赵馨_四象限探测器处理电路设计
四象限红外探测器光电参数测试技术研究
文章编号:100525630(2007)0120007205四象限红外探测器光电参数测试技术研究Ξ徐小 ,陈海清,齐哲明(华中科技大学光电子工程系,湖北武汉430074) 摘要:针对四象限红外探测器的特点,设计了基于双光路替换法的光学系统。
该系统可测试探测器的脉冲响应灵敏度、光电响应均匀度以及相邻象元之间的串扰并可以有效地避免光源输出功率波动和光学分光器件分光比的测量不确定度等因素带来的误差,在相同的硬件条件下可实现更高的测量精度。
实验结果证明:该测量系统具有较低的测量误差(≤5%),并且结构简单紧凑,可适用于对光源要求较高的检测系统进行实时检测。
关键词:四象限红外探测器;双光路替换法;响应灵敏度;响应均匀度;串扰中图分类号:TN 215 文献标识码:AStudy on photo -electron i c param eters m ea sure m en t syste m of four quadran t i n frared detectorX U X iao 2y ao ,CH EN H ai 2qing ,Q I Z hen 2m ing(D epartm en t of Op to 2electron ic Engineering ,H uazhong U n iversity of Science and T echno l ogy ,W uhan 430074,Ch ina ) Abstract :A n op tical syste m is designed ,w h ich is based on the p rinci p le of double op tical path s and acco rding to the characteristics of four quadran t infrared detecto r .T he m easure m en t syste m m ain ly ach ievesthe para m eters bel ow :res pon sibility ,homogeneity and co 2disturbance.T he syste m can effectively reduce the erro rs caused by the turbulence of the laser outcom e and the uncertain ties of op tical divisi on ,and ach ievesh igher m easure m en t accuracy under the sa m e circum stances .T he result show s th is compact ,si m p lifiedop tical syste m can be used in m any detective syste m s having h igh require m en t of op tical res ources.T he m easure m en t erro r is no t h igher than 5%.Key words :four quadran t infrared detecto r ;double op tical path 2rep lace m en t m ethod ;res pon sibility ;homogeneity ;co 2disturbance1 引 言红外探测器技术是红外科技领域中重要组成部分。
四象限光电探测器电路设计方案
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。
四象限探测器定位精度的分析与仿真
四象限探测器定位精度的分析与仿真宋哲宇;付芸;范新坤;吴凯【摘要】In order to study the tracking accuracy of four-quadrant(QD)detectors in space laser communication sys-tems and the effects of spot characteristics and external environment on detectors,at first,the principle of four-quad-rant detector flare detection is deduced through the theory,the effects of facula size,facula centroid position,back-ground light,facula energy distribution,dead-area and the SNR are simulated and analyzed. The results show that the sensitivity of the position detection is reduced with the increase of the facular size. The facula energy distribution,back-ground light and dead-area will have an effect on the detection accuracy of the spot position;and the improvement of the signal-to-noise ratio can improve the position detection accuracy.%为了研究影响四象限探测器(QD)在空间激光通信系统中的跟踪精度,以及光斑特性和外部环境对探测器的影响.首先理论推导了四象限探测器光斑检测的原理,然后对光斑半径、光斑位置、背景光、光斑能量分布、死区、系统信噪比等因素进行了仿真分析.研究结果表明,光斑半径的增加会降低四象限探测器的位置探测灵敏度.光斑能量分布、背景光和死区会对光斑位置检测精度产生影响,系统信噪比的提高可以提高位置检测精度.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)002【总页数】4页(P41-44)【关键词】背景光;光通信;建模;仿真;信噪比【作者】宋哲宇;付芸;范新坤;吴凯【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022【正文语种】中文【中图分类】TN929.1四象限探测器（QD）具有响应快、动态范围宽、灵敏度高、体积小等特点，广泛应用在光电跟踪领域［1］。
四象限探测器的模拟运算电路设计-电路设计论文-设计论文
四象限探测器的模拟运算电路设计-电路设计论文-设计论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——【摘要】由于大气湍流的存在使无线激光通信技术的发展受到限制，本文通过研究激光到达角变化情形进而间接反映大气湍流变化，以期能够推动无线激光通信技术的发展；首先介绍了大气湍流及对无线激光通信的影响；其次结合四象限探测器得到到达角测量方法；最后设计出适用于四象限探测器的模拟运算放大电路。
【关键词】激光通信；大气湍流；四象限探测器；模拟运算电路1引言当前，空间光通信中的点对点通信模式已经很成熟，随着我国相应地开展了轨道与轨道、轨道与地面、地面与航空平台、地面站点间的空间激光通信实验，其标着我国的该技术水平总体达到世界领先水平[1][2]。
然而激光在大气湍流中传播时，由于湍流的不规则性，会使激光的折射率的起伏，破坏了激光相干性。
在接收端的表现是光斑发生破碎、畸变、展宽，光强发生起伏。
破碎、畸变的光斑进而导致接收端信号数据误码率起伏，给光通信的接收造成极大的困难。
因此大气湍流的研究对无线激光通信的发展非常重要。
本文提出了一种通过研究激光到达角反映大气湍流的有效模式，并设计出相应的到达角测量电路，以期能够推动对无线激光通信技术的发展。
2大气湍流与无线激光通信大气信道对激光传输的影响可分为大气衰减、大气湍流和大气散射。
大气湍流是一种不规则的随机运动，Richardson提出的级串团图案表示：大湍流尺度的能量来源于外部，不稳定的大湍流进而产生次级的湍流，不稳定的次级湍流又会产生更小的湍流，直至最后完全消耗掉。
然而由于热和风的原因，大气处于一直流动的状态，又会有新的窝旋产生，如此运动不止。
衡量大气湍流的是湍流的特征尺寸，光束穿过湍流的情形分为三种：一种是光束直径远远小于湍流尺寸，此时湍流对激光的影响主要是使光束发生随机偏折，即光斑会产生随机漂移，就相当于光束进入到一个与空气不同的介质中发生折射一样；一种是光束直径接近湍流尺寸，此时湍流会使光束截面随机偏折，从而形成了到达角起伏，使用光学系统接收时，在平面上会出现像点抖动；一种是光束直径远大于湍流尺寸，此时光束截面内包含多个湍流窝旋，各自对照射的那一小部分光束起着衍射作用，从而使光束强度和相位在空间和时间上出现随机分布，光束面积也将扩大。
四象限探测器的特性测试
四象限探测器的特性测试赵馨;佟首峰;姜会林【摘要】研究了用四象限探测器检测光斑中心位置时,入射光斑的各种特性和外部环境对象限探测器输出产生的影响.通过理论推导得出了入射椭圆高斯光斑时光斑中心位置与探测器输出的关系公式及检测灵敏度公式;搭建实验系统完成了室内及野外测试实验.实验结果表明,室内环境下探测器具有较高的检测精度与细分能力;在极限灵敏度下通过数字滤波可以使器件具有36细分的能力;测量了象限探测器的电压特性,完成了背景光特性、光斑大小特性、信噪比特性测试实验.野外实验表明,光强闪烁对探测器影响很大,当大气折射率结构常数为10-16时,距离在830 m时器件仅具有7细分能力,距离在12.5 km时基本没有细分能力,已经无法进行光斑检测.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2010(018)010【总页数】7页(P2164-2170)【关键词】四象限探测器;椭圆高斯光斑;光强闪烁;细分能力【作者】赵馨;佟首峰;姜会林【作者单位】长春理工大学,吉林,长春,130022;长春理工大学,吉林,长春,130022;长春理工大学,吉林,长春,130022【正文语种】中文【中图分类】TP212.14;TN3661 引言四象限探测器因为具有灵敏度和位置分辨率高、光谱范围宽、体积小、响应快、动态范围宽等特点,在光斑位置检测中得到了广泛应用,尤其是在空间光通信中,光波段从800 nm改为1 550 nm,使用四象限探测器对实现通信光与精信光标统一、减小系统体积十分有效;而在1 550 nm波段用于激光光斑位置判定时,由于红外CCD 探测器受限,象限探测器也是理想的选择。
从目前国内外报道的空间光通信系统成功案例和通信系统规划看,象限探测器主要应用在捕获、对准、跟踪(APT)系统精跟踪的光斑检测和提前量伺服系统的光斑检测。
例如,日本NADSA研制的LUCE系统采用象限探测器来完成精跟踪光斑检测及光斑中心计算,其链路为光通信系统的垂直链路[1-2]。
四象限位置测量系统设计实验
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。
四象限光电探测器电路_概述解释说明
四象限光电探测器电路概述解释说明1. 引言1.1 概述本文介绍了四象限光电探测器电路的概念、原理和应用领域。
四象限光电探测器是一种能够实现光信号的双向检测和定位的器件。
它具有高灵敏度、快速响应和良好的定位准确性等优势，因此在许多科学研究和工程应用中得到广泛应用。
1.2 文章结构本文共分为五个部分：引言、四象限光电探测器电路、四象限光电探测器电路的组成部分、实验与结果分析以及结论与展望。
引言部分对本文的内容进行了简要概述，接下来将详细说明四象限光电探测器电路的原理、概念和应用领域。
然后，我们将讨论构建四象限光电探测器电路所需的关键要素以及信号处理与放大电路设计方法。
接着，我们描述了进行实验的设备和试验方法，并展示并分析了实验结果。
最后，文章总结回顾了四象限光电探测器电路，并展望了进一步研究中存在的问题和改进方向，以及该技术的应用前景和发展趋势。
1.3 目的本文的目的是全面介绍四象限光电探测器电路的原理和应用，为读者提供一个清晰的了解这一技术的框架。
通过详细描述四象限光电探测器电路的组成部分和信号处理方法，读者可以了解到如何构建和优化这种电路。
此外，实验结果和分析将进一步验证该技术在不同领域中的应用性能，并为未来研究提供参考。
通过阅读本文，读者将对四象限光电探测器电路有一个全面而深入的理解，并能够探索其更广阔的应用前景。
2. 四象限光电探测器电路2.1 光电探测器原理光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的装置。
其工作原理基于内部光敏材料与外界光线相互作用，产生电流或电压输出。
常见的光电探测器包括光敏二极管、光敏三极管、光敏场效应晶体管等。
2.2 四象限光电探测器的概念和优势四象限光电探测器是一种能够在两个正交方向上进行双向测量的特殊类型的光电探测器。
传统的单象限光电探测器只能在一个方向上进行单向测量，而四象限光电探测器可以同时获取样品对于输入光源位置和运动速度的信息。
四象限光电探测器具有以下几个优势：1. 双向检测：四象限结构使得该种类型的光电探测器能够检测目标物体在平面上的水平和垂直运动。
一种四象限探测器信号放大电路[实用新型专利]
![一种四象限探测器信号放大电路[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/d7c4919527284b73f34250d3.png)
专利名称：一种四象限探测器信号放大电路专利类型：实用新型专利
发明人：潘运滨
申请号：CN201920561411.6
申请日：20190424
公开号：CN210405235U
公开日：
20200424
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种四象限探测器信号放大电路，包括四象限探测器，还包括与所述四象限探测器依次连接的跨阻放大器、电压放大电路和限幅放大电路，所述四象限探测器的四象限经光电转换后的电流输出信号分别传输至跨阻放大器、电压放大电路和限幅放大电路进行信号放大。
首先采用跨阻放大器，通过交流耦合，限制光电二极管的直流噪声，运算放大器正向端电阻用于补偿光电二极管漏电流，与其并联的电容用于消减电阻热噪声，提高信噪比；再通过电压放大电路的反馈网络控制信号的放大倍数，最后通过限幅放大电路，采用宽带高增益限压放大器实现限幅放大并通过反馈网络决定放大倍数，实现高增益和高带宽的效果。
申请人：南京航星通信技术有限公司
地址：210000 江苏省南京市经济技术开发区恒园路龙港科技园A1栋901室
国籍：CN
代理机构：南京禾易知识产权代理有限公司
代理人：张松云
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主、副导师签字：
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系审核意见：
系主任签字：
年月日
本论证书由指导教师认真填写、签字后，交相关院系。由各系组织审核、题目论证完成后，由各系统一保管，并填写“系审核意见”。本论证书待毕业设计工作结束后，各学院按要求归档。
赵馨，佟首峰.大气湍流对象限探测器光斑检测的影响[J].红外与激光工程，2010,39（6）：1147-1151.
设计工作进度安排：
第1周学生与导师见面，交代研究的内容及要求；第2周查阅资料；第3周确定方案；
第4周再次与教师见面，论证方案的可行性；
第5周在确定设研究案后，查阅相关的示例进行参考，逐步细化研究方案；
题目性质
结合科研
题目来源
自拟
适用专业
探测制导与控制技术、信息对抗技术
所属学院、系
光电工程学院探测与信息工程系
地点
东3教402
题目内容：写出题目的主要内容，简述所运用的基本原理、学生开展工作的侧重点。
四象限探测器是基于光生伏特效应的光电位置传感器，在目标方位测量、末制导武器、光束准直、激光通信等诸多领域得到广泛应用。在实际研究过程中，应首先了解四象限探测器组成与工作原理，其本质原理是四个性能相同的光电二极管安装一定的排列而构成的一种特殊器件，完成将光信号转换为电信号后，在按一定算法完成光斑位置计算，其属于光电传感器一种。
[2]郑永刚，李博，等.自由空间光通信技术的应用与发展[J].光通信技术，2006，12（7）：52-53.
[3]程惠珍，冯茜,等.卫星激光通信技术现状及应用展望[J].电光系统，2006，12（2）：33-36.
[4]马晶，谭立英，周毅刚,等.各国空间光通信系统的比较分析[J].电信科学，1998，42（4）：47-49.
重点研究内容是在掌握四象限探测器工作原理的基础上，开展其后续处理电路设计研究，包括信号预处理设计部分、数据采集及传输模块设计、硬件处理电路参数设计等内容，并能应用数字滤波的方法完成对信号滤波分析。
具体要求及技术参数：一般包括各环节（开题报告、实验、调查研究等）要求；设计所取得的成果形式（图纸、数据等）；所体现的本专业训练要求。
长春理工大学
毕业设计题目论证书
指导教师：
姓名：__赵馨__职称：__副教授_所在部门：_光电工程学院__
姓名：________职称：_______所在部门：_______________
学生姓名：____________所在班级：_______________
2013年11月06日
题目名称
四象限探测器处理电路设计
3.应用软件：protel专业绘制电路图软件。
题目性质：结合科研、结合生产、结合实验室建设、结合社会实践、理论研究、其他。
题目来源：来源于立项课题的题目，请填写课题名称及编号、来源、经费；未立项，请填写自拟。
地点：校外地点请填写所在省份、城市、具体单位名称；校内地点请填写所在院系、实验室名称。
指导教师的相关教学及科学研究基础：
[8]Toni Tolker Nielsen European Space Agency. Pointing, Acquisition and Tracking system for the Free Space Laser Communication System, SILEX[J].SPIE, 1995, (2381): 194-205.
1.教学：讲授过《工程光学》，《CCD原理及应用》课程，熟悉其实涉及的理论知识。
2.科研：国家“863”项目，******激光传输技术，熟悉四象限探测器组成、工作原理、关键技术等内容，完成象限探测器特性仿真分析，并搭建室内与室外实验对系统性能指标进行实际测试。
3.论文：发表和本题目相关轮文5篇：
赵馨，王世峰，佟首峰，等.具有自动增益调整功能的光斑实时检测技术[J].光电工程，2009,36（11）：20-24.
[5]余向东,沈常余,王育红,等.影响自由空间光通信的几个重要因素及解决方法[J].光通信技术，2006，15（2）：61-63.
[6]张永健.光通信精跟踪系统的研究与设计[D].成都：电子科技大学光学专业，2003.
[7]于思源，韩琦琦，马晶,等.卫星光通信终CC像光斑弥散圆尺寸选择[J].中国激光.2007，34(1):67-71.
开题报告在格式上要符合有关要求，目的、研究意义明确，对相关技术的国内外发展现状要相信调查研究，技术路线明确，研究时间安排合理。在至少阅读10篇文献的技术上完成文献综述撰写，文献综述内容、格式等要符合要求。外文翻译要准确，翻译内容要和研究内容相关。开题报告周记要详细，能反映出当前工作重点、研究不足、下一步工作内容等方面，要做到一周一记。系统带宽：1kHz；A/D转换位数：12位；系统噪声：小于5mV。
论文成果形式是四象限探测器后续处理电路设计，给出原理设计样图，并用数字信号处理方法完成后续系统滤波。体现学生在模拟电子应用、数字信号处理、光电传感器应用等方面专业训练。
题目所涉及的相关知识：
1.涉及相关知识：光电器件及光电转换技术，模拟电路设计、模拟放大技术、数字滤波技术、A/D转换技术。
2.涉及课程：光电检测技术、模拟电子技术、数字信号处理。
赵馨，佟首峰，刘云清.四象限探测器在空间激光通信中应用研究[J].光电子激光，2010,21（1）：46-49.
赵馨，佟首峰，刘云清.基于四象限探测器的光斑检测跟踪技术[J].中国激光,2010,37(7):1756-1761.
赵馨，佟首峰，姜会林.四象限停车区的特性测试[J]光学精密工程，2010,18（10）:2164-2170.
第16周预答辩，同时准备正式答辩
经费使用预算：
项目
内容
经费
调研差旅费
餐旅费
100
资料费
查找、下载资料
100
材料费
实验耗材
100
外协加工测试费
实验连接件加工
100
打印复印费
资料打印
100
其他
合计
500
参考资料与来源：
[1]王晓海.国外空间激光通信系统技术最新进展[J].电信快报,2006,10(7)：16-21.
第6周掌握四象限探测器各种光斑中心计算方法；
第7周完成后续放大电路设计；
第8周完成后续处理滤波系统设计；
第9周后续处理A/D转换设计；
第10周系统硬件参数设计；
第11周采用数字信号处理完成滤波分析；
第12周绘制各种后续处理电路图；
第13周分析处理电路处理信号精度；
第14周撰写论文；
第15周修改论文；