光电定向实验讲义--专业实验

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1、光电定向实验（313实验室）一、实验仪器光电定向实验电箱四象限光电探测器650nm激光器旋转架四维调节架（需配计算机）二、实验目的1了解四象限探测器的性能。测量以四象限探测器做接收器，光信号的放大信号。2该系统直接、间接地测定目标的方向，观测可见光辐射到四象限探测器上的位置和强度变化。通过上位机显示每个象限的光强以及光斑的光心坐标，观察光斑在四个象限的显示情况验证四象限探测器原理。三、实验原理1光电定向及四象限探测器原理光电定向是指用四象限探测器组成的光学系统来测定二维方向上FI标的方位，关键器件是四象限探测器。四象限探测器是反向偏置

2、的半导体二极管阵列，由于器件是象限化的，因此当被测物体的光幅射到器件各个象限的辐射通量相等时，则各个象限输出的光电流相等。而当目标发生偏移吋，由于象限间辐射通量的变化，引起各个象限的输出光电流的变化，由此可测出物体的方位，从而起到跟踪、制导的作用。四象限光电探测器是将四个性能相同的光电探测器按照直角来标排列成四个象限做在同一芯片上，通常称四象限管，如图1所示。四个象限之间的间隔称为“死区”。在可见光和近红外波段，光电探测器目前广泛采用硅光电池和硅光电二极管。光电探测器在有光照射时产生电信号。图1四象限探测器示意图用四象限光电探测器作为

3、二维方內上目标的方位定內原理如图2所示。图2定向原理示思图脉冲激光器发出脉冲宽度极窄而功率很高的激光脉冲，照射远处0标，0标对光脉冲发生漫反射，反射回来的光由光电接收系统接收。光电接收系统由光学成像系统和四象限探测器组成，如图3所示，光学系统四象限探洲奸运算电路*vx►VyAX图3光学成像系统和四象限探测器示意图目标光信号经光学成像系统活在四象限光电探测器上成像。四象限探测器放在光学系统后焦面附近，光轴通过四象限探测器的十字沟道中心，因四象限探测器的位置略存离焦，于是接收S标的像为一圆形光斑。当0标成像在光轴上时，圆形光斑中心与四象限

4、探测器中心重合。因四象限探测器中四个探测器件受照的光斑面积相同，输岀相等的脉冲电压。当目标成像不在光轴上时，目标像的圆形光斑的位置在四象限探测器上相应的有偏移，四个探测器件受照的光斑面积不同，输出不和等的脉冲电压。对四个探测器输出的信号进行运算处理，就可以知道H标在直角坐标系X—Y中用电压VX和VY表示的方位。运算电路实现方式有和差式、和差比幅式、对差式和对数相减式。所谓和差式就是如图4所示先计算探测器件输出信号的和，再计算和的差，原理如图4所示。•R图4和差式原理示意图假设光斑得到的辐射是均匀的，每个光电探测器件收到的光功率，从而输

5、出信号一定与每个探测器件接收到的光斑面积成比。这里以A、B、C、D表示光电探测器接收到的光斑面积占总光斑面积的百分比，若探测器件的材料是均匀的，则各象限的光功率信号与各象限的光斑面积成正比，各象限的输出信号也与各象限的光斑面积成正比，对和差运算，系统输出电压信号为：Vx=^P[(>4+D)-(B+C)]Vy=/CP[(/l+B)-(C+D)]对应于光斑圆心坐标：X=KP[{A+D)-(B+C)}K=A：P[(A+B)-(C+D)]其中，K为电路放大系数，P为探测器接收的总功率。显见，只要系统确定，则K、P均是常数，偏离值只与光斑面积的

6、百分比有关；但在实际系统中，P耍随目标距离远近而变化，并不能代表目标的实际坐标，若采用和差比幅式就可以解决这个问题,和差比幅式原理如图5所示。图5和差比幅式原理示意图系统输出电压信号为:对应于光斑圆心坐标:⑽)-(B+C)A+B+C+DyA+B+C+DX_&(A+D)-(B+C)A++C+Z)=k(A+B)-(C+D)A+5+C+£)可见上式中就不包含了总功率P。本实验系统采用激光脉冲模拟成像信号直接照射四象限探测器。2光电定向实验系统实现原理光电定向是指用光学系统来测定FI标的方位，在实际应用屮具有精度高、价格低、便于自动控制和操作

7、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Y广泛的应用。本实验系统采用650mn半导体激光器作为光源，四象限探测器作为光电探测接收器，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。该系统主要由发射部分、光电探测器、信号处理电路、数据釆集和软件显示部分组成。该系统结构框图如图6所示。650激光►四象限探测►信兮放人电►采样保持电i上位机串U通信<51单片机A/D转换阁6系统结构阁3软件3.1软件面板介绍(1)软件主面板被划分为两个图形区域，分别为：用户控制、实验数据显示区域(面板左面)，实验动

8、态显示区域(面板右面)。(2)用户控制区域设罝三个控制按钮，分别是：“开始测验”、“结束测验”、“退出程序”。另外有两个单选按钮：“逐步测验”、“连续测验”。界面美观，易于操作。(3)实验显示区域模拟实验光片，按比例放大