基于象探测器的光斑中心定位算法研究

摘要

象探测器(QuadrantDetector,QD)是一种以“光生伏特效应”为核心的位置探测器，由于其具有探测灵敏度高、信号处理简单和抗干扰能力强等优点，在军事、测绘、天文、通信、工程测量等许多领域都得到了广泛应用。象探测器定位算法已有多种，在不同的光斑模型下，算法的线性范围、灵敏度等均有差异。实际应用中会对测量性能有不同的要求，因此对实际光斑模型下的不同算法进行仿真比较，找到最能满足应用需求的算法以提高探测系统的测量范围、测量精度等是一项重要工作。传统定位系统模型多为能量均匀分布或高斯分布的圆形光斑，多采用加减算法和对角线算法，并使用硬件方法实现，不仅增加了成本、局限了算法的使用且误差较大，系统灵活性差。
　　 本论文主要以四象限探测器为对象研究了光斑中心定位算法，做了如下相关工作:
　　 (1)对常用的光斑中心定位探测器CCD、PSD和QD进行了比较，分析了各自的优缺点，为探测器种类的选择提供了参考。介绍了象探测器的主要性能参数，为具体应用中象探测器的选型给出了依据。
　　 (2)结合实际使用的激光器及四象限探测器性能参数，设计了包括中性衰减片、光斑压缩部分（倒伽利略系统）和光斑调节部分（柱面镜）的光学系统，能够得到一半轴长度为1.248592mm（四象限探测器边长6mm），另一半轴长度连续可调的能量高斯分布的椭圆光斑，为算法仿真提供了光斑模型。
　　 (3)研究了四象限探测器的加减算法、对角线算法、△/Σ算法和对数算法。在此基础上建立了能量为均匀和高斯分布，形状为圆形、椭圆形的光斑模型的中心定位算法。分析了影响四象限探测系统探测精度的因素。
　　 (4)讨论了四象限探测器的加减算法、对角线算法、△/Σ算法和对数算法的应将电路连接方法。使用已有的硬件系统测量了能量高斯分布的圆形光斑的定位数据，并用拟合的方法得到了实际的定位曲线。
　　 (5)假设光斑半径为r，在讨论的四种算法中，使用加减算法，线性范围为2r，使用对角线算法，线性范围会扩大到2(√2)r。对角线算法线性范围最大，但仍不能满足某些要求大的线性范围场合的需求，为进一步提高线性范围，提出采用二元光学器件将入射到光敏面上的光斑整形为正方形且能量均匀分布。仿真结果证明使用该方案线性范围为4r，该方案能得到最大的线性范围。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 激光定位技术国内外研究现状

1．2．2 象探测器及光斑中心定位算法研究现状

1．3 研究目的和内容

第二章 四象限探测器基本原理

2．1 引言

2．2 常用光斑中心定位探测器比较

2．3 四象限探测器基本原理

2．4 四象限探测器性能参数

2．5 本章小结

第三章 四象限探测器光斑中心定位算法仿真

3．1 引言

3．2 光学系统设计

3．2．1 ZEMAX设计平台介绍

3．2．2 系统设计

3．3 中心定位算法及电路连接

3．3．1 加减算法

3．3．2 对角线算法

3．3．3 △／∑算法

3．3．4 对数算法

3．4 光斑中心定位算比较

3．4．1 能量均匀分布的圆形光斑中心定位算法

3．4．2 能量高斯分布的圆形光斑中心定位算法

3．4．3 能量均匀分布的椭圆光斑中心定位算法

3．4．4 能量高斯分布的椭圆光斑中心定位算法

3．5 影响因素讨论

3．5．1 光斑能量分布的影响

3．5．2 光斑大小的影响

3．5．3 沟道宽度的影响

3．5．4 背景光的影响

3．5．5 坐标轴夹角的影响

3．5．6 象限响应度一致性的影响

3．6 本章小结

第四章 实验测量及数据处理

4．1 引言

4．2 测量系统及使用的四象限探测器性能介绍

4．3 实验测量及数据处理

4．4 本章小结

第五章 四象限探测器光斑中心定位改进

5．1 引言

5．2 现存算法存在的不足

5．3 改进方法及结果比较

5．3．1 二元光学进行光斑整型

5．3．2 结果比较及分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要工作

6．2 创新点

6．3 研究与展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录