四象限探测器定位精度的分析与仿真
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第 41 卷第 2 期 2018 年 4 月
长春理工大学学报 （自然科学版）
Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition）
Vol.41 No.2 Apr.2018
四象限探测器定位精度的分析与仿真
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］。 在空间激光通信系统中，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，作为精跟踪单 元探测器实现光斑质心的精确计算，为伺服系统提 供脱靶量数据，完成闭环跟踪。在激光通信工作过 程中，光斑的大小与位置、背景光噪声、光斑能量分 布等因素会影响系统的跟踪精度，从而影响空间激 光通信的性能［2］。
SONG Zheyu，FU Yun，FAN Xinkun，WU Kai
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）
Abstract：In order to study the tracking accuracy of four-quadrant （QD） detectors in space laser communication systems and the effects of spot characteristics and external environment on detectors，at first，the principle of four-quadrant detector flare detection is deduced through the theory， the effects of facula size， facula centroid position， background 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，background 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. Key words：background light；optical communication；modeling；simulation；signal noise ratio
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。
关键词：背景光；光通信；建模；仿真；信噪比
中图分类号： TN929.1
文献标识码：A
文章编号：1672-9870（2018）02-0041-04
Analysis and Simulation of Positioning Accuracy of Four - quadrant Detector
1 四象限探测器位置检测工作原理
四象限探测器是将四个性能一样的光电二极管
按照四象限分布的方式排列而成，根据光敏面上接
收的光能量，检测相应的光电流的大小，解算出光斑
收稿日期：2017-11-24 基金项目：吉林省科技厅重点科技攻关项目 （20170204015GX） 作者简介：宋哲宇 （1992-），男，硕士研究生，E-mail：77630593@qq.com 通讯简介：付芸 （1971-），女，副教授，博士，E-mail：linda_fy@cust.edu.cn
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Biblioteka Baidu长春理工大学学报 （自然科学版）
2018 年
法，采用均匀分布的椭圆模型对光斑进行分析，结果 表明，所提算法能有效提高四象限探测器的定位精 度，较传统方法精度提高 21.3%［5］。
基于以上研究成果，本文通过对四象限探测器 的位置检测工作原理的研究，通过仿真详细分析了 影响四象限探测器定位精度的各个因素，在作为精 跟踪探测器时，提高其跟踪精度，提升了空间激光通 信系统的通信性能。
对于提高位置检测精度，中国科学院光电技术 研究所马晓燠老师分析了在有噪声和死区的条件下 的四象限探测器的光斑能量探测率、质心探测误差
和光斑位移灵敏度。分析和实验的结果都表明，在 相同的噪声情况下，质心探测误差和位移灵敏度都 随着光斑的高斯宽度与死区宽度之比的减小而增 大，但是前者增大的趋势要大于后者增大的趋势，这 将导致光斑的高斯宽度与死区宽度之比越大，四象 限跟踪探测器的跟踪误差也就越小［3］。长春理工大 学计算机科学技术学院韩成等人分析了光斑大小对 动态范围和探测灵敏度的影响情况，结果表明，随着 光斑半径的增加，光斑位置检测的动态范围在变大， 并且对影响探测精度的多种因素进行了仿真［4］。中 科院长春光学精密机械及物理研究所，周子云团队 提出了一种基于四象限探测器的光斑中心定位算
宋哲宇，付芸，范新坤，吴凯
（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）
摘 要：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
长春理工大学学报 （自然科学版）
Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition）
Vol.41 No.2 Apr.2018
四象限探测器定位精度的分析与仿真
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］。 在空间激光通信系统中，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，作为精跟踪单 元探测器实现光斑质心的精确计算，为伺服系统提 供脱靶量数据，完成闭环跟踪。在激光通信工作过 程中，光斑的大小与位置、背景光噪声、光斑能量分 布等因素会影响系统的跟踪精度，从而影响空间激 光通信的性能［2］。
SONG Zheyu，FU Yun，FAN Xinkun，WU Kai
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）
Abstract：In order to study the tracking accuracy of four-quadrant （QD） detectors in space laser communication systems and the effects of spot characteristics and external environment on detectors，at first，the principle of four-quadrant detector flare detection is deduced through the theory， the effects of facula size， facula centroid position， background 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，background 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. Key words：background light；optical communication；modeling；simulation；signal noise ratio
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。
关键词：背景光；光通信；建模；仿真；信噪比
中图分类号： TN929.1
文献标识码：A
文章编号：1672-9870（2018）02-0041-04
Analysis and Simulation of Positioning Accuracy of Four - quadrant Detector
1 四象限探测器位置检测工作原理
四象限探测器是将四个性能一样的光电二极管
按照四象限分布的方式排列而成，根据光敏面上接
收的光能量，检测相应的光电流的大小，解算出光斑
收稿日期：2017-11-24 基金项目：吉林省科技厅重点科技攻关项目 （20170204015GX） 作者简介：宋哲宇 （1992-），男，硕士研究生，E-mail：77630593@qq.com 通讯简介：付芸 （1971-），女，副教授，博士，E-mail：linda_fy@cust.edu.cn
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Biblioteka Baidu长春理工大学学报 （自然科学版）
2018 年
法，采用均匀分布的椭圆模型对光斑进行分析，结果 表明，所提算法能有效提高四象限探测器的定位精 度，较传统方法精度提高 21.3%［5］。
基于以上研究成果，本文通过对四象限探测器 的位置检测工作原理的研究，通过仿真详细分析了 影响四象限探测器定位精度的各个因素，在作为精 跟踪探测器时，提高其跟踪精度，提升了空间激光通 信系统的通信性能。
对于提高位置检测精度，中国科学院光电技术 研究所马晓燠老师分析了在有噪声和死区的条件下 的四象限探测器的光斑能量探测率、质心探测误差
和光斑位移灵敏度。分析和实验的结果都表明，在 相同的噪声情况下，质心探测误差和位移灵敏度都 随着光斑的高斯宽度与死区宽度之比的减小而增 大，但是前者增大的趋势要大于后者增大的趋势，这 将导致光斑的高斯宽度与死区宽度之比越大，四象 限跟踪探测器的跟踪误差也就越小［3］。长春理工大 学计算机科学技术学院韩成等人分析了光斑大小对 动态范围和探测灵敏度的影响情况，结果表明，随着 光斑半径的增加，光斑位置检测的动态范围在变大， 并且对影响探测精度的多种因素进行了仿真［4］。中 科院长春光学精密机械及物理研究所，周子云团队 提出了一种基于四象限探测器的光斑中心定位算
宋哲宇，付芸，范新坤，吴凯
（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）
摘 要：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