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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］
x0KxK(SASB)(SBSD)SASBSCSD
(SASB)(SBSD)SASBSCSDy0KyK
式中Ｋ为比例常数，光斑能量中心偏移量σx和σy仅与光斑在探测器上的面积有关，只要得到了各象限面积之间的比例关系，即可得到光斑能量中心位置的坐标．光斑在探测器上移动如图3（d）所示
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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。
这种定向方式是参考单脉冲雷达原理提出来的。
在图5中，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＝，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x1和y1。若光斑半径为r，光斑中心坐标为x1和y1，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[4]：
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当2Xsin1(1)rX14x1时,ABCD1rr
r即x1(ABCD)4
r同理可得y1(ABCD)4
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6，可得输出偏差信号大小为
Vx1KP(ABCD)
Vy1KP(ABCD)
对应于x1k(ABCD)
y1k(ABCD)
图6