基于Infinite integral的四象限探测器光斑位置检测算法

为了进一步提高基于四象限探测器的半主动式激光导引头的目标定位精度,本文以高斯分布的圆形光斑作为入射光斑模型,提出了一种基于Infinite integral拟合方法的改进算法(GII)。在Infinite integral拟合算法的基础上,考虑了外部光能和死区带来的误差影响,采用最小二乘法获得最佳拟合的解析表达式。为了简化算法的计算量,对部分解析表达式进行分段式多项式拟合,优化拟合区间,并得到GII算法的解析表达式。GII算法相较于传统Infinite integral拟合算法和8次多项式拟合法,精度大幅度提升。仿真和实验表明,该算法在确保良好实时性的同时,能增加四象限探测器的有效探测范围,提高不同光斑半径下四象限探测器的定位精度,为战场环境下精准激光制导武器的发展提供了理论参考。

背景光对四象限探测器干扰的研究

给出了四象限探测器 (QD)光电探测原理 ,从理论上详细分析了背景光干扰下对位置探测精度的影响 ,得出位置误差与测量位置存在线性关系、与信噪比几乎存在反比关系 ,并用实验验证了分析结果。最后提出了减小背景光影响的几种措施。

四象限探测器光斑尺寸测量方法的研究

由于四象限探测器具有低噪声、高灵敏度和高带宽的优势,因此被广泛应用于激光光斑跟踪、准直和位置检测等领域。靶面上的光斑尺寸是影响系统性能的重要参数之一。对探测器的光斑位置探测灵敏度指标S,进行了分析,比较了象限间沟道大小对S_x的影响关系。提出了一种测量光斑半径的方法,该方法利用电控偏转镜扫描探测器靶面,获得位置探测器灵敏度,基于位置探测灵敏度与光斑半径的对应关系,间接测得光斑尺寸。

四象限探测器数字跟踪通信复合接收机设计

随着微纳卫星技术的迅速发展,为实现空间激光通信接收终端的轻小型化设计,采用四象限探测器(Quadrant Detector,QD)作为通信接收机的探头。设计的四象限探测器数字跟踪通信复合接收机,首先通过四象限探测器将光信号转换为电信号后,然后经过前置跨阻放大电路进行信号放大并转换为电压信号,再由模数转换(Analogue-to-Digital Conversion,ADC)将电信号转换为数字信号,最后通过现场可编辑门列阵(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的数字算法完成跟踪与通信相关的信号处理。通过理论分析得到在1064nm波段,当误码率为10-6,通信速率为10Mbps,信噪比为90时,探测灵敏度为-45dBm;在光斑半径为400μm时,位置分辨力为6.29μm,实现了0.0016的细分能力。通过对探测信号链的仿真、光斑位置分辨力的仿真、通信解调与数据时钟恢复(Clock Data Recover,CDR)的仿真以及对光斑位置与脱靶量解算的仿真,进一步验证了接收机跟踪与通信复合功能的实现。最后通过实验测试得到在误码率为10-6,通信速率为10Mbps时,探测灵敏度为-30d Bm,并对光斑位置探测的误差进行了标定。数字接收机的性能参数满足通信系统的基本要求,基于FPGA的软件设计完成了单探测器跟踪与通信功能的复合,并实现了接收机的数字化,满足接收机的轻小型化设计的要求。

毫秒脉冲激光辐照硅基四象限探测器单一象限输出电流研究

针对毫秒脉冲激光辐照硅基四象限探测器(Quadrant Photoelectric Detectors,QPD)单一象限输出电流的规律进行了理论和实验研究,并进行了不同条件下输出电流的模拟仿真研究,开展了毫秒脉冲激光辐照硅基QPD探测器单一象限输出电流的实验研究。模拟仿真结果与实验结果相吻合,结果表明:激光辐照硅基QPD探测器单一象限时,激光辐照象限在激光辐照结束后出现了电流震荡现象,形成第二峰值,且可以观察到输出电流第二峰值和电流恢复时间随着激光能量密度增大而增大。

多晶CVD金刚石型X射线光束诊断探测器研制

为满足同步辐射X射线实时位置和强度监测需求,基于多晶的CVD金刚石材料,研制了一种四象限型X射线位置探测器。该探测器暗电流为20pA;在同步辐射Top-up注入模式下,光强的测量精度为0.2%;位置分辨能力为1μm,达到同步辐射装置线站上常规的光束位置和强度实时测量要求。

基于蒙特卡罗方法的相干四象限探测器仿真研究

引力波探测激光干涉仪对四象限探测器性能提出了较高的技术要求。为了提升四象限探测器光斑位置检测精度,搭建四象限探测器相干探测仿真系统,构建位置检测数学模型,分析位置检测精度与系统信噪比、光斑半径和光斑质心位置三个关键参数以及相干混频增益的关系。基于蒙特卡罗仿真方法并采用LabView软件搭建四象限探测器光斑位置检测计算机仿真系统,深入分析系统中高斯光斑产生、光斑质心位置解算以及误差评判三部分主要过程,分析各个关键参数对位置检测精度的影响。仿真结果表明,提升系统信噪比、减小光斑半径以及选取靠近光敏面中心的光斑质心位置可以提高位置检测精度。将仿真结果与理论计算结果进行对比,验证了数学模型的有效性,提升了蒙特卡罗仿真置信度。

基于4Q-PSD的高分辨率横向位移探测方法研究

在分析四象限位置敏感器件(4Q-PSD)结构及特点的基础上,利用该器件作为核心探测器,设计了一种光电探测系统,对高分辨率横向位移的探测进行了研究。系统主要包括LED光发射、光接收、信号处理和显示等部分。LED发射的光束经聚焦透镜汇聚后射向反射镜,反射光聚焦到一个4Q-PSD上,经线性化的信号处理电路处理后,可实现高分辨率横向位移的测量。实验证明:横向位移测量稳定性与精度与测量距离无关,系统的误差主要来自反射镜反射的非均匀性。

高精度近红外光斑位置检测模型研究

为了提高1 550 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In Ga As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In Ga As 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10μW,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。

基于QPD的粒子位移与输出电压的转换系数标定

在光镊系统中通常利用四象限位置探测器(QPD)进行位移测量,QPD的输出电压-粒子位移标定一直是影响位移测量精度的主要因素。论文研究了一种在光镊中基于QPD的输出电压-粒子位移标定方法,用QPD记录粒子移动时的电压信号,同时用CCD测量粒子的位移,比较电压峰峰值和位移峰峰值求得电压-位移转换系数。基于该标定的转换系数可快捷、实时的测量光镊系统中的粒子位移。搭建了光镊系统,并测量了放大倍数为120时的QPD输出电压-粒子位移转换系数,Y轴方向的转换系数平均值为0.1186v/μm,不稳定性低于1%,证明了该方法的有效性。进一步分析了影响转换系数标定精度的因素,包括系统放大倍数、粒子光斑大小、粒子纵向深度变化等。

高灵敏度光束位置信号提取的激光通信跟瞄一体化(特邀)

提出一种基于四象限探测器跟瞄和通信复用的强度调制直接探测的空间光通信系统,以超声波电机驱动的双光楔为光束偏转执行单元形成光束位置跟踪的闭环系统。驱动电机转动周期为15 ms,位置分辨率为0.83μrad。经理论分析和实验验证,该系统的位置闭环跟踪−3 dB带宽约为4 Hz。当位置探测误差小于10%时,即光束探测精度小于12μrad,对应的探测灵敏度为−45.2 dBm。在10 Mbit/s的通信速率和无信号编码下,误码率为1×10^(−3)时对应的通信灵敏度为−44 dBm。验证了利用四象限探测器作为跟踪与通信复用探测器的可行性,可应用于小型化、轻量化的星间激光通信终端。

基于PLC的大范围运动与高精度对准控制

针对掩模版传输过程中的大范围运动与高精度对准这两个关键问题,本文采用基于PLC的全闭环位置控制方法,设计了用于掩模版传输和对准的机械手控制系统。对于大范围运动,利用旋转编码器和光栅尺检测机械手的速度和位移,构成三闭环控制系统。对于高精度对准,利用四象限探测器检测掩模版位置与姿态偏差,构成四闭环控制系统。实验结果表明,利用本文控制系统,机械手在大范围传输和高精度对准时的速度和精度都可以满足生产要求。

四象限式光敏二极管典型应用电路

四象限式光敏二极管，是在同一芯片上作出四个二极管单片且它们之间有个“十”字形沟道相隔，所以单元的性能参数基本相同，一致性较好，常用于位置探测器，人称二维探测器件。其典型应用电路如图1所示。 图1（a）为四象限式光敏二极管的电路图形符号。其光敏面形状如图1（b）所示。外形见图1（c）所示。

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。

极紫外光刻光源驱动激光光斑高精度检测技术研究

为了实现极紫外光刻光源驱动激光光斑位置的高精度、宽范围、快响应检测,设计了一种高重复频率窄脉冲信号多通道同步采集处理电路,并提出了基于高斯光斑模型的二级扩展误差补偿算法,可以为极紫外光刻光源驱动激光指向控制提供高精度反馈调节量。首先,介绍了光斑位置检测系统的结构组成与四象限探测器的基本检测原理;然后在考虑探测器半径、光斑半径以及沟道宽度等因素影响的前提下对误差补偿函数进行改进,并对改进的二阶扩展误差补偿算法进行了仿真分析;接着介绍了用于高重复频率窄脉宽信号的多通道同步高速采集电路;最后搭建了实验平台,对改进的算法进行验证。实验结果显示,二阶扩展误差补偿算法的均方根误差为0.0042,最大绝对误差为0.0092 mm,绝对误差的平均值为0.0034 mm;与二阶误差补偿算法相比,二阶扩展误差补偿算法的均方根误差、最大绝对误差和绝对误差的平均值分别降低了83.06%、85.28%和83.50%。表明二阶扩展误差补偿算法与二阶误差补偿算法相比,具有明显的优越性及实用性,在扩展了光斑位置检测范围的同时,光斑位置的检测精度也得到了明显的提升,解决了传统算法无法兼顾计算速度与检测精度的问题。