四像限光电探测器的光路数学模型.pdf

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1、第卷第期中国激光年月文章编号!四像限光电探测器的光路数学模型汤晓君!刘君华!陈剑!党丽萍西安交通大学电气工程学院陕西西安摘要探测器数学模型是探测器实施精确探测的基础通过分析探测器光路建立了一个较为完整的四像限光电探测器的光路数学模型考虑了探测器在安装过程中发生的偏移位置及其偏移量光敏面的离焦量探测器结构参数等对光信号到电信号的转换的影响在建立俯仰偏移横滚偏移和方位偏移三种特定情况下探测器模型的基础上给出了探测器的三自由度安装位置光敏面的离焦量光信号等与输出信号的一般关系式比较在给定相同光路参数条件下探测器光路数学模型的理论输出信号波形与实测输出信号

2、波形结果表明两者信号波形相似比较模型输出与实际输出信号的两个特征参数即信号过零点的切线的斜率与截距可以发现特征参数的差别小于因此四像限光电探测器数学模型的输入输出关系与探测器实际输入输出关系是一致的可以用该模型实施探测器探测这为光电探测器进一步的研究与应用实现无实验样本探测提供了参考关键词光电子学四像限光电探测器光路数学模型特征参数中图分类号文献标识码收稿日期收到修改稿日期作者简介汤晓君男西安交通大学博士研究生主要从事多传感器信息融合无损检测多参量测控等方面的研究＿中国激光卷引言一方面随着使用时间的推移安装光电探测器的支架以及整个探测系统都可能发生

3、形变这都将给光光电探测器作为光信号的传感器已在烟雾火警电探测器的探测带来误差要减小甚至消除这些影监测光电定向光电准直光电对准光电自动跟响因素对光电探测器检测的影响就必须对检测结踪激光制导等各个技术领域得到了广泛的应用果进行修正这就要求获得这些不定因素与探测器随着半导体技术的发展进步光电探测器件逐渐向的输出信号之间的样本数据然而由于探测器的多元化集成化方向发展不断有各种类型的新型探安装偏离本身有三个自由度再加上探测器结构上测器问世新型器件的不断出现也不断对相关的的其他一些参数这将导致样本数据非常庞大要通信号提取和处理的软硬件提出更新的要求目过实验来获

4、取非常困难另一方面这三个自由前国外有关光电探测器的文献很多但有关光路分度的每一个自由度的检测要获得非常高的精度也比析的文献却很少同发达国家相比国内有关光电较困难显然如果能建立起所有的这些参数与探探测器的文献整体上要少得多有关检测信号分析测器的输出的正向与反向关系式则所有的问题将的文献则更少在已有文献中文献对多像限的迎刃而解本文以四像限光电探测器的光路分析为信号取法作了一定的探讨文献特别地阐述了在例建立了四像限探测器本身的一些结构参数及其光电探测器用于测角时的信号分析但所有的这些安装偏差参数与探测器输出信号在特殊情况下和一信号分析是探测器的安装制造在

5、完全正确的基准位般情况下的关系式本文假设探测器的四个像限的置条件下进行的但实际情况并非如此一方面光光电转换系数是相等的电探测器在安装过程中不可避免地有一些偏差另图四像限光电探测器工作光路图四像限光电探测器光路及信号分析经扩束凸透镜扩束后形成平行光平行光经反射镜进入四像限光电探测器经凸透镜集束后会聚在光四像限光电探测器光路如图所示整个光敏面上形成一个光斑光路工作时反射镜来回匀路由点激光源扩束凸透镜反射镜四像限光电探速摆动但四像限光电探测器上的凸透镜总是完全测器和探测器支架构成光电探测器由凸透镜探处于光照范围内这样光斑在光敏面上形成一道测器壁桶和光敏面

6、构成探测器的光敏面分成均匀光斑轨迹如图所示其中和分别表示的四个区间探测器支架的轴线与电光源轴线垂直光敏面的四个像限区间四像限光电探测器的合并在同一个平面内探测器的空间坐标如图成信号一般定义为四像限信号的和差形式即所示其中轴为探测器的轴线轴为竖直方向轴为探测器在平行装载时与轴垂直的另一个水平方向即如图所示光敏面中像限的分界线其中和分别表示光敏面四个像限的输出电压和表示探测器的两路输出电信号轴为像限的分界线点激光源发射的激光期汤晓君等四像限光电探测器的光路数学模型四像限光电探测器的光路建模的目的就是找出令为光斑中心离轴的距离显然有和当时光斑分布在光敏面

7、四个像限如图所的确定表达式其中表示探测示此时有器安装时发生偏离的三个参数为探测器光敏面与轴右边的光斑面积为探测器凸透镜之间的距离为探测器透镜的半径为透镜的焦距为探测器入射光的倾角为探轴左边的光斑面积为测器装配长度的一半探测器装在检测支架上的那部分的长度如图由于反射镜匀速旋转因此于是由光电转换可得输出电压也可以看作是时间参量因此等同于为便于理解这里从特殊情况到一般情况讨论模型的建立其中为光斑的光照度为光电转换系数为光照系数也就是透镜在其入射光的截面上的投影为信号的符号参数光斑中心在光敏面右上侧光斑中心在光敏面左下侧图四像限光电探测器光敏面的四个像限几

8、种特定情况下四像限光电探测器的光电输入输出关系对应于图定义探测器的支架三维空间坐标当探测器的坐标轴与支架的坐标方向完全重合