基于四象限探測器的高精度激光光斑位置檢測技術(shù)研究
第 1 章 緒論
1.1.1 激光光斑位置檢測技術(shù)簡介
早在幾千年前，人類就已經(jīng)開始將太陽光用于天文和地理領(lǐng)域中的位置定位和角度測量。隨著 1960 年第一臺紅寶石激光器的發(fā)明，激光技術(shù)飛速發(fā)展，特別是將激光技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和計算機技術(shù)相融合，發(fā)展起來的激光測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科研、工業(yè)生產(chǎn)和航天軍事等領(lǐng)域[1-5]。激光光斑位置檢測技術(shù)是激光測量技術(shù)中的重要內(nèi)容，它是一門利用信號處理技術(shù)對落在光電位置探測器光敏面上的光斑進行質(zhì)心位置檢測的技術(shù)，這項技術(shù)的不斷發(fā)展一方面得益于激光的高準(zhǔn)直特性和功率穩(wěn)定性，另一方面得益于半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展使光電位置探測器的檢測精度不斷提高。激光光斑位置檢測技術(shù)主要應(yīng)用在兩個方面，如圖 1.1 所示。
另一方面是對待測目標(biāo)或激光器發(fā)射端進行高精度的動態(tài)跟蹤。通過位置探測器解算出的光斑質(zhì)心位置，為電機或快速反射鏡等執(zhí)行機構(gòu)提供脫靶量，實現(xiàn)閉環(huán)跟蹤[11-12]。激光半主動制導(dǎo)正是利用該技術(shù)對待打擊目標(biāo)進行實時跟蹤，實現(xiàn)精確打擊[13-14]。對于空間激光通信系統(tǒng)的接收端 ATP 系統(tǒng)，其需要對發(fā)射端信標(biāo)光進行實時捕獲和跟蹤才能夠構(gòu)建穩(wěn)定的光通信鏈路，進而實現(xiàn)遠距離大容量的空間數(shù)據(jù)傳輸[15-16]。
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通過上一節(jié)的論述，基于四象限探測器的激光光斑位置檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物檢測以及光電測控通信領(lǐng)域，并且四象限探測器光斑位置檢測性能的好壞往往直接影響整個系統(tǒng)性能，因此開展提高光斑位置檢測精度的研究對激光光斑位置檢測技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。國內(nèi)外眾多學(xué)者對提高光斑位置檢測精度進行了深入研究，其研究現(xiàn)狀如下。
1.2.1 光斑位置檢測算法研究現(xiàn)狀
光斑位置檢測算法算法的本質(zhì)是根據(jù)四象限探測器輸出的四路光電流信號，對當(dāng)前光斑的質(zhì)心位置進行解算。當(dāng)對光斑位置檢測精度要求不高的情況下，可以利用中心近似法進行求解，這種算法在光斑中心很小的范圍內(nèi)精度較高，隨著光斑中心向探測器邊緣移動時，由于解算偏差值與實際的質(zhì)心不在是線性關(guān)系，而呈現(xiàn)非線性的變化，導(dǎo)致誤差逐漸增大。為了擴展光斑位置檢測范圍和提高位置檢測精度，學(xué)者們提出了不同的光斑位置檢測算法。
目前，關(guān)于四象限探測器光斑位置檢測模型算法研究主要基于均勻光斑和高斯光斑兩種模型，針對均勻光斑模型，文獻[63]根據(jù)幾何法給出了 QD 質(zhì)心位置解析解，并分析了不同光斑半徑對于光斑位置檢測誤差的影響；文獻[64]提出利用微動法解算光斑的質(zhì)心位置，不僅給出了光斑質(zhì)心的具體位置，同時可以得到光斑的半徑，但微動量的大小對算法的影響較大。相比均勻光斑，高斯光斑模型更接近實際情況，并且在一定的探測范圍內(nèi)，高斯光斑模型比均勻光斑靈敏度更高，針對高斯光斑模型，文獻[65]提出了積分限近似為無窮時光斑位置的解析表達式，取得了較好的精度，但由于其忽略了探測器半徑大小和 QD 溝道對位置檢測精度的影響，仍存在較大位置檢測誤差。
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第 2 章 基于四象限探測器的激光光斑位置檢測技術(shù)
本文所研究的基于四象限探測器激光光斑位置檢測系統(tǒng)并不是針對某一種特定應(yīng)用場合所設(shè)計的，而是將許多用到光斑位置檢測功能的系統(tǒng)進行分析簡化得到的，以方便理論分析和定量計算。該系統(tǒng)主要利用四象限探測器這種具有高分辨率、高幀頻的位置探測器件作為感知光斑質(zhì)心位置的核心器件，通過四路輸出的光電流信號估算出光斑質(zhì)心位置。本章首先介紹四象限探測器的基本原理，包括光生伏特效應(yīng)、四象限探測器的主要性能參數(shù)以及光斑位置檢測的一般性原理。然后，建立了基于四象限探測器的光斑位置檢測系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。2.3 節(jié)介紹了光斑位置檢測系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)，2.4 節(jié)概括分析了影響光斑位置檢測系統(tǒng)的主要因素。
2.1.1 外形結(jié)構(gòu)
四象限探測器制作出來后，為減少電磁干擾，外部用金屬外殼密封包裝，與光敏面垂直方向有保護玻璃構(gòu)成的光窗。后端有四個象限輸出電流的引腳、一個公共引腳（共 N 或共 P）和一個接地引腳。如圖 2.2 所示為兩款四象限探測器的實物圖。
2.1.2 光生伏特效應(yīng)
四象限探測器的本質(zhì)是一種光電探測器，利用先進的光刻技術(shù)將一塊光電探測器按照笛卡爾坐標(biāo)系分成四塊，對應(yīng)探測器的四個象限。光電探測器是基于內(nèi)光電效應(yīng)原理中的光生伏特效應(yīng)制作而成的[87-89]。當(dāng)沒有光照射時，P 區(qū)和N 區(qū)的多數(shù)載流子會向?qū)Ψ絽^(qū)域進行擴散，當(dāng)這種擴散達到平衡時，在 PN 結(jié)處形成了由正負離子組成的耗盡層。并且在耗盡層中形成了一個自建的電場 E，方向由N 區(qū)指向 P 區(qū)，其勢壘高度為DqV ，如圖 2.3 所示。
如果將其與外部電路連接，便會有短路電流通過回路。若在 PN 上結(jié)外加反向偏電壓，使反向偏電壓的方向與 PN 結(jié)內(nèi)部電場的方向保持一致，最終在綜合電場的作用下，形成光生電流，一般光生電流由漂移電流和擴散電流兩部分構(gòu)成[90-96]。
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光斑位置檢測系統(tǒng)包含兩部分，一部分為前端激光光源和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成的光學(xué)變換部分，另一部分為光斑位置檢測探測器及其后端處理電路構(gòu)成的采集解算部分。針對不同的應(yīng)用場合，需要對前端光學(xué)變換部分進行設(shè)計和調(diào)節(jié)，而后端采集解算部分的結(jié)構(gòu)是基本不變的，但對其具體的參數(shù)設(shè)計仍要按實際需求而定。為了研究方便，不考慮具體的應(yīng)用場景，構(gòu)建如圖 2.10 的光斑位置檢測系統(tǒng)模型，其工作過程如下：
以上描述了一個簡化的基于四象限探測器光斑位置檢測系統(tǒng)的工作過程，為論文的后續(xù)章節(jié)的敘述奠定基礎(chǔ)。受激光器制造工藝所限，所輸出的激光發(fā)散角和功率都會出現(xiàn)微小的波動，當(dāng)其光斑落在 QD 靶面上，QD 所解算出光斑質(zhì)心位置就會出現(xiàn)隨機誤差，因此高穩(wěn)定度的光源對光斑位置檢測系統(tǒng)十分必要。
總之，光斑位置檢測系統(tǒng)的設(shè)計需要依托于具體的應(yīng)用環(huán)境，根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境去調(diào)節(jié)每個環(huán)節(jié)的系統(tǒng)參數(shù)。本文依托于如圖 2.10 所示的一種簡化的光斑位置檢測系統(tǒng)，旨在深入研究各種應(yīng)用環(huán)境均會遇到的共性問題，光斑位置檢測算法和噪聲對光斑位置檢測精度的影響分析，使其促進基于四象限探測器光斑位置檢測技術(shù)的進一步工程應(yīng)用。
隨著光刻技術(shù)、探測器參雜技術(shù)地逐漸提高，死區(qū)和象限響應(yīng)非均勻性的影響已經(jīng)大大減少。、由于光學(xué)裝調(diào)裝配過程中所帶來的誤差也可以通過軟補償?shù)拇胧┲饾u減小。因此影響光斑位置檢測精度的因素主要為光斑位置檢測算法和各環(huán)節(jié)所引入的光噪聲和電噪聲，這兩部分也正是本文所研究的重點。
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3.1 引言............................................................35
3.2 幾種常用的算法................................................36
第 4章 噪聲對光斑位置檢測精度影響分析....................................63
4.1 系統(tǒng)噪聲源分析......................................................63
4.2 光斑位置標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)學(xué)模型.........................................67
第 5章 測試系統(tǒng)搭建及實驗分析...................................83
5.1 硬件平臺搭建...................................................83
5.2 實驗結(jié)果與分析.............................................88
第 5 章 測試系統(tǒng)搭建及實驗分析
第3章和第4章分別研究了基于四象限探測器的光斑位置檢測算法和噪聲對光斑位置檢測精度的影響。本章在設(shè)計 QD 后端硬件電路的基礎(chǔ)上，分別搭建了位移測試平臺和動態(tài)跟蹤測試平臺，驗證了Infinite integral擬合算法和Composite擬合算法下的光斑位置檢測性能；同時也驗證了光斑位置標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)學(xué)模型與和在一定概率下光斑位置誤差的數(shù)學(xué)模型；最后在動態(tài)跟蹤測試平臺上測試了基于QD 的光斑閉環(huán)跟蹤精度。
5.1.1 硬件電路
5.1.1.1 模擬放大電路
由于本文所在課題組的研究課題是空間激光通信技術(shù)的研究，通信距離在20km 左右，接收端接收到的光能量約為幾十 nW，，為能夠達到接收端的探測靈敏度，因此需要設(shè)計低噪聲、高增益的放大電路，放大電路分為兩級，第一級為跨阻放大器，第二級為電壓放大器，總放大倍數(shù)為 3×106V/A。由于 QD 探測器的特性，后端還設(shè)計了偏置調(diào)整電路和二階有源低通濾波器，濾波帶寬設(shè)計為1kHz，電路 PCB 圖和實物圖如圖 5.1 所示。
對設(shè)計好的放大電路需要進行功能測試和噪聲測試，表 5.1 和表 5.2 給出了輸入電流分別為 30nA 和 50nA 時前置放大器四個通道的輸出結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可知，各通道的放大倍數(shù)與理論值 3×106V/A 基本是吻合的。對于噪聲測試，表5.3 給出了前置放大器各個通道的輸出噪聲結(jié)果，與理論計算值 18uV 基本是吻合的。
本文采用的是自主設(shè)計的具有數(shù)據(jù)存儲和實時處理兩個功能的綜合功能板。此處理板主要分為三個模塊，ADS1274 模塊、USB 3.0 模塊和 DSPF2812 模塊。在 USB3.0 模塊上有一塊型號為 EP3C16F484C8N 的 FPGA，它是整個處理板的核心，通過它發(fā)出時序控制 ADS1274 采集由前端放大電路輸出的四路電壓信號，并將其傳輸?shù)?FPGA 中進行數(shù)字濾波，然后將處理后的數(shù)據(jù)一方面通過 USB3.0模塊傳輸給 PC 機進行存儲方便后續(xù)處理，另一方面數(shù)據(jù)傳輸給 DSPF2812 模塊，利用 DSP 高性能的數(shù)據(jù)處理能力，將四路電壓信號解算出光斑質(zhì)心的位置，傳輸給伺服系統(tǒng)，ADS1274、USB 3.0 和 DSPF2812 各模塊之間通過 SPI 或 FS 的方式進行通信。處理板構(gòu)架圖和實物圖如圖 5.2 和 5.3 所示。
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第 6 章 總結(jié)與展望
隨著科技的不斷進步，激光測量技術(shù)得到了飛速發(fā)展，激光光斑位置檢測技術(shù)作為激光測量技術(shù)的一種在生物醫(yī)療、精密儀器加工和軍事設(shè)備制造等領(lǐng)域占據(jù)重要位置。激光光斑位置檢測技術(shù)主要有兩個方面應(yīng)用，一方面是對目標(biāo)的微小位移或微小角度的精密檢測，如光鑷技術(shù)，激光半主動制導(dǎo)等，另一方面是對動態(tài)目標(biāo)的閉環(huán)跟蹤，如激光雷達、激光通信等。而這兩方面應(yīng)用歸根結(jié)底都需要對光斑進行高精度的質(zhì)心位置檢測。在光斑位置檢測系統(tǒng)中，除了需要高穩(wěn)定度的激光光源，光電位置探測器的選擇至關(guān)重要，相比于 CCD 和 PSD，QD 擁有更高的位置檢測分辨率和更快的響應(yīng)時間，使得被廣泛研究和應(yīng)用。本論文主要研究了基于四象限探測器的激光光斑位置檢測系統(tǒng)，并對其位置檢測算法和噪聲對位置檢測精度的影響等關(guān)鍵部分進行了研究。
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參考文獻（略）
本文編號：145912
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