实验二十一 光电定向实验讲义

实验二十一光电定向实验

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。

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。学生可以通过该系统了解四象限定向基本原理，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。

一、实验目的

1、了解四象限探测器的工作原理及其特性

2、了解并掌握四象限探测器定向原理

二、实验内容

1、系统组装调试实验

2、激光器（650nm）脉冲驱动实验

3、四象限探测器输出脉冲信号放大实验

4、四象限探测器输出脉冲信号展宽实验（采样保持）

5、硬件定向实验（1）由电阻构成的硬件和差运算电路实验

（2）由运算放大器构成的硬件和差运算电路实验

（3）坐标计算实验

四、实验原理

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 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）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把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，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2。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流信号幅度不相同，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）。

Vx

Vy

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。

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2中，光学系统与四象限探测器组成测量目标方位的直角

坐标系。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x 1和y 1。若光斑半径为r ，

光斑中心坐标为x 1和y 1，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： ()()???

? ??+-=----r r D C B A x x 112211sin 21r x 2ππ 当r x 1 <<1时 r

x 41π≈+--D C B A 即 1x ＝()D C B A +--4

r

π

同理可得 1y ＝()D C B A --+4

r π 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4，可得输出偏差信号大小为 1X V ＝()D C B A KP +--

1Vy ＝()D C B A KP --+

对应于 1x ＝()D C B A +--k

1y ＝()D C B A --+k

放大器加法器减法器

图4 和差定向原理

式中，k ＝KP 4r

π，K 为常数，与系统参数有关。

2）对差式 将图4的坐标系顺时针旋转45o ，于是得

2x ＝1x cos45o +1y sin45o ＝()C A -k 2

2y ＝-1x cos45o +1y sin45o ＝()D B -k 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1

X V 、1Vy 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。

3x ＝()()D C B A D C B A ++++--k k ＝D

C B A

D C B A ++++-- 3y ＝()()D C B A D C B A +++--+k k ＝D

C B A

D C B A +++--+ 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。

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

4x ＝()()D C B A ---lgk lgk =()()D C B A ---lg lg

4y ＝()()B C D A ---lgk lgk =()()B C D A ---lg lg

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

4x D C B A +--≈

4y D C B A --+≈

上式就是和差式关系。因此当定向误差很小时，对数相减式实际上就是和差式。采用对数放大器和相减电路可实现对数相减式。

3、信号处理及显示

1）硬件定向

硬件定向通过硬件电路实现和差式定向原理。通过电阻求和网络和运算放大器实现的减法电路，将目标位置信号转换成对应的相对坐标值大小的电压信号，最后通过直流电压表头对电压进行显示。

其它三种定向方式的硬件需要自行设计完成。

五、注意事项

1、探测器象限定义

四象限探测器如上图所示有一三角形标示的为第一象限，按逆时针

排列，依次为第二、第三、第四象限。实验中可自行判断。

2、四象限探测器输出放大电路集成在探测器组件内部，组件接口

输出为放大后的信号。

3、激光器操作：激光器前自带有准直透镜，可以调节光斑的大小。

当需要调节准值透镜时，调节准直透镜螺纹，使光斑达到满意大小

即可。

4、插拔RS232（串口连接线）接口前，必须切断电源开关。

5、除测试环外，勿随意触摸，改动PCB 上的器件。

6、不要用眼睛直接看激光，以免损伤眼睛。

7、四象限Si PIN 光电探测器在使用中防止剧烈震动、冲击，以免光窗损坏。

六、实验操作

1）系统组装调试

1、将激光器通过自带螺钉固定在二维平移台上，平移台通过连接轴固定在导轨滑块上面。

2、将四象限探测器通过连接轴固定在导轨滑块上面。

3、将探测器和面板上探测器输入端通过7芯航空插座连接线连接。将激光器和面板上激光器输出端通过3芯航空插座连接线连接。接插部分有卡槽对应。

4、将展宽电路区的ZK1、ZK2、ZK3、ZK4和DI、DII、DIII、DIV对应用导线连接。打开电源，调整激光器和四象限探测器高度在同一水平线上，激光光点位置落在四象限探测器中心上，调节激光器组件前端螺母，使激光器输出光点直径约1～2mm。

5、转动调节四象限探测器，使激光器光点分别落在四个象限，可以观察到面板上对应四个象限光强（I、II、III、IV）的指示灯分别发光，即对应象限探测到的光强最强的，对应象限指示发光二极管发光。

2）激光器（650nm）脉冲驱动实验

1、打开示波器电源，用示波器测量脉冲发生电路的MC输出端输出的脉冲信号。此脉冲信号通过激光器驱动电路对激光器发出的光进行调制，从而使激光器发出脉冲光。

2、W1为频率调节电位器，调节W1，观察频率变化及频率上下限并记录结果。

3、W4为脉冲宽度调节电位器，调节W4，可以调节调制脉宽，观察脉宽变化及脉冲宽度上下限并记录结果。

3）四象限探测器输出脉冲信号放大实验

1、关闭电源。将探测器和面板上探测器输入端通过7芯航空插座连接线连接。将激光器和面板上激光器输出端通过3芯航空插座连接线连接。接插部分有卡槽对应。

2、打开实验仪和示波器电源，调整激光器和四象限探测器高度在同一水平线上，激光光点位置落在四象限探测器中心上，调节激光器组件前端螺母，使激光器输出光点直径约1～2mm。

3、同时用示波器测量MC输出端信号和信号测试区的探测器放大输出信号（FDI、FDII、FDIII、FDIV）。

4、调节脉冲驱动电路频率调节电位器W1，观察探测器放大信号变化，使其放大输出效果最好。

5、转动探测器使各象限光强最强，根据光强指示灯测量对应象限的探测器输出放大信号，记录下频率、脉冲和幅度，粗略描绘出波形。

4）四象限探测器输出脉冲信号展宽实验（采样保持）

1、关闭电源。将展宽电路区的ZK1、ZK

2、ZK

3、ZK4和DI、DII、DIII、DIV对应用导线连接。打开实验仪和示波器电源，调整激光器和四象限探测器高度在同一水平线上，激光光点位置落在四象限探测器中心上。

2、同时用示波器对应测量信号测试区探测器放大输出信号（FDI、FDII、FDIII、FDIV）和经过峰值保持电路处理之后展宽信号（ZKI、ZKII、ZKIII、ZKIV）。

3、调节脉冲驱动电路频率调节电位器W1，观察探测器放大信号变化，使放大输出效果最好。

4、转动探测器使各象限光强最强，根据光强指示灯测量对应象限的探测器输出展宽信号，

5) 硬件定向实验

1、关闭电源。将展宽电路区的ZK1、ZK

2、ZK

3、ZK4和AI 、AII 、AIII 、AIV 对应用导线连接，按颜色对应插入连线即可。打开实验仪和示波器电源，调整激光器和四象限探测器高度在同一水平线上，激光光点位置落在四象限探测器中心上。

2、打开电源，分别测量电阻求和网络输出端I+II 、III+IV 、I+IV 、II+III

的输出信号波形，

3对应用导线连接。

4、打开电源，测量输出端FX 、FY 的信号波形，记录下频率、脉冲和幅度，粗略描绘出波形。4示区的显示输入端。

5、打开电源，读取显示值并记录，即为横纵坐标相对值。

6、通过二维平移台调节激光器光点位置，对应坐标轴，观察并记录电压表显示变化。

7、关闭电源，拆除所有连线，结束实验。

七、实验思考题

1根据实验中的体会试分析影响定向精度的因素有哪些？

2电阻求和网络得出的求和值并不等于输入信号直接相加值，试分析原因。

八、实验测试点说明