四象限探测器光斑尺寸测量方法的研究
激光干涉测量技术
数字处理
A O
C
B
O’
D
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
3）位置跟踪控制系统
误差分析：
激光干涉测量过程中，由于跟踪转镜的转角不参与对测量值的计算，所以只要在 运动过程中能保证干涉仪能进行干涉测量，不丢光，就能完成测量任务。电气系统 的稳态误差不会对测量精度产生影响。
A O
C
B
O’
D
光电池位置偏差对干涉仪测量精度的影响：光电池位置偏差对激光跟踪干涉仪测距精度影响不大，
新建立4个约束方程，可见存在一个冗余方程。
A B
D 3）只要增加动点数，使得冗余的约束方程个数大于或等于系统
未知参数，就可对系统进行标定。
C
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
解决自标定问题 四路激光跟踪干涉测量系统——引入n个动点
1）两点间距离公式，可建立4n个约束方程。 2）同时引入了3n个未知量（每个动点的x、y、z坐标）。 3）系统原有的未知量 共3×(4+1)＝15个
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
三路激光跟踪干涉测量系统
每一路激光跟踪干涉仪实时跟踪目标镜运动，并测量出目标镜到 跟踪转镜中心的相对长度变动量。
•如果动点到基点的初始长度已知，
P
那么动点移动后，其到基点的距离也就可以确定。
A B
•如果三个基点的相对位置关系也已知， 那么空间种运动目标的位置也就唯一确定。
基点1
基点2
基点3
基点4
基点5
L1 (x0 xb1)2 ( y0 yb1)2 (z0 zb1)2
初 始
L2 (x0 xb2 )2 ( y0 yb2 )2 (z0 zb2 )2
基于四象限探测的激光跟踪系统的设计与实现
基于四象限探测的激光跟踪系统的设计与实现刘思鸣;何宁;邓德迎【摘要】为提高激光目标系统跟踪能力,提出了一种基于四象限探测的激光跟踪系统.采用四象限探测器完成光斑位置检测与目标信息接收,分析传感器光照位置的输出电流误差变化与光斑偏离光敏面中心坐标对应关系,感知和判断目标方位及运动方向,通过伺服系统的闭环控制方法,实现激光快速跟踪,利用上位机对被跟踪目标的方位信息进行图形监测.实验测试表明,采用四象限光电检测构建的激光目标伺服跟踪系统,能快速搜寻锁定目标,并实施激光指向干扰,在目标位置±20°移动变化时,系统跟踪误差约为0.1％,跟踪速度达到22.6°/s,实验结果为激光跟踪的实际应用提供一定参考价值.【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》【年(卷),期】2019(039)001【总页数】5页(P7-11)【关键词】光电探测;位置传感;激光跟踪;伺服控制【作者】刘思鸣;何宁;邓德迎【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;桂林航天工业学院广西高校无人机遥测重点实验室,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TN249激光跟踪具有高精度、无导轨、大范围、实时动态等优点，它集计算技术、电子技术、精密机械、控制技术于一体，在激光制导领域有着广泛应用[1]。
激光跟踪是实现激光精确制导的基础，经过四十多年的快速发展，激光制导技术和各种激光制导武器已成为高科技的现代和未来战争克敌制胜的重要手段，其中激光制导武器系统具有制导精度高、抗干扰能力强、结构简单、成本低等优势，因而各军事大国都竞相开展研制[2]。
针对激光跟踪系统快速对准能力问题，应用位置传感器完成光斑位置检测与信息接收，通过平衡状态误差分析，采用伺服系统控制实现激光目标的快速跟踪，经实验测试，系统能获取跟踪目标的方位信息，并利用干扰激光对跟踪目标实现锁定指向，为系统应用研究奠定基础。
大视场四象限探测光学系统设计
大视场四象限探测光学系统设计薛珮瑶;吴耀;冯茜;李川【摘要】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 designingresult .Testing results indicate that linear field of laser detection system is 6 degree and precision of angle measurement is less than 0.15degree.Testing curve is consistent with theoretical curve , which validates correction of the design .%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。
四象限探测器输出非均匀性分析与矫正
四象限探测器输出非均匀性分析与矫正张骏;钱惟贤;刘泽伟【摘要】对四象限光电探测器系统的原理及其定位误差进行了分析,并提出了一种标定并修正其固有误差以及四象限非均匀性的方法.推导得出了入射光线偏移角度和输出电压的关系,并通过实验和计算得到了证实.为改善四象限探测器探测精度以及消除各项误差的影响提供了一种方法.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2016(038)007【总页数】6页(P565-570)【关键词】四象限光电探测器;目标定位;光斑偏移;定位误差【作者】张骏;钱惟贤;刘泽伟【作者单位】南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TN215四象限探测器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，因而广泛应用于激光准直、激光制导、目标定位及自动跟踪等精密光电检测系统中，通过定位目标光斑的中心位置来检测其位移量或角偏移量的大小[1]。
四象限探测器的工作精度主要受周围环境因素、目标光斑大小、光斑能量分布、器件响应差异和系统噪声所带来的四象限不均匀性的影响，本文主要提出一种算法对四象限光电探测系统的非均匀性和固有误差进行标定和修正，并通过具体实验验证了该理论和方法的可行性[2]。
四象限探测器件的基本结构如图1所示，四象限光电探测器由4个形状相同、位置对称、面积相等且性能参数也基本相同的光敏探测区域构成，当有相应波长的入射光照射在探测器光敏面上时，探测器的各个区域将输出相应大小的电信号，通过对这4个输出电信号的计算处理，可以确定入射光点照射在感光面上的坐标位置[3]。
其中象限之间的间隔区域被称为“盲区”，工艺上要求将其做得越窄越好。
盲区将4个光电二极管分为A、B、C、D四部分，探测器工作时，来自目标的入射光线经光学系统汇聚形成光斑，映射在光敏面上，形成半径为r的圆形光斑，光斑中心坐标为(x, y)。
解析波前传感器
解析波前传感器波前传感器在自适应光学系统中起着至关重要的作用，其通过实时测定动态入射波前的相位畸变，为波前重构及校正提供信息。
与其他传感器不同，由于不同应用场合下光学系统误差源所造成的波前相位扰动的时间和空间带宽范围大，自适应光学系统中的波前传感器必须具有足够高的时间和空间分辨率。
对于用作星体与微弱目标观察的自适应望远镜系统，还由于在一个子孔径和一次采样时间内所能利用的来自目标或人造信标的光能量极其有限（通常在光子计数的水平），因此要求波前传感器必须达到或接近光子噪声受限探测能力。
一般地，波前传感器有五项重要的技术指标：（１）被测面波前与探测面光强之间满足何种数学关系及是否严格满足理论论证的数学关系。
（２）传感器的能量透过率。
（３）波前传感器中探测器的性能参数，如量子效应、信噪比等。
（４）波前传感器数据处理能力及数据传输速度。
（５）传感器适用的参考光源。
不同的传感器适用于不同的参考光源，有的仅适合于单色性好的点光源（如曲率传感器），有的则适合于宽光谱的点光源或扩展光源（如夏克－哈特曼波前传感器）。
直接传感方法即直接探测被测波前的特征量。
根据传感方式可分为区域传感和模式传感两种。
区域传感是将波前在空间划分为若干子区域，探测出各个子区域的整体或平均特征量，继而重构出整个波前分布。
由于光波沿其传播方向的光强变化同光波波前的斜率与曲率相关，故该类方法在数学模型上主要分为两类：一类是通过测量波前斜率获得波前相位信息，典型的有剪切干涉法、夏克－哈特曼波前传感法、金字塔波前传感法以及由这些方法派生出的其他类似方法；另一类是通过测量波前曲率获得波前相位信息，典型的有波前曲率传感法。
而模式传感方法是将整个光瞳面相位分布在模式上分解成若干阶波前，通过探测出各阶模式系数，继而重构出整个波前分布，典型的有整体倾斜传感器、离焦传感器、光学全息波前传感器等。
1. 夏克－哈特曼波前传感器1.1 点目标夏克－哈特曼波前传感器１）基本原理在光学测量中，德国的哈特曼于1900年提出根据几何光学原理测定物镜几何像差或反射镜面形误差的经典哈特曼法，如图１所示。
轨距传感器中激光光斑大小的影响
第３６卷 第５期 ２００６年５月 激光与红外
ＩＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｖｏ１．３６，Ｎｏ．５
Ｍａｙ，２００６
文章编号：１００１－５０７８（２００６）０５－０３９６－０３ 轨距传感器中激光光斑大小的影响
陈士谦，张志峰，匡萃方 （北京交通大学理学院，北京１ｏｏ０４４）
摘要：文中基于四象限光电探测器和三角测量方法，经过相似三角形的近似处理，提出了一 种用于铁轨轨道几何参数检测的新型激光位移传感器。该传感器与其他方法不同之处是：激 光器采用红外脉，中半导体激光器，这样避免了外界杂散光的影响；探测器采用四象限光电探测 器，响应频率高，避免了外界温度的干扰。重点分析和研究了激光器光斑，物体表面激光光斑 和四象限探测器探测的激光光斑大小的计算。从而调节激光器到一个最佳的位置。 关键词：四象限光电探测器；光斑；三角法；位移传感器；分辨率 中图分类号：ＴＮ２４９ 文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｇａｕｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｐｏｔ ＣＨＥＮ Ｓｈｉ ｑｉａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ—ｆｅｎｇ，ＫＵＡＮＧ Ｃｕｉ—ｆａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｑｕａｄｒａｎｔ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ａ ｎｏｖｅｌ ｌａｓｅｒ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇａｕｇｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌａｓｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｄｒａｎｔ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｕｒｂ．Ｔｏ ａｄｉｕＳｔ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌａｓｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｌａｃｅ，ｗｅ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｓｐｏｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｐｌａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｑｕａｄｒａｎｔ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｓｐｏｔ；ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ；ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ
第四章、其典型的激光测量方法
第四章、其他典型的激光测量应用本章主要介绍以下内容：1. 激光Doppler 测速；2. 激光准直测量；3. 激光衍射法测量微珠、微丝直径；4. 激光散射法颗粒度测量。
§4.1 激光Doppler 测速及其应用速度是一个重要的物理量，其测量精度对科学研究、人们生活至关重要。
所以人们一直探索高精度的速度测量方法。
传统的测速方法通常是在被测液体或气体中加入一个测速传感器，将其感受到的与速度有关的信息送到二次仪表中进行处理，从而得到被测速度。
该测量方法属于接触式测量，传感器的放入必然会干扰流速场，从而影响测量精度。
而激光Doppler 测速是一种非接触性测量，可以克服传统测速方法的缺点，不仅可以提高测量精度，而且由于激光束非常细，还可以测量流速场分布，这是传统测速方法无法比拟的。
一、 激光Doppler 测速的原理1. Doppler 效应Doppler 效应是十九世纪德国物理学家Doppler 首先观察到的，一个向着声源运动的观察者所接收到的声波场的声波频率)/1(00'v v f f +=高于声波的实际频率0f ；而背向声源运动的观察者接收到的声波频率)/1(00"v v f f -=低于声波的实际频率0f ，其中0v 为声波的传播速度，v 为观察者或声波源的运动速度。
光波也是一种波，也同样存在Doppler 效应。
流速场中的粒子所感受到的光波场频率也同样产生了Doppler 频移，其所感受到的光波场的频率为)/1(0'c nv f f z ±=，粒子朝向光源运动，z v 前取“+”号，粒子背向光源运动z v 前取“-”号，而流速场中粒子所散射的光波场的频率就等于粒子所感受到的光波频率（瑞利散射），散射粒子相当于一个次波源。
所以只要测量出散射光的Doppler 频移量，也就得到了流速场的速度大小。
2. Doppler 信号的获得最常用的前向散射激光Doppler 测速仪原理光路如上图。
基于四象序列的最大熵原则的光轴对准方法
第４２卷第７期 Ｖｏ１．４２ ＮＯ．７ 红外与激光工程
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１３年７月
Ｊｕ１．２０１３
基于四象序列的最大 熵原则的光轴对准方法 魏枫林，母一宁，尚瑞瑞，刘泉 （长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春１３００２２） 摘 要：四象限探测器目前被广泛应用于空间激光通信中的对准过程，但由于大气湍流的不良影响， 激光穿越大气在接收系统成像的时候，光斑产生形变以及破碎等不良影响，这严重地限制了四象限器 件的对准精度。由于四象限探测自身所能提供的光斑信息较为单一，相较于ＣＣＤ器件，其处理自由度 较小。在分析研究基于ＣＣＤ的序列光斑检测方法的理论基础之上，提出了一种基于四象限探测器的 光轴对准方法。通过统计某一段时间内四象限器件所输出的脱靶量值的范围，并根据其在不同象限的 分布概率计算出相应象限的熵作为加权系数，对原有计算公式进行加权计算，利用象限探测器高帧频 的优势弥补原本单一的信息，从而完成对大气湍流影响的抑制作用，并搭建实验平台，最终验证该算 法可以显著提高四象限器件的探测精度。 关键词：四象限探测器； 最大熵原则； 大气湍流 中图分类号：Ｖｌ１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—２２７６（２０１３）０７—１９０２—０５
Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｎｔｒｏｐｙ ｏｆ ｆｏｕｒ・ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｓｅｑｕｅｎｃｅ
Ｗｅｉ Ｆｅｎｇｌｉｎ，Ｍｕ Ｙｉｎｉｎｇ，Ｓｈａｎｇ Ｒｕｉｍｉ，Ｌｉｕ Ｑｕａｎ （Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｕｒ—ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｌｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｌａｓｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔｓ ａｄｖｅｒｓｅ ｅｆｆｅｃｔｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｏｔ ｂｒｏｋｅｎ，ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ， ａｐｐｅａｒ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｇｏ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｓｅｖｅｒｅｌｙ ｌｉｍｉｔｓ ｔｈｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｒ—ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｓｉｎｃｅ ｆｏｕｒ—ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｌｅｓｓ ｍｅｓｓａｇｅ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ＣＣＤ，ｉｔ Ｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｕｒ—ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｍｉｓｓ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｒ— ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｉｍｅ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｗａｓ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｔｒｏｐｙ ｔｈａｔ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｔｒｏｐｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｅａｃｈ ｑｕａｄｒａｎｔｓ．Ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｆｒａｍｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗａｓ ｍａｄｅ ｕｐ ｆｏｒ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ，ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ，ａｎｄ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｅｆｆｅｃｔ ｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｏｕｒ—ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｎｔｒｏｐｙ； ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ