QD光斑位置檢測(cè)影響因素分析

摘 要：四象限光電探測(cè)器（QD）以其幀頻高、解算電路簡(jiǎn)單、可靠性好被廣泛應(yīng)用于激光通信的光軸對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，在利用QD進(jìn)行光斑位置檢測(cè)時(shí)，要盡可能提高光斑位置的檢測(cè)速度和檢測(cè)精度。由于光斑檢測(cè)精度會(huì)受到背景光、大氣湍流、探測(cè)器形狀等因素影響，給光斑檢測(cè)帶來(lái)一定誤差，使系統(tǒng)可靠性降低。為了更好的抑制背景光、大氣湍流等因素對(duì)光斑檢測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)的影響，本文進(jìn)行如下詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：四象限探測(cè)器 光斑檢測(cè) 背景光 大氣湍流

中圖分類號(hào)：TN247 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（c）-0010-01

四象限光電探測(cè)器以其高頻譜響應(yīng)范圍，高定位精度，解算速度快等優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于激光準(zhǔn)直，激光對(duì)中，激光導(dǎo)向，激光制導(dǎo)，激光報(bào)警，激光偵查，激光自動(dòng)跟蹤等領(lǐng)域。四象限光電探測(cè)器的每一個(gè)象限相當(dāng)于一個(gè)PIN光電二極管，根據(jù)PIN光電二極管的特性，在一定的反偏工作電壓下，PIN光電二極管所接收的光功率大小與其產(chǎn)生的光電流大小成正比（圖1）。

其經(jīng)典位置解算算法如下：令提取到的光電流信號(hào)與四象限探測(cè)器四個(gè)象限在坐QXUgMq717ym9hDAINzysg/Te6ERROztyC3hZKZfXb2Q=標(biāo)軸上的分布對(duì)應(yīng)，分別為第一象限對(duì)應(yīng)的光電流Ia，第二象限對(duì)應(yīng)的光電流Ib，第三象限對(duì)應(yīng)的光電流Ic，第四象限對(duì)應(yīng)的光電流Id。令光斑在四象限探測(cè)器四個(gè)光敏面上光功率為Ea、Eb、Ec、Ed，光斑實(shí)際位置坐標(biāo)為（x0，y0），則有：

（1）

（2）

dx，dy分別為光斑中心在x軸和y軸的偏移量。

1 背景光對(duì)光斑位置檢測(cè)影響

在上述四象限探測(cè)器解算公式（1）、（2）可以看出，當(dāng)光斑檢測(cè)系統(tǒng)的背景光均勻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致偏移量公式中分母大小發(fā)生改變而分子不變，這就會(huì)使通過(guò)光斑解算得到的位置與實(shí)際光斑位置發(fā)生偏差，從而降低光斑位置的檢測(cè)精度?，F(xiàn)在研究光斑在x軸的偏移量，由圖2可以看出，隨著背景光的加強(qiáng)，光斑的實(shí)際偏移量與解算偏移量的曲線線性范圍在降低，造成光斑位置檢測(cè)靈敏度下降，由于是激光光源當(dāng)作信號(hào)源，為了減小或者消除背景光帶來(lái)的影響，可以在接收端加窄帶濾光片來(lái)抑制背景光的干擾，也可以采用數(shù)字信號(hào)處理的方式抑制背景光。

2 大氣湍流對(duì)光斑位置檢測(cè)影響

大氣光通信中面臨的最大問(wèn)題是大氣信道的影響，包括大氣衰減和大氣湍流。大氣湍流是由于大氣中局部溫度、壓強(qiáng)的隨機(jī)變化而帶來(lái)折射率隨機(jī)變化的現(xiàn)象。大氣湍流引起接收端探測(cè)器光敏面上光斑信號(hào)閃爍、相位偏移、光束擴(kuò)展，使得APT系統(tǒng)中光斑位置檢測(cè)出現(xiàn)誤差，跟蹤精度降低。

激光光斑在大氣湍流的影響下，產(chǎn)生形狀畸變和光斑破損，并且會(huì)伴隨著光斑位置隨機(jī)抖動(dòng)，減小大氣湍流對(duì)光斑檢測(cè)精度的影響，可以通過(guò)增加光學(xué)系統(tǒng)的接收口徑和提高跟蹤系統(tǒng)的帶寬進(jìn)行有效抑制。

3 四象限探測(cè)器形狀對(duì)光斑檢測(cè)影響

四象限光電探測(cè)器通常有圓形和方形兩種，當(dāng)信號(hào)光斑較大且光斑抖動(dòng)的動(dòng)態(tài)范圍很大時(shí)，光斑在移動(dòng)的情況下可能會(huì)產(chǎn)生部分或者完全跑出視場(chǎng)的情況，這將導(dǎo)致光斑位置解算產(chǎn)生誤差。

由（圖5、6）可以看出，當(dāng)信號(hào)成像光斑較大，而且動(dòng)態(tài)范圍設(shè)置比較大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)上圖部分光斑跑出視場(chǎng)的情況，因此，探測(cè)器光敏面上說(shuō)接收的光斑總能量減小，而信號(hào)干擾噪聲不變導(dǎo)致信噪比降低，也同時(shí)降低光斑檢測(cè)的靈敏度。通過(guò)應(yīng)用光學(xué)知識(shí)，選用大光敏面探測(cè)器，增加器件結(jié)電容，可以提高器件靈敏度。

4 結(jié)語(yǔ)

在光斑位置檢測(cè)系統(tǒng)中，背景光、大氣湍流、光電探測(cè)器形狀等因素不可避免的會(huì)影響著光斑位置檢測(cè)的精度和速度，可以通過(guò)加窄帶濾光片、增大系統(tǒng)光學(xué)口徑、選用大范圍光敏面探測(cè)器，都可以有效的提高跟蹤精度。

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