QD光斑位置检测影响因素分析

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摘 要：四象限光电探测器（qd）以其帧频高、解算电路简单、可靠性好被广泛应用于激光通信的光轴对准过程中，在利用QD进行光斑位置检测时，要尽可能提高光斑位置的检测速度和检测精度。由于光斑检测精度会受到背景光、大气湍流、探测器形状等因素影响，给光斑检测带来一定误差，使系统可靠性降低。为了更好的抑制背景光、大气湍流等因素对光斑检测系统带来的影响，本文进行如下详细分析。

关键词：四象限探测器 光斑检测 背景光 大气湍流

中图分类号：TN247 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（c）-0010-01

四象限光电探测器以其高频谱响应范围，高定位精度，解算速度快等优点使其广泛应用于激光准直，激光对中，激光导向，激光制导，激光报警，激光侦查，激光自动跟踪等领域。四象限光电探测器的每一个象限相当于一个PIN光电二极管，根据PIN光电二极管的特性，在一定的反偏工作电压下，PIN光电二极管所接收的光功率大小与其产生的光电流大小成正比（图1）。

其经典位置解算算法如下：令提取到的光电流信号与四象限探测器四个象限在坐标轴上的分布对应，分别为第一象限对应的光电流Ia，第二象限对应的光电流Ib，第三象限对应的光电流Ic，第四象限对应的光电流Id。令光斑在四象限探测器四个光敏面上光功率为Ea、Eb、Ec、Ed，光斑实际位置坐标为（x0，y0），则有：

（1）

（2）

dx，dy分别为光斑中心在x轴和y轴的偏移量。

1 背景光对光斑位置检测影响

在上述四象限探测器解算公式（1）、（2）可以看出，当光斑检测系统的背景光均匀时，会导致偏移量公式中分母大小发生改变而分子不变，这就会使通过光斑解算得到的位置与实际光斑位置发生偏差，从而降低光斑位置的检测精度。现在研究光斑在x轴的偏移量，由图2可以看出，随着背景光的加强，光斑的实际偏移量与解算偏移量的曲线线性范围在降低，造成光斑位置检测灵敏度下降，由于是激光光源当作信号源，为了减小或者消除背景光带来的影响，可以在接收端加窄带滤光片来抑制背景光的干扰，也可以采用数字信号处理的方式抑制背景光。

2 大气湍流对光斑位置检测影响

大气光通信中面临的最大问题是大气信道的影响，包括大气衰减和大气湍流。大气湍流是由于大气中局部温度、压强的随机变化而带来折射率随机变化的现象。大气湍流引起接收端探测器光敏面上光斑信号闪烁、相位偏移、光束扩展，使得APT系统中光斑位置检测出现误差，跟踪精度降低。

激光光斑在大气湍流的影响下，产生形状畸变和光斑破损，并且会伴随着光斑位置随机抖动，减小大气湍流对光斑检测精度的影响，可以通过增加光学系统的接收口径和提高跟踪系统的带宽进行有效抑制。

3 四象限探测器形状对光斑检测影响

四象限光电探测器通常有圆形和方形两种，当信号光斑较大且光斑抖动的动态范围很大时，光斑在移动的情况下可能会产生部分或者完全跑出视场的情况，这将导致光斑位置解算产生误差。

由（图5、6）可以看出，当信号成像光斑较大，而且动态范围设置比较大时，可能会出现上图部分光斑跑出视场的情况，因此，探测器光敏面上说接收的光斑总能量减小，而信号干扰噪声不变导致信噪比降低，也同时降低光斑检测的灵敏度。通过应用光学知识，选用大光敏面探测器，增加器件结电容，可以提高器件灵敏度。

4 结语

在光斑位置检测系统中，背景光、大气湍流、光电探测器形状等因素不可避免的会影响着光斑位置检测的精度和速度，可以通过加窄带滤光片、增大系统光学口径、选用大范围光敏面探测器，都可以有效的提高跟踪精度。

参考文献

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[2] 赵馨，佟首峰，姜会林.四象限探测器的特性测试[J].光学精密工程，2010，18（10）：2306-2313.

[3] 韩成，白宝兴，杨华民.自由空间激光通信四象限探测器性能研究[J].中国激光，2009，36（8）.