光电探测系统中的自动准直控制技术

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1、南京信息工程大学硕士学位论文第二章系统设计方案2．1用于位置测量的光电探测器及工作原理用于位置测量的光电探测器是自动准直系统中的核心器件之一，对系统的设计及整体性能有重要影响。常用的光电探测器是利用材料的光电效应将入射的光辐射信号转换成相应的电信号而制作成的探测器，故也称为光电转换器。其主要参数有响应度(灵敏度)、光谱响应范围、响应时间和可探测的最小辐射功率等。自光电效应发现至今，光电转换器件获得了突飞猛进的发展，目前各种光电转换器件已广泛地应用在各行各业。常用的光电效应转换器件有光敏电阻、光电倍增器、

2、光电池、PIN管、CCD等。光电倍增器是把微弱的输入转换为电子，并使电子获得倍增的电真空器件。当光信号强度发生变化时，阴极发射的光电子数目相应变化，由于各倍增极的倍增因子基本上保持常数，所以阳极电流亦随光信号的变化而变化，此即光电倍增管的简单工作过程。光电倍增管一般用来测弱光信号。光电池是把光能直接变成电能的器件，可作为能源器件使用，如太阳能电池，它也可作为光电子探测器件。CCD(ChargeCoupledDevice)即电荷耦合器件，通过输入面上光电信号逐点的转换、储存和传输，在其输出端产生一时序信号

3、。CCD技术日臻完善，已广泛用于安防、工业、通信、远程教育、可视网络电话等领域。光电二极管有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管两种。光伏探测器有一个PN结结构。受光辐射照射后，如PN结外电路开路．则在PN结两端产生光生电压(P端为正，N端为负)。当外电路接通时，就在外电路中流过光生电流，光生电流的方向是从PN结的N端经外电路回到P端，即光生电流的方向与P结的反向电流方向一致。光伏探测器是有源器件，在光辐射照射下可直接产生光生电压或光生电流，但是PIN光电二极管即使在最大的响应度下，一个光予最多也只能产生一

4、对电子一空穴对，是一种无内部增益的器件。雪崩光电二极管(APD)是具有内增益的光伏探测器，它是利用光生载流子在强电场作用下产生的载流子倍增效应来获得光电流增益，APD对光电流的放大作用基于电离碰撞效应，在一定的条件下，被加速的电子和空穴获得足够的能量，能够与晶格碰撞产生一对新的电子一空穴对，这种过程是一种连锁反应，从而由光吸收产生的一对电子一空穴对可以产生大量的电子一空穴对而形成较大的二次光电流。具有灵敏度高、响应速度快的特点，在光纤通讯、微弱光电信号检测、激光测量等方面获得了较广泛的应用。雪崩光电二极

5、管需要在较高的反向偏压状态下工作，它除了增益特性和噪声特性外，其它特性与反偏状态下的光电二极管基本相似。5南京信息工程大学硕士学位论文目前在激光光束漂移检测中常采用的检测方法为CCD电荷耦合器件、四象限光电探测器、小面积光电探测器。各方法的精度如表1所示。表1光束漂移检测采用的方法及精度≥＼．光斑中心漂移精度激光器与探测器的光束角度漂移精度△r(am)距离L(m)e(10。6rad)CCD电荷耦合器件O．11～10O．1四象限光电探测器O．10．1～5O．5小面积光电探测器11～51小面积光电探测器逐项

6、分离检测法，是根据激光束能量的横向分布来分离出激光束的各种参数。激光器发出的激光经过滤光片和聚焦透镜照射-N,J,面积探测器上(或在其光敏面前端加一小孔光阑)，小面积光探测器在激光束横截面进行扫描，再经由信号扫描处理电路，A／D转换，最后在计算机显示器显示光束的能量分布。可用MATLAB数值图像分析处理软件得到光斑尺寸，激光方向漂移角度和位移等参数。这种逐项分离方法测激光束参数较为复杂，测量误差较大，其测量精度没有CCD电荷耦合器件测量精度高，因此这类检测方法应用比较少。图2．1采用面阵CCD的自准直系

7、统原理图CCD电荷耦合器件测量激光束漂移，是将接收光束经聚光镜后，均匀照明位于物镜的焦平面上的十字分划板，十字形刻线经分光镜、物镜等后，一路光信号到达面阵CCD的光敏面，十字形刻线的像经过CCD采集后输出视频信号进入图像采集卡，由图像采集卡将视频信号数字化成处理器可处理的数字信号，处理器再将这些数字信号进行图像处理。整个采集过程由计算机、DSP等处理器控制，并驱动相应程序进行图像处理，包括二值化、中6南京信息工程大学硕士学位论文值法、曲线拟合等方法。系统原理觅圈1．1所示。17jCCD采集到的原始图像如

8、图2．2(a)所示；用二值法去噪声后的图像如图2．2(b)所示；再用中值法去孤立点，如图2．2(c)所示；以上戆处霪消除了毒≥正常光嗓声带来鲍测量误差，在诧基础上，选择～个合适懿光强阈值作为光束阁形的边缘轮廓，最后求其几何中心，如图2．2(d)所示。求出被测光束的中心后，与事先标定的基准点位置比较，就得到了所需的漂移位移参数。该方法的精度取决予CCD像元的大小及图形处理算法的质量。随着霾前的制造工艺承平提离及图像处理技术的发展，采用CCD检