用四象限光电探测器获得光斑参数.pdf

第 1 7 卷第 4期 2 0 0 9年 4月 光学 精密工程 Op t i c s a nd Pr e c i s i o n En gi ne e r i ng Vo 1 17 No 4 Ap r 2 00 9 文 章 编 号1 0 0 4 9 2 4 X(2 0 0 9)0 4 0 7 6 4 0 7 用四象 限光 电探测器获得光斑参数 林志琦，李会杰 ，郎永辉 ，尹福昌 (1 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 1 3 0 0 2 2；2 长春工业大学 电气与电子工程学院，吉林 长春 1 3 0 0 1 2)摘要：对四象限光电探测器的信号处理方法进行 了研究。分析 了用 四象 限光 电探测器获得光斑参数 的方法，研 究 了其各 项指标及误差来源，提 出了一种新的采用微动法 的四象限光电探测器光 斑参 数的计算方法，并与传统 方法进行 了比较。采用微 动法获取 四象限光电探测器 的光斑参数，不仅能够得到光斑 的光 心坐标，还能够计算 出传统方法得不到的光斑 的 半径，增加了信息量。与传统的方法相 比，该方法具有误差与光斑 中心位置、光斑半径无关的优点。理论分 析、仿真和 实 验都证 明，采用四象 限光 电探测器获得光斑参数 的方法具有 相当多 的优点。获得 的参数 由两个增 加到 三个，采用 3 O mm的 G a As P I N 四象限探测器时，最大误差 由 1 8 减小到 1 2 以下，将其应用 于车辆间大气激光通信光 电精定位 系 统 中证 明，响应时间可减少 3 O 7 5 。关键词：四 象 限 光 电探 测 器；光 电 定位；光 电跟 踪；光 斑 中图分类号：T B 1 3 3 文献标识码：A Ob t a i n i ng s p o t p a r a me t e r s b y q u a dr a n t p h 0 t 0 d e t e c t 0 r s L I N Zh i q i ，LI Hu i J i e。，LANG Yo n g h u i ，YI N F u Ch a n g (1 I n s t i t u t e o f Op t o e l e c t r o n i c En gi n e e r i n g，C h a n g c h u n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ch a n g c h u n 1 3 0 0 1 2，C h i n a；2 S c h o o l o f El e c t r i c a n d El e c t r o n i c En gi n e e r i n g，C h a n g c h u n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ch a n g c h u n 1 3 0 0 1 2，C h i n a)Ab s t r a c t：Si g na l pr o c e s s i n g me t ho d f o r q ua dr a n t ph o t o d e t e c t or s a r e i n ve s t i ga t e d a nd h o w t o o bt a i n t he s po t pa r a me t e r s f r om q u a d r a nt ph ot o d e t e c t o r s i s a na l y z e dBa s e d on t h e r e s e a r c h of t he s ou r c e s o f t he i r i n di c e s a n d e r r o r s f o r t he d e t e c t o r s，a ne w c a l c u l a t i on me t h o d o n o bt a i ni ng t he s po t p a r a me t e r s o f q u a d r a n t p h o t o d e t e c t o r b y a j i g g l i n g me t h o d i s p r o p o s e d I n c o mp a r i s o n t o t h e t r a d i t i o n a l me t h o d s，t h e p r o p o s e d me t h o d b y j i g g l i n g me t h o d c a n o b t a i n n o t o n l y t h e s p o t c e n t e r，b u t a l s o t h e s p o t r a d i u swhi c h c a n p r o vi de mo r e r e l e v a nt i nf or ma t i o n d i f f e r e n t f r o m a ny t r a d i t i on a l me t h od I n a d d i t i o n，t h i s me t ho d ha s t h e a d v a n t a g e ov e r t he t r a di t i o na l me t h od t h a t t he e r r or s a r e un r e l a t e d t o t he s po t c e n t e r a nd t h e s po t r a di u s The or e t i c a l a n a l y s i s a nd s i m u l a t i on e x pe r i me nt s h a v e p r o ve d t ha t ob t a i ni n g t h e s p o t p a r a me t e r s o f q u a d r a n t p h o t o d e t e c t o r b y j i g g l i n g me t h o d h a s c o n s i d e r a b l e a d v a n t a g e s F i e l d t e s t s i n t he a t mos ph e r i c l a s e r ph ot oe l e c t r i c p r e c i s i o n p o s i t i o ni ng s y s t e m o f i nt e r v e hi c l e c o m mu ni c a t i o n s i s s h own t h a t t hi s me t ho d i s a d v a n t a g e o u s i n s p e e d，a c c u r a c y a nd c o nv e r g e n c e Obt a i n e d pa r a m 一 收 稿 日期：2 0 0 8 1 2 1 2；修 订 日期：2 0 0 9 0 3 1 5 基金项 目：装备预研基金资助项 目(N o 4 0 4 0 5 0 6 0 3)第4 期 林志 琦，等：用 四象 限光电探测 器获得光斑 参数 7 6 5 e t e r s a r e f r o m 2 t o 3 wi t h t he me t h o d W he n t h e 3 O m m Ga As PI N q ua dr a nt d e t e c t o r i s u s e d，t h e ma xi m u m e r r o r d e c r e a s e s f r o m 1 8 t o 1 2 0 o Ke y wo r d s：qu a d r a n t ph o t o de t e c t o r；p ho t o e l e c t r i c p os i t i o ni n g；p ho t o e l e c t r i c t r a c ki n g f a c u l a 引 言 象 限探 测器(Qu a d r a n t d e t e c t o r，Q D)、横 向 效应光 电探 测 器(L a t e r a l Ef f e c t De t e c t o r s)和多 元探测器(如 C C D)是光 学 跟 踪 中普 遍 采 用 的 3 种位置传 感 器。在 空 间卫 星 光 通 信 ATP技 术、现代原子 力显微镜 的悬 臂位置探 测、激光 准直、激 光 自动跟 踪、激光 制 导 中广 泛地 采用 象 限探 测器(QD)对 目标 的方位信息进 行探测，实现对 目标 的 定位跟踪。与另 外两 类探 测 器相 比，象 限探 测 器具有很 多优点。象 限探测器也 称 之 为象 限光 电池，是 通 过 光 刻把一个 圆形光 敏 面分 割成 数个(二、四、六、八)相互隔离 的面积相等、形状相 同、位置对 称的 区域(象 限)并分别镀 上 前极，引 出输 出线，而后 极则 仍为一个 整片。实 际上每个 区域 相 当于一个光 电 探测 器，在 理 想状 态 下，每 个 区域 的 暗 电流 应相 等。常用 的 象 限 光 电 探 测 器 为 四 象 限 探 测 器(Fo ur q ua dr a nt d e t e c t o r)。四象 限探测器作 为一种常用 的位置 敏感器件(P o s i t i o n S e n s i t i v e D e t e c t o r，P S D)，当入射光点 落在器件感 光面 的不 同位 置 时，四象 限探 测 器 的 每个象限输 出不 同 幅度 的电 信号，通 过对 这些 信 号的幅度进行 计 算，可 以确 定 入射 光 斑 中心 在感 光面上 的 位 置。这 种 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，可 以 探测 目标位 置的连续变 化，具有位 置分辨 率高、响 应速度快等特 点。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、器件响应 差异 以及 噪声、四象限不均 匀性及 系统 本身采用 的计算方 法。随着 工艺的进 步和技 术 水平的提高，器件响应 差异 以及噪声、四象限不 均 匀性 造成 的误 差可 以忽略。在 相同的大 气环境 中，采用 四象 限光电探测器进 行光 电定位时，系统 本身采 用的计算 方法 对定位 的影 响 占主导 地 位。为 了提 高四象 限探 测器探测 系统 目标方 位信 息 的探测能力，本文 根 据 四象 限探 测器 的 工作 原 理，深 入研究 了光斑几何位 置、大小 和探测器 面积 的关 系，提 出了微动法 获得光斑参 数的方法，克服 了四象限探测 器 的误 差与 光斑 半 径、光心 位 置 的 依 赖关系，消除 了测量误 差关联，并解决 了如何得 到光 斑半径 的问题。2 传统四象限光 电探 测 器的信号 处 理 方 法 四象 限探 测器 每个象限 的输 出取决 于两方面 的因素，即入 射 光 的能量 J 和 光斑 照射 到该 象 限 的面积 S (i a，b，C，)，如果光 斑 的能量 分布 不 均匀，则 输 出 也 是 位 置(，Y)的 函数，可 用 J (，)表示 J。通常 目标光斑几何 形状对 称、能量分 布均匀。当其位于探 测器 中心 时，各个 象 限 由于光 辐 射量 相同，输出相等的光电流，偏差为 0。当目标光斑 相 对探测器 中心产 生 偏移，四个象 限 由于 光 辐射 量 不同而产 生不 同 的光 电流，通 过对 光 电流 的偏 差 处理 即可 推知 目标 光斑相对 四象 限探测 器 中心 的偏 移，从 而对 目标光斑 中心进行 定位。传统 的四象限光 电定位信号 处理采用 模拟 电 路实现，从模拟电路的信号处理能力出发，实际信 号处 理电路采 用和差 比电路l 2 对输 出信号进 行处 理。由运算放 大器组成 的加法、减法、除法 运算 电 路对测 得 的各 象 限光 电流 值进 行 计算，求 得光 斑 中心 坐标(-z。，)，。)的值 。将 四象 限探 测器 的坐标轴 和系统 的位 置坐标 轴重 合，目标 光斑 沿 系统 的位 置 坐标 系移 动 方 向 与 四象 限坐标 系 的移 动 方 向一 致。通 常，由于光 电流很小，为 了能够处理，常对每个 象限 的输 出信 号进行 放大 处理。设 j 、J 、。和 j 为 4个象 限 的输 出光 电流，放 大 电路 的增 益 为 A，以 U 、U 、U。和 分 别 表 示 放 大 后 四路 各 自的 输 出电 压 值，则：U=l i A，(i=1，2，3，4)，(1)设 光斑均 匀分布，此 时 四象 限探 测 系统 得 到的信 光学精密工程 第1 7 卷 号电流与光斑投射在光敏面上的面积成正比。设 比例系数 为 忌，用 q (一1，2，3，4)表示 一到 四象限 的信号幅度，则式(1)可表示为：q 一 k S ，(2)按 照以上 约定，以 z。和。表示 目标 光 斑 相 对 探 测 面 中心 的偏移，可 以得 到：f 一(U+U )一(【，+U。)干 干 干 _ _ 一(u +u 2)一(十 u )3 lY。_ 实际上，并 非 在整 个光 敏 面 范 围 内系 统 得 到 的光斑 能量 中心 偏移 信 号。(或)都 满 足 以上 正 比关 系。仅在 线性 区 内，其 比例关 系为 常数，设 比例 系数为 G，则在线 性 区内上式 可写 为：I z o G Y。=G(Ul+U4)一(U。+U。)【-厂 +U+U+U(u。+u2)一(【，。+u)(4)【，l+U2+己，3+L，将式(1)代入式(4)，消去比例常数 G，得到 z。(或 Y。)和光斑分 别 投射 在 4个 象 限的 面积 之 间 的对 应关 系：f 一(S +S )一(S z+S s)j。S l+s 2 十S 3+S 4 l 一(S +S 2)一(s。+S )y 0 一 +s +干 将 四象限探测器的坐标轴相对于系统位置坐 标 轴顺 时针旋转 4 5。，当光 斑在 系统坐标 系 内沿 方 向移动 时，相 应地 在 四象 限探 测器 坐 标 系 内沿 对角线移动，同理其光斑 中心为 ：f S 1 一 S 3 研 毓 (6)l S2 一 S4 l Y。目前采 用 的 1 2 所 述的 四象 限光 电探测 器的 光斑 中心位置坐 标 的计算 方 法存 在 较 大 的误 差，并 且误差 依赖 于光斑 中心相对 于探测 器原 点的坐 标 及光斑 的半径，但 这 种计 算 方 法不 能 获 得光 斑 的半 径，因此也 无 法对 由于光 斑 半径 的变 化 引起 的误差进 行补偿。误差 与光斑 中心 位置及 光斑半 径 的依赖关 系如 图 1 所 示_ 6 。图 1是 QD输 出归 化误差 信号 与光斑 大小 及偏移量的关系，图 1中，横坐标分别为归一化的 光斑 中心相对 于探测器 原点 的坐标距 离和 光斑半 径，纵坐 标为 归一 化 的误 差 信 号。两条 曲线 分别 表示 误差 对光斑 半径及 光斑 中心 的依赖性。苔 0 口 E 占 Z F a c u l a l O C a t i o n mm(a)QD输出归一化误 差信 号与偏移量的关系(a)Re l a t i o n s h i p b e t we e n QD o u t p u t e r r o r s i g n a l a n d s po t of f s e t 匕 U 皇 g 0 Z Fa c u l a t a d i u s mm(b)Q D输 出归一化误差信号与光斑大小的关系(b)Re l a t i 0 n s h i p b e t we e n QD o u t p u t e r r o r s i g n a l a n d s p o t s i z e 图 1 Q D输 出归一化误差信号与光斑大小及偏移量 的关 系 F i g 1 Re l a t i o n s h i p b e t we e n t h e QD o u t p u t e r r o r s i gn a l a n d t he s i z e a n d o f f s e t o f f a c u l a 通过 图 1 所 示 曲线和 以上讨论 可 以得 出以下 结论：(1)传统四象限光电探测器光斑 中心位置的 计算 误差 随着 光斑 中心 的 相对 位 置(。，Y。)的 增 大 而增 大。(2)投 射 到 四象 限光 敏 面 上 的 目标 像 斑 的大小 即光斑 半径 对误差 也有 较大影 响 。为 了克服 以上 缺 点，本文 提 出了 采用 微 动 法 的四象 限光 电探测器 信号处 理方 法。3 由光斑 中心位 置坐标描 述光斑 面积 如 图 2 所 示，四象 限光 电探 测 器 的 中心 为 0 点，光斑 的 中心 为 A 点，以 四象 限光 电探 测 器 的 9 8 7 6 5 4 3 2O O O O O 0 O O O O 第 4 期 林志琦，等：用 四象限光 电探测器 获得光斑 参数 7 6 7 )，一 G I B，2 A(x o y o)-，xo Y o D C|H K、图 2光斑质心在探测器坐标系中的位置 Fi g Pos i t i on o f f a c ul a c e n t r oi d i n t h e c oo r di na t e s y s t e m o f t he de t e c t or 中心 O为原点 建立直 角坐 标 系，设 光斑 的 中心 A 的坐标为(。，y。)，光 斑 的半 径 为 r，则 可 以 分别 计算 出光斑在 探测器 各象限上 的面积。设 光斑 在 第一象 限，则 光斑在第 一象限 的面积 S 为 1 4光 斑的面积 1 4 r。，加上扇形 F AD 的 面积 1 2 3 r。，再加上三 角形 B F A 的面积 1 2 x。r c o ，再加上矩 形 OBAC的面积,1 2。Y。，还要加 上扇 形 EAH 的 面 积 1 2 0 r。和 三 角 形 ACH 的 面 积 1 2 y。r c o s 0。即：s 一 丢 兀 r。+1+专 。r c。s+-；o r +去 0 F C O S O+x o y 0，(7)光斑在第 二象 限上的面积 为 1 4光斑 面积减 去扇形 F AlD与 三角 形 F B A 的面 积 之 和 1 2 r。+1 2 x。r c o s口，再 加 上 G B OI区 域 的 面 积，并 且 G B OI 区域 的面积等于 G AC I区域 的面 积减 去矩 形 O B AC 的面积。Y。，由对 称性知道 G AC I区域 的面 积 与 AEHC 区 域 的 面 积 相 等 为 1 2 0 r +1 2 x o r c o s9，所 以：s 一 丢 r z-专 一 1。r c。s 卢+，z+。0 一。，(8)光斑在第 三象限 的面积为 1 4圆 的面积 减去 G AC I区域 的 面积，再 减 去 C O KJ区 域 的 面 积，C O KJ 的 区 域 面 积 为 1 2 。+1 2 x。r c o s 一 o Y o，故：s。一 1 7 c r2一 1 一 1 z。r c。s卢 一 1口rz一 1 z。r c。s +z。，同理可 得光斑在 第 四象 限的面积 为：s 一 1 rz+专 +1。r c。s 一 一专 c。s。(9)(1 0)4 通过正交微位移测量光斑的参数 4 1 四象限光 电探测 器的正 交微动 采用 四象 限 光 电 探 测器 进 行 光 电探 测 定 位 时，四象 限光 电探 测器 是 安装 在转 台上进 行 扫描 来 完成光 电定位 的。由于 四象 限光 电探 测器安装 在转 台上，因此可 以采 用 让转 台微 位 移 一个 小 的 增 量的方法 实现 四象 限光 电探 测器 的精 确定位。F DD ；一)A(x o y 1)1 一 0 C 一(a)X 方 向移 动(a)M ov i ng i n t he X di r e c t i o n J 9 G，一 I)，G I B 珊 y n)、厂 0 一、(b)Y 方 向 移动(b)M o vi n g i n t h e Y di r e c t i on 图 3 四象限光电探测器微动法信号处理原理 Fi g 3 Si gn a l p r oc e s s i n g p r i nc i p l e o f q ua d r an t d e t e c t o r b y j i g g l i n g me t h o d 7 6 8 光学精密工程 第1 7 卷 设 在初始 位 置 测得 4个 象 限 的 光 电输 出 分 别 为 q 、q z、q s、q ，如 图 3所示，首先让 四象 限光 电探 测 器 在 方 向上 向 轴 正 方 向 移 动一 个 微 小 的增 量 A x，相 当于过光 斑 向 负方 向移动 了 A x。此 时测 得 四个 象 限 的输 出 分别 为 q 、q。、q。、q ，如图 3(a)所示。再 让 四象 限光 电探 测器 沿 Y的正 向移动 A y，此时相当于光斑沿 轴负方向移动了 A y。此时 测得 4个 象 限的光 电输 出分别 为 q 、q 2 q。、q ，如 图 3(b)所示。4 2通过正 交微动 计算光斑 中心 坐标 为 了分 析方便，设式(2)中 志 一 1，先 求 出(7)一(8)4-(9)一(1 0)再将式(2)代人 得：(q 1 一 q 2)4-(q 3+q 4)一 4 xo yo，(1 1)若将 四象限探测 器沿 z轴 方 向上 移动 A x后 的新 测量 值 q 、q 、q。、q 代入 式(1 1)，因 没 有改 变，所 以：(q1 一 q 2 )+(q 3 一 q 4 )一 4 Xo 3，o，(1 2)由于只有 轴方 向有移 动为 则：o 一 z0+，(1 3)将 式(1 3)代入式(1 2)有：(q l 一 q 2 )+(q 3 一 q 4 )一 4(o 4-)-y o 一 4 xo y0+4 Axy。，(1 4)将 4 x。Y。移 到 等号 左端，并 将 式(1 1)代 入式(1 4)中则有：(q1 一 g 2 )+(q 3 一 q 4 )一 (q l q 2)4-(q 3-q 4)一4 A y x o，(1 5)同理 有：(q1 一 q 2 )+(q 3 -q 4 )一 E(q 1-q 2)+(q 3-q 4)一4 A y x。，(1 6)式(1 5)、(1 6)两 式 中 z和 Ay、q q 、q 1 q 、=(q l-q 2)4-(q 30-q 4 )-E(ql-q z)+(q 3一-q 4)tt JU It ，(1 7)以上推 导过 程 中，假 设 是=1，实 际 应 用 中可 将实际常数 k值(由探测器的性能确定)代入，实 际用来计算 的为式(1 8)。f 1 T I 1 q l -q 2 )+(q 3 一 q 4 )一 (q 1 一 q 2)+(啦一 q 4)4 hr (1 8)4 3 微 动法计算 四象 限光 电探 测器 的光斑半 径 由图 3(a)可 知，在 轴方 向上光 斑 移 动 时，区域 AE HC的 面 积 移 动后 为 A E H C 没 有 改 变，光斑 在 一、四象 限 的减 少 与二、三象 限 的增 加 面积 S1 一 S D c S D，c 一 Sc c，D D (r+y o)，(1 9)同理，由图 3(b)可知：ASlI 111一 S)F D S(I J F，D，一 SB B，E E，(r+7 7 o)Ay，(2 0)在 轴 与 Y轴 微 动时 光强 是不 变 的，也 就是 在 轴方 向上，一、二 两 象 限上 单 位 面积 的 响应 与在 Y轴方 向上一、四两 象 限 上单 位 面积 的响应 相等，即：垒 =一垒 (21)Aql 一 Aq 一m 将式(2 1)与式(1 9)代 人式(2 O)有：r 一 Aq n m Ax Aq Ay(2 2)一 一 I n 式(2 2)中。，。可 由式(1 7)算 出，-，、A y为 四象 限光 电探测器 的微 位移，由转 台带动产 生，是 人 为的动 作，动作 的距离 是 已知的。A q m 是 轴 方 向上 移 动 时 光 电 探 测 器 左 侧 和右侧 的响应 差(q +q )一(q +q )或(q。+q 3)一(q 2 +q 3 )，A q l _ I、是 y轴移动 A y后 上面 和 下 面 的响应差(q +g )一(q +q 2 )或(q。+q )一(q +q )，可 以获得所 需光斑 半径。5 误 差 分析 与 实验 结果 微 动 法通 过 分别 在 方 向 上 移 动 ，在 轴方 向移动 A y，由移动前 后 的 响应 q 、q 、q。、q ，q 、q 、q。、q ，q 、q 、q。、q 可 以求得 光 心 坐 标 为：-70 o：(g 1 I-q 2 1)+(q 3 一 q 4 t)一 E(q l q 2)+(g 3 一 q )4 A x ，(23)光斑 的半径为：r 一Aqi-xo Ay-Aq n myoAx(2 4)Aq11 Ax Aq1一nY 5 1 光斑 半径对 测量 误差 的影响 实 际测 量过 程 中，照射 到 四象 限光 电探测 器 上 的光斑 大小 对测量 误差有很 大 的影响。图 4是 第4 期 林 志琦，等用 四象 限光 电探测 器获得光斑 参数 7 6 9 采 用微动法测 量的光斑 中心位置 与理想光 斑 中心 位 置随光斑半 径的不 同而变化 的关系 曲线。皇 e 言 矗 至 0 Z 0 O 0 0 _o _ _ 0 -0 -0 图4 四象限探测器微动法信号处理与传统方法的比 较 Fi g 4 Comp a r i s on o f s i gna l p r oc e s s i n g b y qu a d r a n t d e t e c t or a nd t r a di t i on a l me t ho d 图 4中，中间 窄小 的 阴影 部分 左侧 边 界 线为 理想 的无误差输 出 与位 置关 系，阴影 部 分右 侧边 界线 为采用微动 法 时，用 弦 近似 代替 弧 带来 的误 差，由于 A x和 A y都 很 小(实验 中取 1 0 0 F m 5 0 0 m)，且与光斑 中心位 置 及半径 无关，所 以这 个误差 不仅 很 小 而且 与光 斑 中心 位 置 及 半 径无 关，图中阴影部分是 微动法 的误 差，使用 03 0 mm 的 Ga As P I N 四 象 限探 测 器 时，最 大 误 差 仅 在 1 2 以 下。图 4中其它 的曲线为光斑半 径不 同时 的输 出 与光斑 中心位置 的关 系，这些 曲线 与 阴影 左 侧边 界 的理想 曲线 的距离 为传 统 方法 产 生 的误 差，相 比有较 大的误差。使用 03 0 mm 的 Ga As P I N 四 象限探测 器时，最 大误 差达到 1 8 。由图 4可 以看 出，采用 本 文所研 究 的方法 不 但使光斑 位置及光斑 半径对光 心位置 的误 差影 响 都很小 而且与光斑 中心位 置 及半 径无 关，并且 克 服 了 目前采 用其它光心 位置计算 方法带来 的随光 斑 位置、光 斑半径 不 同，误 差变 化大，并 且在很 大 的范 围内误 差 都较 大 的缺点。同时，本 方 法还 可 以测出光斑半 径，克服 了 目前 采用 的 四象 限光 电 探 测器进 行光 电定 位 时 无 法 确定 光 斑 半 径 的 缺 点，具有相 当广泛 的实用 价值。5 2 微动量 的大小对 光斑半径 的影响 由于粗跟踪机构的存在，光斑可 以落到四象 限探测器的近中央，即图 2中的 和 口一般 比较 小。在微 动时，由于采用 数字方式 处理信息，其分 辨率受 到技术 限制，因此较 小 的微 动量 会 引起 量 化误差，所 以微 动量 A x、A y不应取 太小。由于 f 3 r (Y o X o)Ay。Aq I 一 Aq 一 1 3 A x (A q II 一 A x A q 1 一 n。A y)、l 3 r(X o Y o)。Ax。Aq I 一。Aq 11 一 【3Ay (q 一 Aq】Ay)图 5中 曲线 1为处理信 息时 1 2位 A D C量化 造成 的误差 曲线，曲线 2为微 动量 对 光斑 半径 的 误差 曲 线。由上 图 可 以 看 出，微 动 量 太 小 时，AD C量化 造成 的误差对光 斑半径 影响较 大；当微 动量 太大时，光斑 半径 r的误 差 会显 著增 大。所 以，在实际应 用 中取微 动量最优值 。A y。一&x o o r A y o 图 5 微动量对光斑半径的影响 F i g 5 I n f l u e n c e o f j i g g l i n g v a l u e o n s p o r t r a d i u s 5 3 实验结 果 在车辆 间 大 气 激光 通 信 的光 电精 定 位 系统 中，车辆间距 离为 5 k m，发 散 角 为 1 mr a d时，到 达探 测器 的光斑 直径 的理论 值 为 5 6 8 mm，实 际 测量 四象 限探 测器 上 光 斑 直径 为 5 5 mm，误 差 为 3 2 。定 位 时间 为 3 0 0 ms，采用 传统 算法 进 行定 位时定 位时间约 为 4 0 0 ms 1 S，因此 响应时 间减小 了 3 O 7 5。6 结 论 本 文提 出 的微 动 法 在 z、轴 方 向上 微 动 一 个增量 z、，可 以较 为精确 地计 算 出光 斑 中心 的位置，还可以得到光斑半径的信息，光斑半径可 作为具备 自动调焦能力的光电跟踪系统中的 自动 调焦控制参数，还可以用来对光心位置的误差进 行补偿。由于获得的光斑位置参数精度高，同时 还增加了光斑半径作为辅助参数，系统跟踪控制 的响应速度，精度和稳定性都得到大大提高。7 7 O 光学精密工程 第1 7 卷 参 考文献：1 2 3 E 4 2 冯龙龄，邓仁 亮 四象 限光 电跟踪 技术 中若干 问题 的探讨E J 红外与激光工程，1 9 9 6，2 5(1)：1 6 2 1 FENG L I ，DENG R LSt ud y o n op t i c a l t r a c ki ng wi t h F o u r-q u a d r a n t d e t e c t o r s J I n f r a r e d a n d Las e r En s i n e e r i n g，1 99 6，2 5(1)：1 6 2 1 徐代升 四象限探测 系统信号光斑 的优化设计 J 湖 南理 工 学 院 学 报(自然 科 学 版)，2 0 0 7，2 0(1)：5 0 5 4 XU D SHOp t i ma l de s i gn f o r s i g na l l i ght s p o t o f d e t e c t i n g s y s t e ms wi t h q u a d r a n t d e t e c t o r s J J o u r n a l o f Hu n a n I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o gy(Na t ur al Sc i e n c e s)，2 007，2 0(1)：5 O一 5 4 RI CHARD P，RODNEYS R Cr o s s t al k b e t we e n f r i c t i on a nd he i g ht s i gn al s i n a t o mi c mi c r o s c opy J Re v i e w o f S c i e n t i f i c I n s t r u m e n t s，2 0 0 2，7 3 (9)：33 92 3 39 4 陈海清，齐哲 明 四象 限红外探测 器光 电参数 测试 技术研究 J 光学仪 器，2 0 0 7，2 9(1)：8-1 1 CHEN H Q，QI ZH MSt u d y o n p h o t o e l e c t r o n i c pa r a me t er s me a s ur e me n t s ys t e m o f f o ur q ua d r a n t i n f r a r e d d e t e c t o r J Op t i c a l I n s t r u me n t s，2 0 0 7，2 9 (1)：8 11 5 党丽萍，刘君 华，唐树 刚 双 四象 限探 测器位 置 自 适应测量新模 型_ J 西安 交通大 学报，2 0 0 6，4 0(2)：1 42 1 4 6 作 者 简 介：林志琦(1 9 6 4 一)男，吉林农 安人，长 春 工业 大学 副 教 授，博 士 研 究 生，主 要 从 事光电检测、无线 光通信、嵌入 式系统 应用等 方面 的研究。E-ma i l：z h i q i l n y a ho o c om 李会 杰(1 9 6 5 一)，女，吉林 九 台 人，硕 士，长春工业 大学副教 授，主要从 事机 械 电子，工业设 计教学 等方 面的研 究。E ma i l：l i h u i j i e ma i l c c u t e d u c n 6 E 7 8 2 DANG L P，L I U J H，TANG S H G Ne w M e a s u r e me n t Mo d e l o f Do u b l e 2 F o u r Qu a d r a n t s P h o t o e l e c t r i c D e t e c t o r Wi t h o u t P o s i t i o n A d j u s t me n t J J o u r n a l o f Xi An J i a o t o n g Un i v e r s i t y，2 0 0 6，4 0 (2)：1 4 21 4 6 胡贤龙，周世椿几种 四象限探测器 测角算 法的分 析研 究 J 激 光 与 红 外，2 0 0 7，3 7(6)：6 5 4 6 5 4 7 55 1 HU X L，ZH0U SH CH Ana l y s i s a n d Re s e a r c h o n Se ve r a l An gl e me a s u r e me nt Al go r i t hms Ba s e d o n F o u r q u a d r a n t D e t e c t o r J L A S E R&I NF R A RED，2 0 07，3 7(6)：65 46 5 47 55 1 XU X Y，CHEN H Q，QI H MS t u d y o n p h o t o e 一 1 e c t r on i c pa r a me t e r s me a s u r e me nt s ys t e m of f o ur q u a d r a n t i n f r a r e d d e t e c t o r J O p t i c a l I n s t r u me nt s，2 00 7，2 9(3)：7-