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光电定向实验报告
摘要:采用四象限探测器作为光电定向实验，学****四象限探测器的工作原理和特性，同时掌握四象限探测器定向的工作方法。实验中，四象限探测器的四个限区验证了具有完全一样的光学特性，同时四象限的定向具有较良好的线性关系。
关键词:光电定向四象限探测器
1、引言
随着光电技术的发展，光电探测的应用也越来越广泛，其中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。，由于四象限光电探测器能够探测光斑中心在四象限工作平面的位置，因此在激光准直、激光通信、激光制导等领域得到了广泛的应用［1］.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。
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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。通过实验，可以掌握四象限光电探测器原理，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。并利用实验仪进行设计性实验等内容，将光学定向应用到各领域中[2]。
2、实验原理
、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
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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
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。
接收部分主要由四象限探测器组成。四象限光电探测器是一种常用的精跟踪探测器，其基本原理是光电效应，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．[3].
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（ａ）圆形光敏面ＱＰＤ（ｂ）矩形光敏面ＱＰＤ
图2四象限探测器实物图
如图3（ａ）所示，四象限光电探测器光敏面有４部分Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ．假设入射光斑为圆形且能量分布均匀，如图3
（ｂ）所示，照射在光敏面上的光斑
被４个象限分成４个部分，４个象限的光斑面积分别为ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ和ＳＤ．此时，由于光生伏特效应，在４个象限中产生与光信号对应的电信号，其对应电流大小分别为ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ和ＩＤ．如图２（ｃ）所示，当光斑中心在四象限光电
探测器上的位置改变时，光敏面各象限上的光斑面积也会改变，从而引起四象限探测器各象限输出电流强度的变化，通过一定的信号处理方法可以得到光斑能量中心位置相关信息．如图4所示.
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图3四象限探测器工作示意图
图4四象限探测器工作光路
根据输出电流强度可以计算出光斑能量中心位置．用σx和σy分别表示x和y
轴上根据四象限光电探测器输出信号经过一定的算法处理后的归一化偏移量，σx和σy与光斑能量中心实际偏移量的对应关系利用加减算法得［６－７］
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