四象限光电探测器电路的设计方案
基于激光导引头的四象限光电探测器检测电路研究
象限探测器 。四象限探测器再配合 自动驾驶仪 等动 力装置 ， 以很方便可靠 的完成制导 、 可 跟踪任务。位
作者简 介 ： 匡冬权 （ ９ ５ ）男 ， １６ 一 ， 辽宁沈 阳人 ， 高级工 程师 ， 工学士 ， 研究方 向 ： 通用装备检测与除废。 ２０ ２
《 装备制造技术）ｏ２年第 ２ ） １ ２ 期
薄 弱 的顶装 甲 ； 整个 射击 过程 中 ， 在 只需 在最 后 ８ 用 ｓ 激 光 照射 器 照 射 目标 ， 减少 了照 射器 暴 露 的机 会 ； 在 探测 器 组件 ；如 俄罗 斯 红 土地 末 制 导 炮 弹 采用 双 四
有其它照射器协助 的情况下 ， 可间接射击 。
收 稿 日期 ：０ １ １— ４ ２ １－ ２ ０
导 弹 的 大 脑 ，导 引 头 是制 导 系 统获 取 外 界信 息 的必 的制导体制 ，Ｏ ２ 世纪 ９ 年代发生的几起局部战争表 Ｏ
明 ，激光半 主动寻的制导武器已成为现代战场的主 打击 效果 。通过对本课题 的研究可 以对半主动激光 战武 器 之一 。 制 导 导 引头 的组 成 原理 有 较 深 入 的 了解 ，并 提 出相
要 途 径 ，它 的性 能 好坏 直 接 影 响 到激 光 制导 武 器 的
应 的改进方案 ，对提高激光制导Байду номын сангаас器的战场生存能 １ 课题背景和意义 力和打击能力有重要意义 。 选用激光半 主动制导体制可 以使导 弹的射程更 在激光半主动寻 的制导 中，激光导引头经 常使 远 （ ６ ｍ 以上 ）可 以采用 曲射弹道攻击坦克较为 用的有双四元 、 四元 、 达 ｋ ， 单 三元和二元等多种形式 象限
动导引攻击 、 成本 相对较低等优点 ； 与激光驾束和及 作用翻 。为改变这一状况 ， 国均在努力改进制导武 各 激光指令制导等遥控制导体制相 比，具有发射点与 器的性能并 积极探索新 的制导方法 。激光半主动寻
赵馨_四象限探测器处理电路设计
主、副导师签字：
年月日
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.
四象限光电检测系统的定位算法研究及改进_余峰
文章编号:1002-2082(2008)04-0493-05四象限光电检测系统的定位算法研究及改进余 峰1,何 烨2,李 松2,张继涛2(1.武汉武大卓越科技有限责任公司,湖北武汉430223;2.武汉大学电子信息学院,湖北武汉430079)摘 要: 在相同硬件条件下,四象限光电检测系统的线性区间和响应灵敏度等会因算法不同而产生差异。
首先分析光斑定位的常用算法,通过数值积分和曲线拟合得出具有高斯分布的激光光斑位移量在不同算法下的修正曲线,设计制作了一套精度较高的数字式四象限光电定位系统,并使用该系统验证了理论推导结果。
关键词: 激光技术;四象限光电检测系统;算法研究;数值积分中图分类号:T N 247;T L 814 文献标志码:AImprovement of positioning algorithm for four -quadrant optoelectronic detection systemYU Feng 1,HE Ye 2,LI Song 2,ZHANG Ji-tao 2(1.W uhan W uda Z oyo n Science and T echno log y Co.L td,Wuhan 430223,China;2.Electr onic Info rmation Schoo l,Wuhan U niver sity ,W uhan 430079,China)Abstract :Under the same hardw are conditio ns ,the system atic characteristics such as the linear area and the r esponsiv ity of a four-quadrant optoelectr onic detector changes as the algo rithm changes.T he com mon alg orithms for laser spot positioning w ere analyzed.T he co rrection curves fo r the displacement o f Gauss laser spo t were deduced w ith tw o -dimensional numerical integration and curve fitting ,and a hig h -precision digital fo ur -quadrant optoelectronic po sition detection system was desig ned and fabricated.T he theor etically deduced result w as verfied by the detection system.Key words :laser technique ;four -quadrant optoeletronic detection system ;alg orithm analysis ;num erical integr ation引言四象限光电探测器是以光导模式工作的光伏探测器件。
大视场四象限探测光学系统设计
第7卷 第3期2014年6月 中国光学 Chinese Optics Vol.7 No.3 Jun.2014 收稿日期:2013⁃11⁃15;修订日期:2014⁃02⁃13文章编号 2095⁃1531(2014)03⁃0462⁃07大视场四象限探测光学系统设计薛珮瑶∗,吴 耀,冯 茜,李 川(中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南郑州450047)摘要:为了实现大视场激光探测跟踪,分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。
首先,根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求,结合系统的指标参数,选定合理的光学结构型式,提出像差校正的设计方案。
然后,基于ZEMAX 软件完成大视场四象限探测光学系统设计,并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量;通过TRA⁃CEPRO 光学分析软件,得到探测器靶面的光线照度分布。
最后,依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。
测试结果表明:激光探测系统线性视场为±6°,测角精度优于0.15°,并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合,与理论曲线相符,验证了设计结果的正确性。
关 键 词:四象限探测;光学设计;光学仿真;像差校正中图分类号:TN977;TH703 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20140703.0462Design of the large field optical systemfor four⁃quadrant detectingXUE Pei⁃yao ∗,WU Yao,FENG Qian,LI Chuan(The 27th Research Institute ,China Electronics Technology Group Corporation ,Zhengzhou 450047,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :peiyaoxuenannan@Abstract :In order to realize large field laser detecting and tracking,the characteristics of optical system are analyzed.First,based on the requirement of light spots uniformity for four⁃quadrant detector and system inde⁃xes,the premium structure of optical system is selected and the method of aberration correcting is presented.Then the large field optical system for four⁃quadrant detector is designed by using the ZEMAX software.The light spots quality is evaluated by the spot diagram,footprint and encircled energy while the distribution of the rays illuminance on the quadrant detector is obtained by TRACEPRO software.Finally,manufacture and as⁃sembly for the optical system are finished and optical performance is tested based on designing result.Testing results indicate that linear field of laser detection system is 6degree and precision of angle measurement is lessthan 0.15degree.Testing curve is consistent with theoretical curve,which validates correction of the design.Key words :four⁃quadrant detecting;optical design;optical simulation;correcting aberration1 引 言 将激光制导技术应用于传统炮弹,是炮弹技术发展的飞跃,可以使炮弹“长了眼睛”。
四项限光电探测器方案
四象限光电探测器设计方案 （4QD ）四象限探测器在一个光敏面用十字沟道隔成四个象限，如图所示，每个象限相当于一个光电管，当激光垂直入射时，经聚焦的光斑照射在四象限的中心位置上，四个象限接收的光强一样，输出的光电流也相同。
当激光光束以其他的角度入射时，光斑的位置也随之偏移，四个探测器输出的光电流也就不相同，对四个探测器输出的电流进行差分处理，就可以得到光斑偏离中心的误差信号。
4QD 计算光斑重心位置的公式如下： 1234123414231234()()()()I I I I X KI I I I I I I I Y K I I I I +−+=++++−+=+++式中K 为比例系数，代表四象限探测器的角灵敏度，它与光斑形状和大小直接相关。
当激光光斑的光强为高斯分布时，在线性响应区间时，K 与光斑直径成反比。
光束误差偏角和光斑位置之间的关系如图，可通过式计算。
四象限探测器的光灵敏度很高，探测频率也可达几千赫兹，外围电路也相对简单，因此是精瞄传感器的一种理想选择。
四象限探测器允许水平和垂直的角度分别独立估测，其输出信号为水平和垂直的角误差电压。
空间跟踪就是通过即时的误差电压对伺服电机进而对光学硬件进行连续调节来实现。
但是四象限传感器的光敏面比较小，且存在死区。
另外由于四象限传感器实际上只是探测四个区域的光强，因而算得的位置偏移的精度和线性度都受到光斑大小和形状的影响。
这就需要设计符合精瞄准系统要求的4QD 传感器。
根据以上指标，要求探测精度优于1‰，综合各种器件，选择日本滨松公司Q 这款4QD图 四象限探测器接受光斑示意图表 4QD S-6695-01性能指标[14]2.4.2 4QD 的电路设计由于4QD 输出的是弱的电流信号，而AD 采集的通常是0-5V 的模拟电压信号，因此需要经过后续电路的I/V 转化和信号调理。
电路的要求是符合带宽条件下的高精度的运算放大电路：首先要满足带宽的需要，保证4QD 电路高的采样能力；第二要求4QD 四个象限的放大倍数较精确的相等，保证四个象限的光电转化输出效率相同；第三要求放大器还应能够抑制传感器上的高频噪声，减少传感器噪声[17]。
四象限探测器在太阳能电池板自动追踪系统中的-应用
四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用摘要：采用四象限探测器作为前端探测单元,介绍了利用光电技术、电子技术、自动控制技术以及精密的步进系统实现了太阳能板自动跟踪瞄准系统中的四象限探测器的应用设计。
Abstract：Adapt the four quadrant detector as the front detector .Introduced the steeping system based on optoelectronic technology, electronic technology, automatic control technology .Realized the designation of the automatic tracking system of solar panels.目录第一章应用背景 (3)第二章名词解释 (3)2.1 四象限探测器 (3)2.2 步进电机 (5)第三章系统的工作原理 (5)3.1 系统工作过程 (5)3.2 传感器工作原理 (6)3.3 探测器放大器基本原理图 (8)第四章系统的电路设计 (9)第五章系统控制程序设计 (10)第六章问题和缺陷 (11)第七章结束语 (12)一、四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用背景：太阳能热发电和太阳能光伏发电是目前利用太阳能发电的两种主要形式。
光热是通过聚光加热介质, 推动燃气轮机做功发电。
而光伏发电则通过太阳光照射光电池板将光能直接转化为电能。
由于太阳能辐射到地球表面的能量密度比较低, 无论是对于太阳能光伏发电还是太阳能热发电, 能否经济高效利用太阳能的关键在于太阳聚光和跟踪水平的优劣。
实验证明在相同条件下, 极轴式太阳能自动跟踪发电的发电量要比固定发电(用太阳能电池板固定朝南安装的方式对太阳能进行采集)提高40% 左右。
而采用聚光技术对太阳跟踪又提出了更高的要求.目前主要的跟踪方式是根据地球自转以及GPS进行粗调节，利用光电传感器设计的系统进行精确调节跟踪，本文主要讲述四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用。
新型集成阵列四象限CMOS光电传感器的研制
基于硅材料的象限光电传感器在目标对准和跟踪系统中 有广泛的用途 . 传统的象 限传感 器一般 有四个 或八个 象限单 元 , 每一个象限 单元 为一 个分 立的 光电 二极 管 . 传感 器 工作 时 , 通过对各个象限感光单元中产生的光电信号进行比 较 , 就 可得到目标 光源的位置信 息 , 从 而控制 相应的 机械传 动部分 使传感器对准目标 . 传统 的象限 传感器 与当前 广泛用 于数字 图像获取的有源像素 传感 器 ( APS) 相 比较 , 象 限传 感器 的象 限感光单元面积较大 , 数量较少 , 从而可以保证传感器高速工 作 ; 但是 , 感 光单元数量较少也限制了传感器获知目标的坐标 位置 , 形状特征等信息 . 此外 , 传 统的象限 传感器 的制造 不能 与标准的 CMOS 工艺相 兼容 , 这也限 制了其 应用范 围 . 为 此 , 本文提出了一种新型 的集成 阵列 四象限 CMOS 光电 传感 器 . 该传感器采用了上华 0. 6 m 标准 CMOS 工艺制 造 , 实 现了象 限传感器与 后端信号处理 电路的兼 容集成 , 并 可以获 取目标 的坐标方位等信息 .
2
电路结构与有源光电二极管结构
传感器的功能结构如图 1 所示 . 传感器由 16 16 单元有
收稿日期 : 2003 06 21; 修回日期 : 2004 12 22 基金项目 : 国家自然科学基金 ( No. 90307009)
第
5 期
周
鑫 : 新型集成阵列四象限 CMOS 光电传感器的研制 响 . 感光 单元的尺寸为 60 m
929 60 m, 感 光单元 的感 光面积 百 2. 6mm, 如图
噪声 , 然后通过放大电路输出 . 整个传感器电路在时序信号的 控制下工作 , 控制信号由时序控制电路产生 . 传感器的感光阵列大小不同与传统的象限传感器和图像 传感器 . 在传统的象限传感器 中 , 阵列面积 一般大 于 10 mm2 , 每一个象限的面积为 2mm2 ~ 20mm 2. 该尺 寸远 大于 CMOS 图 像传感器中的像 素面积 ( 在 0. 6 m CMOS 工艺 中像 素面 积可 以为 10 m 10 m, 而 在 0. 25 m CMOS 工 艺 中 可 为 4 m 4 m) . 当感光阵列的面积一定 , 感 光单元 的面积越 小 , 其数量 会越多 , 相应获取的目标信息就越多 , 但传感信息的读取时间 也相应增加 . 这就存在获 取目标 信息量 和传感 器工作 速度之 间的折衷 . 在本设计中 , 有源感光单元的面积为 60 m 60 m, 感光阵列的面积为 1mm 2, 该面积可保证目标光点能 够聚焦到 阵列之内 , 同时也有较好的制造成本的效费比 . 由于感光单元 中光电管的 面积较大 , 尽管光 电管为 重掺杂 PN 结 , 光 电管中 产生的部分 光生 载流 子仍 将在 扩散 到电 极之 前的 过程 中复 合 . 为了提高光电流的 收集效 率 , 设 计了光 电流收 集电极 , 如
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。
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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。
+IN端的输入电压表示如下：
ADS7864与单片机连接电路
ADS7864转换后的结果通过DB0～DB15输出，若将BYTE引脚接高电平，则每个结果分两个字节从DB0～DB7读出，用8位的单片机读取非常的方便。
为了避免89C51对ADS7864的干扰，用一片74HC244缓冲器来连接89C51的P0口和ADS7864的DB0～DB7，控制ADS7864的信号/HOLDA～/HOLDC、A0～A2也是通过89C51的P0口输出，用一片74HC373来锁存这些控制信号。
图4是89C51与ADS7864的连接电路图，其中略去了其它的一些电路连接。
图4 ADS7864与89C51的连接
系统采用89C51的P2.7寻址ADS7864，地址为8000H，同时用这个地址信号配合89C51的/WR和/RD信号作74HC244和74HC373的使能信号。
要求当89C51的/RD=0,P2.7=1时才开启74HC244，读取ADS7864的转换结果；当89C51的/WR=0,P2.7=1时74HC373才锁存89C51 P0口上的数据信号，实现往ADS7864的控制端写数据，其它时候74HC244和74HC373都是关闭的，这样避免了89C51 P0口上的其它信号对ADS7864的干扰。
采用锁存器74HC373来连接89C51和ADS7864的原因是为了在ADS7864转换数据的时候保持/HOLDA～/HOLDC、A0～A2端的电平保持不变，免得影响ADS7864转换数据的精度。
74HC244和74HC373的使能信号真值表如下：
根据真值表，可以用图4中的逻辑电路来实现这两个使能信号。
系统的最终目标就是获取数据，然后计算得出结果。
89C51控制ADS7864转换和读取转换结果的代码如下：
启动转换后，在读取数据前需要延迟的指令周期数需根据89C51和ADS7864的运行速度来决定。
有关计算目标方位的代码和算法这里就不再叙述。
三、结束语
使用本文提出方案设计的方位探测仪器具有简单有效、灵活易扩展、体积小、使用方便等特点，可以应用在很多需要测量目标方位的领域。