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、硬件模拟定向，通过模拟电路进行坐标运算，运算结果通过数字表头进行显示，从而显示出定向坐标；2、软件数字定向，通过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、实验原理
2.1、系统介绍
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。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。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
y2＝-x1cos45o+y1sin45o＝2kBD
2.2.3 和差比幅式
上述两种情况中输出的坐标信号均与系数k有关。而k又与接收到的目标辐射功率有关。它是随目标距离远近而变化的。这是系统输出电压Vx1、Vy1并不能
够代表目标的真正坐标。采用下式表示的和差比幅运算可以解决这一问题。 x3k(ABCD)(ABCD)k(ABCD)(ABCD)
k(ABCD)(ABCD)k(ABCD)(ABCD)y3
式中不存在k系数。与系统接收到的目标辐射功率的大小无关，所以定向精度很高。
2.2.4 对数相减式
在目标变化很大的情况下，可以采用对数相减式定向方法。坐标信号为
x4＝lgkABlgkCD=lgABlgCD
y4＝lgkADlgkCB=lgADlgCB
可见，坐标信号中也不存在系数k，同样消除了接收到的功率变化影响。 当定向误差很小时，可以得到如下近似关系
x4ABCD
