中进行数字滤波，然后将处理后的数据一方面通过 USB3.0模块传输给 PC 机进行存储方便后续处理，另一方面数据传输给 DSPF2812 模块，利用 DSP 高性能的数据处理能力，将四路电压信号解算出光斑质心的位置，传输给伺服系统，ADS1274、USB 3.0 和 DSPF2812 各模块之间通过 SPI 或 FS 的方式进行通信。处理板构架图和实物图如图 5.2 和 5.3 所示。
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第 6 章 总结与展望
随着科技的不断进步，激光测量技术得到了飞速发展，激光光斑位置检测技术作为激光测量技术的一种在生物医疗、精密仪器加工和军事设备制造等领域占据重要位置。激光光斑位置检测技术主要有两个方面应用，一方面是对目标的微小位移或微小角度的精密检测，如光镊技术，激光半主动制导等，另一方面是对动态目标的闭环跟踪，如激光雷达、激光通信等。而这两方面应用归根结底都需要对光斑进行高精度的质心位置检测。在光斑位置检测系统中，除了需要高稳定度的激光光源，光电位置探测器的选择至关重要，相比于 CCD 和 PSD，QD 拥有更高的位置检测分辨率和更快的响应时间，使得被广泛研究和应用。本论文主要研究了基于四象限探测器的激光光斑位置检测系统，并对其位置检测算法和噪声对位置检测精度的影响等关键部分进行了研究。
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参考文献（略）
本文编号：145912
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/shuzhibaogao/145912.html
