基于四象限探测器的激光导引镜头的研制
第8卷 第3期2015年6月
中国光学 Chinese Optics
Vol.8 No.3
Jun.2015
收稿日期:2014?12?12;修订日期:2015?02?13
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2011AA12A103)
文章编号 2095?1531(2015)03?0471?09
基于四象限探测器的激光导引镜头的研制
张军强1,谢 飞2,薛庆生1,辛久喜3?
(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;
2.洛阳电光设备研究所,河南洛阳471009;
3.大连欧普迪光电仪器有限公司,辽宁大连116001)
摘要:为了满足激光制导对大视场、高线性度探测的性能要求,基于激光制导炸弹的应用需求,介绍了四象限探测器的工作原理和特点,分析了光斑大小、能量均匀性、线性度、探测距离等参数对探测精度的影响;结合系统性能指标,选择了合理的光学系统结构类型,完成了光学系统设计和光机结构设计;利用畸变、点列图、足迹图、能量集中度等指标对系统性能进行了评价,并分析了目标大小和探测距离对光斑大小的影响。测试结果表明,激光导引镜头总视场为±20°、线性视场为±10°、目标大小为1.5~2.4m、探测距离为50m ~4km、测角精度优于0.2°,能够满足激光导引的需求。关 键 词:激光导引头;四象限探测;光学设计;光机结构设计;仿真分析
中图分类号:TJ765.3;TH743;O435 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20150803.0471
Laser guided lens based on four?quadrant detector
ZHANG Jun?qiang 1,XIE Fei 2,XUE Qing?sheng 1,XIN Jiu?xi 3?(1.Changchun Institute of Optics ,Fine Mechanics and Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130033,China ;
2.Luoyang Institute of Electro?Optical Equipment ,Luoyang 471009,China ;
3.Dalian Opti Photoelectric Instruments Co.,Ltd.,Dalian 116001,China )
?Corresponding author ,E?mail :xinjiuxi@opti?https://www.wendangku.net/doc/a013555890.html,
Abstract :In order to meet the leaser guiding requirements,such as large FOV,high linearity detecting and so on,the working principle and characteristics of four?quadrant detector are introduced based on the applica?
tion requirements of laser?guided bombs.Spot size,energy uniformity,linearity,detection range and other pa?rameters which influence detection accuracy are analyzed.Based on the system requirements,a reasonable structure type of optical system is selected,and optical system design and machine design are completed.Dis?tortion,spot diagram,footprint and geometric encircled energy are used to evaluate the system performance,and the effects of target size and detection distance on spot size of the guidance system are presented.Test re?
sults show that the total FOV is ±20°;the linear FOV is ±10°;the detectable target size is 1.5~2.4m;
the detectable detection range is50m~4km and angle detecting accuracy is better than0.2°,which meet the needs of laser guidance.
Key words:laser seeker;four?quadrant detector;optical design;opti?mechanical design;simulation analysis
1 引 言
随着电子、信息、材料、光学、机械等学科的飞速发展,现代战争已经演化为一个能量密集型、信息密集型、知识密集型的复合系统,激光制导炸弹是一个代表性的例子。激光制导炸弹摆脱了传统炸弹“以量取胜、打哪里指哪里”的作战模式,使炸弹的功能和性能发生了质的飞跃,其高命中率、低成本的特点在近现代历次战争中得到充分的体现[1?3]。
四象限探测器属于主动能量非成像探测,基于四象限探测器的光电探测系统较多元探测系统、红外探测系统在探测效率、可靠性、抗干扰能力、复杂程度、质量体积、成本等诸多方面具有无可比拟的优越性,被广泛应用于激光制导、激光跟踪等领域[4?5]。当前,国内四象限探测系统的线性区较小,研制大视场、大线性区、高精度测角、小型化、可靠性高的导引镜头是激光制导的发展方向。
本文介绍了四象限探测器的工作原理和特点,选择了合理的光学系统结构类型,完成了光学系统设计和光机结构设计,并利用畸变、点列图、足迹图、能量集中度等指标对系统性能进行了评价。结果表明,激光导引镜头总视场为±20°、线性视场为±10°、目标大小为1.5~2.4m、探测距离为50m~4km、测角精度优于0.2°,各项指标达到国内先进水平。
2 基于四象限探测器的激光制导原理2.1 激光制导对导引头的需求
激光制导具有制导精度高、抗干扰能力强、结构简单、成本低、可靠性高等优点。由激光制导的原理可知,激光导引系统应具备以下特征: (1)大视场:较大的视场能够保证导弹较大的搜索范围,增强导弹飞行中段的机动适应性,降低目标高速运动或更改攻击目标时脱靶的风险。
(2)大线性区:导弹飞行过程中,气流、自身振动等因素会严重干扰弹体的飞行弹道,大线性区是实现高精度弹道修正的前提和保障,有利于降低弹道修正的次数,提高攻击效率。(3)高精度测角:激光导引头的本质是一个激光测角系统[6],角度偏差是弹道修正的依据,侧角精度直接决定了制导炸弹最终攻击的圆概率误差。
2.2 四象限探测器的探测原理
四象限探测器的光敏面被分割为4个面积相等、形状相同、位置对称、光电响应一致的扇形区域,每个区域为一个独立的光电探测单元,能够根据接收到的能量独立输出对应幅值的电信号。通过对每个区域输出的电信号进行计算,可以得到目标相对视轴的偏移量,如图1所示[5,7?8]。
图1 四象限探测器的探测原理Fig.1 Detecting principle of four?quadrant detector
图1中,R为探测器光敏面的半径,r为探测器光敏面上光斑半径,(x,y)为光斑形心在探测器光敏面坐标系中的位置坐标,A、B、C、D表示光敏面的4个象限,对应的输出电压信号为V A、V B、V C、V D。
对于理想的四象限光电探测系统,当目标与探测系统视轴对准时,在四象限探测器上的圆形
274 中国光学 第8卷
光斑位于探测器感光面的中心,即V A、V B、V C、V D 的幅值理论上应完全相等,此时有:
(V A+V C)-(V B+V D)=0,(1)
(V A+V B)-(V C+V D)=0.(2) 当目标相对于探测系统视轴有俯仰(上下)角度偏差时,有:
(V A+V C)-(V B+V D)≠0.(3) 当目标相对于探测系统视轴有方位(左右)角度偏差时,有:
(V A+V B)-(V C+V D)≠0.(4) 根据四象限探测器A、B、C、D4个象限的输出信号值,可以计算出光斑中心在四象限探测器上的坐标(x,y);根据光学系统的焦距f可以计算出目标的方位角偏差α、俯仰角偏差β:
α=tan-1(x/f),(5)
β=tan-1(y/f).(6) 因此,利用四象限探测器输出信号,能够快速得到目标相对于系统视轴的角度偏差,为瞄准、跟踪提供修正数据。关于四象限探测器的测角算法及精度分析,国内外学者进行了大量的研究[9?13],本文不再赘述。
3 激光导引头光学系统设计及性能分析
3.1 激光导引系统的需求分析
3.1.1 光斑大小
四象限激光探测系统对光斑大小的需求包括两方面:
(1)光斑直径大小
在线性视场范围内,光斑必须始终位于四象限探测器的光敏面内,且四个象限光敏区域均含有响应。因此,光斑直径应满足R<2r<2Rr,光斑的具体大小应根据线性视场大小确定。
显然,线性视场越大,系统可探测的角度偏差范围越大,但光斑在四象限探测器光敏面上的相对位移量较小,角度探测精度随之降低。光斑直径、线性视场、角度探测精度等3个指标在实际应用过程中需要权衡设计。
(2)光斑稳定性
光斑稳定性是指线性视场内,同一被探测目标在不同视场角时,在四象限探测器光敏面上的光斑大小变化量(一致性)。由于光斑能量分布不可能绝对均匀,所以同一目标、不同视场条件下的光斑稳定性直接影响着系统对目标角度的探测精度。为了提高测量精度,需要尽量提高光斑的均匀性,相关学者也提出了一些改进算法[11,14]。当前,国内四象限激光探测系统的光斑稳定性一般为3%~5%,国外同类仪器一般要求优于3%。
3.1.2 光斑能量分布均匀性
四象限激光探测系统对光斑能量分布均匀性的需求包括两方面:
(1)同一视场光斑能量分布均匀性
由四象限探测原理可知,A、B、C、D4个象限的输出的信号值只与光斑在每个象限的总能量有关,而无法探测出具体的能量分布,现有信号处理算法一般也都是基于光斑能量均匀分布而言的。所以,同一视场光斑能量分布均匀性对四象限激光探测系统至关重要,直接影响系统的角度测量精度。
当然,任何光学系统也无法实现光斑内能量的绝对均匀分布,而只能将其控制在一定范围内,残余误差一般通过系统标定消除或改进的算法修正[15]。
(2)不同视场光斑能量分布稳定性
不同视场光斑能量分布稳定性是指线性视场内,同一被探测目标在不同视场角时,在四象限探测器光敏面上的光斑能量分布变化量(一致性),其对角度测量精度的影响与光斑稳定性类似。
小量级、单视场光斑能量分布非均匀性可以通过系统标定校正,而不同视场光斑能量分布稳定性则较难标定,一般需要通过光学系统设计保证。
3.1.3 系统线性度
根据目标的方位角偏差α、俯仰角偏差β的计算公式可知,目标角度偏差计算是基于像面位移量、焦距、视场角三者关系的几何光学基本公式,所以,在线性视场内,光学系统应满足线性系
374
第3期 张军强,等:基于四象限探测器的激光导引镜头的研制
统特征。
系统线性度主要通过降低光学系统畸变来保证,一般要求畸变在0.5%左右,这也是此类光学系统的设计难点之一。
3.1.4 四象限探测器象限非均匀性
象限非均匀性与四象限探测器性能、信号采集电路等因素有关[16],与光学系统无关,在此不多赘述。
3.2 激光导引光学系统设计
3.2.1 光学系统性能指标
波长:1064nm;
相对孔径:F#=0.8;
视场:总视场±20°、线性视场±10°;
有效目标大小:1.5~2.4m;
有效探测距离:50m~4km;
光敏面大小:Φ10mm;
角度测量精度:优于0.2°。
3.2.2 光学系统设计
根据设计输入,该四象限激光探测系统的光学系统特点是大视场、大相对孔径、低畸变、高稳定性,光学系统采用改进型的双高斯结构。由于光源为波段较窄的激光器,并在光学系统中加入窄带滤光片抑制环境光,因而不存在色差,只需考虑5种单色像差。因为球差不影响光斑分布的对称性,所以只需校正彗差、像散、场曲和畸变,保证不同视场的光斑尺寸和能量的均匀性。通过调节离焦距离,使线性视场范围内各个视场光斑直径尺寸满足系统对光斑尺寸的要求。
光学系统由整流罩和改进型双高斯透镜组构成,通过优化曲率半径和镜片间隔实现了像差优化。系统入瞳直径为15mm,F数为0.8,最大口径为Φ50mm,光学系统总长为100mm,主动离焦量为0.548mm。整流罩采用蓝宝石材料,第一片透镜的第二个光学表面采用二次非球面,非球面系数k=-3.37824,材料为H?ZF6,如图2所示。
为了减小滤光片的入射角度,降低由于入射光锥角导致的谱线漂移量[17],将滤光片置于孔径光阑附近,以缩小滤光片的口径,降低成本和质量。滤光片选用日本西格玛光机
VPF?25C?01?30?
图2 光学系统结构图
Fig.2 Diagram of optical structure 10640型窄带滤光片(部分参数定制),1nm~ 3.0μm截止区透过率小于0.01%、半高宽为1nm、峰值透过率大于45%、基板厚度为2.5mm。
3.3 激光导引光学系统性能分析
激光制导导引头光学系统主要关注光斑稳定性和能量分布均匀性,因此不能用传统成像系统的评价方法,一般是通过光学系统畸变、点列图、光线足迹图、包围能量分布图等来评价[4?5,12]。
3.3.1 光学系统畸变
畸变不仅影响不同视场光斑直径稳定性和光斑能量分布稳定性,还直接决定着系统的线性度,是此类光学系统的一个重要的技术指标。本光学系统优化设计后的畸变控制在0.3%左右,如图3所示,满足设计要求
。
图3 光学系统畸变曲线(目标大小为1.5m,探测距离为4000m)
Fig.3 Distortion of optical system(Diameter of target:
1.5m,detection distance:4000m)
3.3.2 点列图
点列图可以反映不同视场的光斑大小和能量
474 中国光学 第8卷
分布,对分析光斑分布均匀性有一定指导意义,图4给出了线性视场内0°、2°、4°、6°、8°、10°视场的光斑点列图。从图中可以看出,0°、2°、4°、6°、8°、
10°视场光斑直径大小分别为5.05、5.04、5.06、5.05、5.08、5.09mm,最大偏差量小于1%,且光线分布比较均匀,满足四象限探测对光斑尺寸的
要求
。
图4 不同视场的点列图分布(目标大小为1.5m,
探测距离为4000m)Fig.4
Spot of optical system (Diameter of target:
1.5m,detection distance:4000m)3.3.3 光线足迹图
光线足迹图主要为了显示不同视场光斑在探
测器光敏面上的位置,可以直观地得到光斑和探测器中心的相对位置。图5给出了线性视场内0°、10°、20°视场时光斑的痕迹图。
从图5中可以看出,视场为10°时,光斑边缘
与探测器边缘接近,但未超出探测器光敏面,而且覆盖所有四个象限;视场为20°时,光斑位于四象限探测器光敏面的面积大于50%,满足探测视场±20°、线性视场±10°的指标要求。
3.3.4 能量集中度曲线
能量集中度曲线表示光斑能量随光斑直径的
分布情况,图6给出了视场0°、10°、20°的能量集中度曲线。由图6可知,能量与光斑直径近似成抛物线关系,能量分布较均匀,10°线性视场内光斑能量分布稳定性优于1.5%,满足设计要求。3.3.5 目标大小尧探测距离对光斑大小的影响
由激光制导的原理可知,
对于视场角一定的
图5 光线足迹图(目标大小为1.5m,探测距离为4000m)
Fig.5 Spot of footprint(Diameter of target:1.5m,de?
tection distance:4000
m)图6 不同视场光斑能量集中度曲线(目标大小为1.5m,探测距离为4000m)
Fig.6 Geometric encircled energy for different fields
(Diameter of target:1.5m,detection distance:
4000m)
引导激光束和导引镜头,引导激光发射平台与目标之间不同的距离,导引头接收到的激光回波光斑大小也将发生变化,本系统要求有效目标大小1.5~2.4m、有效探测距离为50m ~4km 范围内均能正常工作。
为了保证远距离、小目标探测时具有足够大的光斑直径,而在近距离、大目标探测时又不至于光斑溢出探测器光敏面,对焦距、离焦量等系统技术指标进行了权衡设计。通过光线追迹,中心视场时目标大小、探测距离对光斑大小的影响如表1所示。
5
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张军强,等:基于四象限探测器的激光导引镜头的研制
表1 中心视场目标大小和探测距离
对光斑大小的影响分析
Tab.1 Effects of target size and detection
distance on spot size
No.Target size/m Detection distance/m Spot size/mm 11.5505.3726 22.4505.5704 31.540005.0480 42.440005.0504
由表1可知:
(1)同一探测距离时,目标大小对光斑直径影响相对较小;
(2)同一目标大小时,探测距离对光斑直径影响较大;
(3)短距离探测时,光斑直径受目标大小的影响较为显著。
本系统线性视场角10°,边缘视场对应的光斑极限位移量为2.1mm,远距离、小目标和近距离、大目标两种极端工况下的光斑余量为: (1)目标大小为1.5m、探测距离为4000m 时,线性视场边缘状态下,光斑中心余量为0.424mm,探测器四个象限均有响应; (2)目标大小为2.4m、探测距离为50m时,线性视场边缘状态下,光斑边缘余量为0.1148mm,光斑相对于探测器感光面无溢出。
综上所述,光斑直径、焦距等系统指标设计合理,能够满足探测需求。
3.3.6 温度变化对光斑大小的影响
由于工作环境的特殊性,温度对导引头光学系统的影响不容忽视。对于非成像的导引头光学系统,一般用不同温度下的点列图反映光斑大小和形状的变化,表2为目标大小为1.5m,探测距离为4000m时,不同温度下的系统点列图变化。
表2 不同温度载荷下系统光斑大小的变化
Tab.2 Spot size of optical system under different temperature
FOV/(°)ΔT=-20℃/mmΔT=0℃/mmΔT=20℃/mm STDEV 05.12825.04804.96780.0802 25.11625.03624.95620.0800 45.13515.05534.97550.0798 65.12735.04774.96810.0796 85.16035.08035.00040.0800 105.17445.09505.01560.0794 STDEV0.02230.02240.0226
由表2可知:
(1)同一温度、不同视场的光斑大小基本一致,最大偏差量小于1%,满足四象限探测对光斑尺寸的要求;
(2)不同温度下,所有视场的光斑大小均发生线性变化,随着温度升高,光斑大小将变小, 20℃温差时变化量在1.5%左右,但并不影响光斑中心在四象限探测器上的坐标位置,满足四象限探测对光斑尺寸的要求。4 激光导引光学镜头的结构设计 本系统为一个中小口径、中等精度、透射式近红外光学系统(如图7所示),为了满足大温差的工作需求,采用线膨胀系数匹配钛合金镜座,保证镜头的温度适应性;镜座之间留有圆形通气孔,满足不同温度、压力条件下的放气需要;镜座内壁采用喷砂、发黑的表面处理工艺,实现杂散光抑制;采用定心车的装配工艺,在满足光学公差的前提下,易于实现批量生产。
674 中国光学 第8卷
图7 光导引头结构设计
Fig.7 Opti?mechanical design of laser seeker
5 样机测试
原理样机研制由洛阳电光设备研究所资助,
在大连欧普迪光电仪器有限公司完成加工、装配后,利用卤钨灯光源、反射式红外平行光管(星点目标板)、高精度转台对系统的线性视场、角度测量精度等关键指标进行了测试。使用宽带光源而非单波长激光光源可使测试更接近实际工作状态,同时检验系统的杂光抑制性能。
首先,调整四象限探测器的像面坐标系与大地坐标系平行,测试水平方向(方位角)的相关性能参数;然后,将镜头沿光轴旋转90°,等效测试竖直方向(俯仰角)的相关性能参数,测试系统如图8所示。鉴于篇幅有限,在此仅列出方位角的测试结果,如图9、图10所示
。
图8 样机性能测试Fig.8 Testing for prototype
图10中,
角度测量误差用实际测量结果相对
图9 线性视场测试结果Fig.9 Results of linear field
testing
图10 角度测量误差测试结果Fig.10 Angle errors of tracking accuracy
于理论计算值的相对差值表示,由图9、图10可知,系统性能满足线性视场±10°、测角精度优于0.2°的指标要求。
6 结 论
根据激光制导的工作原理,分析了基于四象限探测器激光制导镜头的指标需求,完成了光学系统设计和光机结构设计,并利用畸变、点列图、足迹图、能量集中度等指标对系统性能进行了评价,最后通过样机研制和实验室测试,验证了线性视场、角度测量精度等关键技术指标。结果表明,激光导引镜头总视场为±20°、线性视场为±10°、
有效目标大小为1.5~2.4m、有效探测距离为50m ~4m、测角精度优于0.2°,满足设计指标要求。
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作者简介
院
张军强(1981—),男,江苏泰兴人,博士,副研究员,2004年、2007年于吉林大学分别获得学士、硕士学位,2012年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事航空航天光学遥感仪器研制、光机系统整体性能评价等方面的研究工作。E?mail:zjq1981_81@163.
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谢 飞(1984—),男,河南洛阳人,硕士,工程师,2007年于天津大学获得学士学位,2011年于中国航空研究院获得硕士学位,主要从事光电检测、图像处理等方面的研究。E?mail:xiefei0379@icloud.
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薛庆生(1979—),男,山东梁山人,博士,副研究员,硕士生导师,2010年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光学系统设计、航空和航天遥感成像光谱技术及光谱辐射定标等方面的研究。E?mail:qshxue2006@163.
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辛久喜(1984—),男,河北遵化人,学士,工程师,2008年于沈阳航空工业学院获得学士学位,2011年于华南理工大学获得硕士学位,主要从事金属材料、自动控制、机器视觉等方面的研究。E?mail:xin?jiuxi@opti?https://www.wendangku.net/doc/a013555890.html,
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74第3期
张军强,等:基于四象限探测器的激光导引镜头的研制
四象限光电探测器电路的设计方案
四象限光电探测器的电路设计方案 一、原理 四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，如图1。一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位），若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或θ角来。 图1 目标在四象限光电探测器上成像 图2方位探测器原理框图。 信号通过放大和调理后由由A/D转换器（本系统中采用ADS7864）采样转换成数字量送入单片机，由单片机处理后得到目标的方位，并根据实际系统的需要输出方位控制指令。 二、电路设计 根据实际系统的需要，A/D转换器用ADS7864，单片机用最常见的89C51。 这里对ADS7864作一介绍。ADS7864是TI公司生产的12bit高性能模数转换器，片上带2.5V 基准电压源，可用作ADS7864的参考电压。每片ADS7864实际由2个转换速率为500ksps
的ADC构成，每个ADC有3个模拟输入通道，每个通道都有采样保持器，2个ADC组成3对模拟输入端，可同时对其中的1～3对输入信号同时采样保持，然后逐个转换。由于6个通道可以同时采样，很适合用来转换四象限光电探测器的4路光电信号，剩下2个通道作系统扩展用。 *下面主要介绍电路中的信号采样转换和处理部分。 ADS7864前端调理电路 模数转换器的前端调理电路缩放和平移要采样的信号，通过调理后的信号适合A/D转换器的模拟输入要求。图3是ADS7864一个输入通道的前端调理电路， 图3 ADS7864前端调理电路 ADS7864模拟输入通道的+IN和-IN的最大电压输入范围为-0.3V～+5.3V（ADS7864 +5V供电）。图3的电路中使用了2个运放，A1用作跟随器，用来缓冲ADS7864输出的2.5V基准电压源；A2和四个电阻构成了信号调理网络，适当配置R1～R4电阻可以实现对输入信号Vi的缩放和平移以适合ADS7864模拟通道的输入要求。+IN端的输入电压表示如下：
光电探测器列表
紫外探测器：碳化硅（SiC）材质，响应波段200-400nm。应用：火焰探 测和控制、紫外测量、控制杀菌灯光、医疗灯光的控制等。———————————————————————————————————————————— 可见光探测器：硅（Si）材质，响应波段200-1100nm。有室温、热电制 冷两种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。主要用在测温、 激光测量、激光检测、光通信等领域。 ———————————————————————————————————————————— 红外探测器（1）：锗（Ge）材质，响应波段0.8-1.8um，有室温、热电制 冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。主要 应用在光学仪表、光纤测温、激光二极管、光学通信、温度传感器等 ———————————————————————————————————————————— 红外探测器（2）：铟钾砷（InGaAs）材质，响应波段0.8-2.6um，波段内 可以进行优化。有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前 放，可以配光纤输出，多种封装形式可选。主要应用在光通信、测温、 气体分析、光谱分析、水分分析、激光检测、激光测量、红外制导等领 域。 ———————————————————————————————————————————— 红外探测器（3）：砷化铟（InAs）材质，响应波段1-3.8um，有室温和热 电制冷两种，可以配内置前放，多种封装形式可选。主要用于激光测量、 光谱分析、红外检测、激光检测等领域。
红外探测器（4）：锑化铟（InSb）材质，响应波段2-6um，液氮制冷， 可以带内置前放，多种封装形式可选。主要应用在光谱测量、气体分析、 激光检测、激光测量、红外制导等领域。———————————————————————————————————————————— 红外探测器（5）：硫化铅（PbS）材质，响应波段为1-3.5um，有室温和 热电制冷两种，可以带内置前放，多种封装形式可选。主要应用在NDIR 光谱学、光学测温、光谱学、湿气分析，火焰探测、火星探测等。———————————————————————————————————————————— 红外探测器（6）：硒化铅（PbSe）材质，响应波段为1-4.5um，有室温 和热电制冷两种，可以带内置前放，多种封装形式可选。主要应用在 NDIR光谱学、光学测温、光谱学、湿气分析，火焰探测、火星探测等。———————————————————————————————————————————— 红外探测器（7）：碲镉汞（HgCdTe）材质探测器：响应波段2-26um， 可以对不同的波段进行优化，分为光伏型和光导型，探测率高，响应时 间快，有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式可选。———————————————————————————————————————————— 雪崩光电探测器（APD）：主要有硅、锗、铟钾砷三种材质，多种封 装形式可选。主要应用于光通信、遥感技术、功率测量、红外线测量、 温度测量、光通信、光谱仪，激光测距等领域。
光电探测器原理
光电探测器原理及应用 光电探测器种类繁多，原则上讲，只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的，是变光信号为电信号的元件。 光电效应分两类，内光电效应和外光电效应。他们的区别在于，内光电效应 的入射光子并不直接将光电子从光电材料内 部轰击出来，而只是将光电材料内部的光电 子从低能态激发到高能态。于是在低能态留 下一个空位——空穴，而高能态产生一个自 由移动的电子，如图二所示。 硅光电探测器是利用内光电效应的。 由入射光子所激发产生的电子空穴对，称为光生电子空穴对，光生电子空穴对虽然仍在材料内部，但它改变了半导体光电材料的导电性能，如果设法检测出这种性能的改变，就可以探测出光信号的变化。 无论外光电效应或是内光电效应，它们的产生并不取决于入射光强，而取决于入射光波的波长λ或频率ν，这是因为光子能量E只和ν有关： E=hν（1） 式中h为普朗克常数，要产生光电效应，每个光子的能量必须足够大，光波波长越短，频率越高，每个光子所具有的能量hν也就越大。光强只反映了光子数量的多少，并不反映每个光子的能量大小。 目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管，是由半导体材料制作的。 半导体光电探测器是很好的固体元件，主要有光导型，热电型和P—N结型。但在许多应用中，特别是在近几年发展的光纤系统中，光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差；热电型探测器不能获得很高的灵敏度。而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件，是该波长区理想的光接收器件。一、耗尽层光电二极管 在半导体中，电子并不处于单个的分裂 能级中，而是处于能带中，一个能带有许多
四象限探测器光斑中心定位算法研究
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四象限探测器光斑中心定位算法研究 作者：陈梦苇， 杨应平， 贾信庭， 冷芬， CHEN Mengwei， YANG Yingping， JIA Xinting， LENG Fen 作者单位：陈梦苇,杨应平,贾信庭,CHEN Mengwei,YANG Yingping,JIA Xinting(武汉理工大学理学院 武汉430070)， 冷芬,LENG Fen(华为武汉研究所 武汉430074) 刊名： 武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 英文刊名：Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Engineering) 年，卷(期)：2013,37(5) 参考文献(8条) 1.王庆友光电技术 2006 2.杨翠;邹建;刘得志四象限光电探测器定位误差分析[期刊论文]-传感器与微系统 2009(05) 3.匡萃方;冯其波;刘 斌背景光对四象限探测器干扰的研究[期刊论文]-激光与红外 2004(06) 4.张鹏炜;张智诠;谢劲冰一种基于四象限探测器的深孔直线度测量方法的研究[期刊论文]-光学技术 2007(05) 5.徐代升四象限探测系统信号光斑的优化设计[期刊论文]-湖南理工学院学报（自然科学版） 2007(01) 6.马育锋;龚沈光基于MSP430单片机的多路信号采集系统[期刊论文]-武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2009(02) 7.胡贤龙;周世椿几种四象探测器测角算法的分析研究 2007(06) 8.TAN Qianli The application of quadrant photodetector module on laser guidance technol[期刊论文]-Semicondutor Optoelectronics 2005(02) 本文链接：https://www.wendangku.net/doc/a013555890.html,/Periodical_whjtkjdxxb201305051.aspx
四象限探测器在太阳能电池板自动追踪系统中的 应用
四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用 摘要：采用四象限探测器作为前端探测单元,介绍了利用光电技术、电子技术、自动控制技术以及精密的步进系统实现了太阳能板自动跟踪瞄准系统中的四象限探测器的应用设计。 Abstract：Adapt the four quadrant detector as the front detector .Introduced the steeping system based on optoelectronic technology, electronic technology, automatic control technology .Realized the designation of the automatic tracking system of solar panels.
目录 第一章应用背景 (3) 第二章名词解释 (3) 2.1 四象限探测器 (3) 2.2 步进电机 (5) 第三章系统的工作原理 (5) 3.1 系统工作过程 (5) 3.2 传感器工作原理 (6) 3.3 探测器放大器基本原理图 (8) 第四章系统的电路设计 (9) 第五章系统控制程序设计 (10) 第六章问题和缺陷 (11) 第七章结束语 (12)
一、四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用背景： 太阳能热发电和太阳能光伏发电是目前利用太阳能发电的两种主要形式。光热是通过聚光加热介质, 推动燃气轮机做功发电。而光伏发电则通过太阳光照射光电池板将光能直接转化为电能。由于太阳能辐射到地球表面的能量密度比较低, 无论是对于太阳能光伏发电还是太阳能热发电, 能否经济高效利用太阳能的关键在于太阳聚光和跟踪水平的优劣。实验证明在相同条件下, 极轴式太阳能自动跟踪发电的发电量要比固定发电(用太阳能电池板固定朝南安装的方式对太阳能进行采集)提高40% 左右。而采用聚光技术对太阳跟踪又提出了更高的要求.目前主要的跟踪方式是根据地球自转以及GPS进行粗调节，利用光电传感器设计的系统进行精确调节跟踪，本文主要讲述四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用。 二、名词解释 2.1、四象限探测器：是把4个性能完全相同的光伏电池板, 按照直角坐标要求排列而成的光伏探测器件, 它们之间有个十字形沟道相隔,如图I所示，其实物图如图II所示。
四象限位置测量系统设计实验
光电系统设计报告 设计题目：四象限位置测量 系统设计实验 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 设计时间： 2017/12/29
1、设计题方案论证； 实验采用激光器作为光源，四象限探测器作为光电探测接收器，根据电子和差式原理，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，是目前应用最广泛的一种光电定向方式。 光发射电路主要由光源驱动器、光源（主要是半导体光源，包括LED、LD 等）、光功率自动控制电路（APC）等部分组成。用NE555组成的脉冲发生电路来驱动650nm的激光器。 四象限位置测量器是以光导模式工作的光伏探测器件。它利用集成电路光刻技术将一个探测器件光敏面窗口分割成4个面积相等、形状相同、位置对称的区域而形成,4个探测区域具有基本相同的性能参数。作为一种常用的位置敏感器件,当入射光点落在器件感光面的不同位置时,四象限探测器输出不同的电信号,通过对此电信号进行处理,可以确定入射光点在感光面上的位置。四象限光电探测器广泛应用于激光准直、测角、自动跟踪等精密光电检测系统中,通过对光斑中心位置的精确定位来检测位移或偏角的大小。 它利用半导体材料吸收光子能量引起的电子跃迁，将光信号转换为电信号。通常是利用集成光路光刻技术将完整的ＰＮ结光电二极管的光敏面分割成几个具有相同形状和面积、位置对称的区域，每个区域可以看作１个独立的光电探测器，其背面仍为一整片。理想情况下每个区域都具有完全相同的性能参量。 影响四象限光电检测系统工作精度的因素主要包括外围大气环境、目标光斑大小和光斑能量分布以及系统本身采用的算法、器件响应差异和噪声所带来的四象限不均匀性。
【CN110086442A】一种四象限探测器信号放大电路【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910331254.4 (22)申请日 2019.04.24 (71)申请人 南京航星通信技术有限公司 地址 210000 江苏省南京市经济技术开发 区恒园路龙港科技园A1栋901室 (72)发明人 潘运滨 (74)专利代理机构 南京禾易知识产权代理有限 公司 32320 代理人 张松云 (51)Int.Cl. H03F 3/68(2006.01) H03G 9/00(2006.01) (54)发明名称一种四象限探测器信号放大电路(57)摘要本发明涉及一种四象限探测器信号放大电路，包括四象限探测器，还包括与所述四象限探测器依次连接的跨阻放大器、电压放大电路和限幅放大电路，所述四象限探测器的四象限经光电转换后的电流输出信号分别传输至跨阻放大器、电压放大电路和限幅放大电路进行信号放大。首先采用跨阻放大器，通过交流耦合，限制光电二极管的直流噪声，运算放大器正向端电阻用于补偿光电二极管漏电流，与其并联的电容用于消减电阻热噪声，提高信噪比；再通过电压放大电路的反馈网络控制信号的放大倍数，最后通过限幅放大电路，采用宽带高增益限压放大器实现限幅放大并通过反馈网络决定放大倍数，实现高增益 和高带宽的效果。权利要求书2页 说明书4页 附图2页CN 110086442 A 2019.08.02 C N 110086442 A
权 利 要 求 书1/2页CN 110086442 A 1.一种四象限探测器信号放大电路，包括四象限探测器，其特征在于：还包括与所述四象限探测器依次连接的跨阻放大器、电压放大电路和限幅放大电路，所述四象限探测器的四象限经光电转换后的电流输出信号分别传输至跨阻放大器、电压放大电路和限幅放大电路进行信号放大。 2.根据权利要求1所述的四象限探测器信号放大电路，其特征在于：所述跨阻放大器由光电二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻Rf、电容Ci、电容CI、电容C2、电容Cf和运算放大器A1组成，所述四象限探测器的偏置电压输入光电二极管D1的正极，光电二极管D1的负极分别连接电阻R1、电容Ci和电容CI的一端，电容CI的另一端连接运算放大器A1输入端负极，电阻R1、电容Ci的另一端接地，所述电阻R2和电容C3并联后一端连接运算放大器A1输入端正极，另一端接地，所述电阻Rf和电容Cf并联后连接在运算放大器A1输入端负极和输出端的两端，所述运算放大器A1输出端连接电压放大电路。 3.根据权利要求2所述的四象限探测器信号放大电路，其特征在于：所述电压放大电路包括高速运算放大器D2，电阻R12至电阻R15，电容C34至电容C41，所述高速运算放大器D2的型号为ADA4899，所述运算放大器A1的输出端连接高速运算放大器D1输入端正极，高速运算放大器D2输入端正极经电阻R15接地，所述电阻R12、电阻R13和电容C34组成反馈网络电路，电阻R12和电容C34并联后一端连接高速运算放大器D2的反馈端，另一端分别连接电阻R13和高速运算放大器D2的输入端负极，所述电容C38、电容C39、电容C40和电容C41的一端连接运算放大器D2电压端负极，电容C35和电容C36的一端连接运算放大器D2电压端正极和DISB 端，电阻R14的一端连接运算放大器D2输出端，电阻R14、电阻R13、电容C35、电容C36、电容C38至电容C41的另一端接地，所述运算放大器D2输出端经电容C37连接限幅放大电路。 4.根据权利要求1所述的四象限探测器信号放大电路，其特征在于：所述限幅放大电路包括宽带高增益限压放大器U3、电阻R25至电阻R33，电容C61至电容C67和SAM接头，所述宽带高增益限压放大器U3的型号为OPA699，所述电阻R27和电容C62并联后一端连接宽带高增益限压放大器U3输入端负极和电阻R28的一端，另一端连接宽带高增益限压放大器U3输出端，所述电阻R29、电容C65、电容C66和电阻R32的一端连接宽带高增益限压放大器U3电压端负极，所述电阻R32的另一端、电阻R33和电容C67的一端连接宽带高增益限压放大器U3低电位端，所述电阻R25、电阻R26和电容C61的一端连接宽带高增益限压放大器U3高电位端，电阻R26的另一端、电容C63和电容C64的一端连接宽带高增益限压放大器U3电压端正极，宽带高增益限压放大器U3输出端经电阻R30连接SAM接头，所述电阻R31的一端连接电阻R29，电阻R31、电阻R28、电阻R25、电阻R33、电容C61、电容C63至电容C67的另一端接地。 5.根据权利要求2所述的四象限探测器信号放大电路，其特征在于：所述电阻R1为限流电阻，所述电容Ci为寄生输入总电容，电容CI为交流耦合电容，运算放大器A1低频段的噪声电压增益为1+电阻Rf值/电阻R1值，运算放大器A1高频段的噪声电压增益为1+(电容Ci值//电容Cl值)/电容Cf值。 6.根据权利要求1所述的四象限探测器信号放大电路，其特征在于：还包括电源电路和与所述电源电路连接的低噪声稳压电路，用于给信号放大电路提供电源，所述电源电路包括型号为LT1931负输出稳压器和型号为MP1593降压型电源模块，所述负输出稳压器用于将外部12V电源电压转换为-6V电压输出，所述降压型电源模块用于将外部12V电源电压转换为5V电压输出，所述低噪声稳压电路采用型号为Tps7a4700和Tps7a3301的低压降线性稳压 2
四象限变频器技术介绍
四象限变频器技术介绍 浏览9341次 ——初升 摘要：四象限变频器一方面可以实现能量的双向流动，另一方面在大功率运行的时候，对电网的污染小。本文简单介绍了四象限变频器的工作原理及控制方法，并从实际应用的角度，给出四象限变频器各个部分的构成及作用。 关键词：能量回馈电流谐波四象限变频器 1、引言 在上个世纪80年代末，交流变频调速逐渐登上了工业传动调速方式的历史舞台。变频调速在调速范围、调速精度、控制灵活、工作效率、使用方便等方面都有很大的优点，这使变频调速成为最有发展前途的一种交流调速方式。 普通的变频器大都采用二极管整流桥将交流电转化成直流，然后采用IGBT逆变技术将直流转化成电压频率皆可调整的交流电动机。这种变频器只能工作在电动状态，所以称之为两象限变频器。由于两象限变频器采用二极管整流桥，无法实现能量的双向流动，所以没有办法将电机回馈系统的能量送回电网。在一些电动机要回馈能量的应用中，比如电梯，提升，离心机系统，只能在两象限变频器上增加电阻制动单元。将电动机回馈的能量消耗掉。另外，在一些大功率的应用中，二极管整流桥对电网产生严重的谐波污染。 IGBT功率模块可以实现能量的双向流动，如果采用IGBT做整流桥，用高速度、高运算能力的DSP产生PWM控制脉冲。一方面可以调整输入的功率因数，消除对电网的谐波污染，让变频器真正成为“绿色产品”。另一方面可以将电动机回馈产生的能量反送到电网，达到彻底的节能效果。 吉纳电机自2001年开始进行四象限变频器开发和研制工作。到目前已经形成380V、660V两个系列功率等级的成熟的产品和技术，并广泛应用于煤矿和油田领域。 2、四象限变频器的工作原理 四象限变频器的电路原理图如图1所示。
四象限探测系统信号光斑的优化设计
四象限探测系统信号光斑的优化设计 徐代升 （湖南理工学院物理与电子信息系，湖南 岳阳 414006） 摘 要：分析了四象限探测系统角误差形成的原理。深入研究了探测器角误差形成原理与光斑位置、大小和探测器面积的关系，证明光斑半径r 小一些有利于提高误差信号x U 、y U 的测量精度，r 大一些则有利用扩展x U 、y U 的测量线性区。从与误差信号测量误差关联的原理误差及与信噪比SNR 有关系统误差出发，提出了光斑大小优化设计的问题，得出实际设计的光斑大小稍大于探测器有效半径的1/2有助于改善系统性能，并通过相关系统研制稳定性跟踪试验给予验证。 关键词：光电探测；四象限探测器；误差信号；光斑大小 中图分类号：TN929.1 文献标识码：A 文章编号：1672-5298(2007)01-0050-04 Optimal design for signal light spot of detecting systems with quadrant detectors XU Dai-sheng ( Dept. of Physics & Electronic Information, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China ) Abstract ： The relationship between angle errors outputting from a quadrant detector and its area and location, size of light spot was analyzed deeply, which shows that the shorter radius of light spot the better testing precision of angle errors, and the longer radius of light spot the bigger linearity span of angle errors. In terms of the testing error of angle error containing both principle error and systematic error related to SNR , the optimal designed size of light spot helps to improve the performance of detecting systems with quadrant detectors. Key words ： optoelectronic detection ；quadrant detector ；error signal ；size of light spot 在空间卫星光通信ATP 技术[1]、现代原子力显微镜（AFMs ）的悬臂（cantilever ）位置探测[2]、激光准直对中[3]、激光自动跟踪[4][5]、激光制导[6]中广泛采用四象限探测器（QD ）对目标的方位信息进行探测。光学跟踪中普遍采用三大位置传感器实现对目标的定位跟踪[7]，它们是四象限探测器、横向效应光电探测器（Lateral Effect Detectors ）和多元探测器如CCD 。和另外两类探测器相比，采用QD 的优点是高分辨率、刚性好、配套电子线路简单，缺点是它不能分辨是来自目标和背景的反射，而只能探测到探测器光敏面上光强分布的中心，当目标背景对比度不足够高时，这可能导致定位跟踪误差。为了提高探测系统目标方位信息的探测能力，本文依据四象限探测器误差信号的形成原理，深入研究了其与光斑位置、大小和探测器面积的关系，并从与误差信号测量误差关联的原理误差和考虑信噪比SNR 影响的系统误差出发，提出并分析了信号光斑大小优化设计的问题。 1 误差信号形成的基本原理 四象限探测器是把四个性能相同的探测器按照直角坐标的要求排列成四个象限做在同一芯片上，中间有十字形沟道隔开。四象限探测器给出位置误差信号的原理如图1所示。图中R 为四象限探的半径，r 为光斑的半径，x 为水平方向位移，y 为俯仰方向的位移，A 、B 、C 、D 代表QD 光敏面的四个部分（象限），四象限探测器的分界线与直角坐标轴重合。每个象限都 收稿日期：2006-09-30 作者简介：徐代升（1968- ），男，湖南常德人，工学博士，高级工程师。主要研究方向：激光及光电测量技术。 第20卷 第1期 湖南理工学院学报（自然科学版） Vol.20 No.12007年3月 Journal of Hunan Institute of Science and Technology (Natural Sciences) Mar.2007 D C B A Y X (x ,y ) 2r 2R
HXD1C型电力机车四象限整流器工作过程
第43卷第11期时代农机2016年11月V o l.43N o.11TIMES AGRICULTURAL M ACH INERY N o v.2016 HXD1C型电力机车四象限整流器工作过程 尹凤伟 (吉林铁道职业技术学院，吉林吉林132002) 摘要：HXD1C型电力机车交流牵引传动系统主要包括各高压设备、主变压器、牵引变流器、牵引电机及相应控制 系统。其中，牵引变流器是电力机车传动级控制的核心部件，其功能是实现将工频电网中25kV的交流电通过变频变压 控制，变换为适合于交流电力机车运行要求及频率可变的交流电。 关键词：牵引变流器；电力机车；四象限整流器 中图分类号:TM46 文献标识码:A文章编号:2095-980X(2016)l l-0026-01 Working Process of Four Quadrant Rectifier of Rype HXD1C Locomotive YIN Feng-wei (Jilin Railway Vocational and Technical College，Jilin，Jilin132002，China) Abstract:Type HXD1C locomotive ac traction drive system mainly includes high voltage equipment，main transformer，trac-tion converter，traction motor and the corresponding control system.Among them，the traction inverter is the core component of electric locomotive transmission level control，whose function is to realize the25kv ac power grid of power frequency through fre-quency conversion variable pressure control，transformed into alternating current suitable for AC electric locomotive operation re-quirements and variable frequency. Key words:traction converters；electric locomotive；four quadrant rectifier 牵引变流器主电路采用交一直一交结构，由电源侧 整流器和电机侧逆变器两部分组成，中间直流电路采用大容 量支撑电容储能的电压型结构，保证了两侧变流器(整流和逆 变）能够在互不干扰的情况下工作。整流器采用四象限整流 器，有利于提高机车的功率因素，减少谐波电流分量。逆变器 采用单轴控制，当某一轴出现故障时，可以将其隔离，只损失 部分牵引力，有利于机车运用。中间直流回路连接有二次谐振 电路、过压保护电路和接地检测电路等。此外，控制系统还采 用了直接转矩控制技术、再生制动技术、TCN网络技术等先 进的控制技术。 1多重四象限整流电路 牵引变流器的功能和状态参数均由TCU监控和保护。机 车在牵引工况时，变流器将主变压器次边绕组上的单相交流 电转变成驱动牵引电机所需的变压变频三相电。制动工况时，牵引电机处于发电工况，变流器将电机发出的电能反馈给电 网。以第一个主电路单元为例说明变流器主电路的工作原理。牵引变压器牵引绕组a1原x1输人电压首先经由KM4 R1组成的充电回路对直流回路的支撑电容充电，充电完成后闭 合短接接触器KM1牵引工况时单相工频电网电压经四象限 PWM整流器整流为1800V直流电压。再经逆变器逆变为三 相VVVF电压供给牵引电机，再生制动工况时牵引电机发出 的三相电压经整流，逆变后通过牵引变压器，受电弓反馈回电 网，电抗器L1和C3~C8组成二次谐振回路。用于滤除四象限 PW M整流器输出的二次谐波电流RCH1为过压斩波电阻，用于直流回路的过电压抑制R4用于将支撑电容上的电压放 至安全电压以下;R8、R9为直流分压电阻、中点接地，用于变 收稿日期=2016-10-088 作者简介:尹凤伟（1986-)，女，讲师，主要研究方向：电力机车和动车 组。 A代^WI biiisggag^iau-l 流器主电路接地检。 2四象限整流器工作过程 在牵引变流器中，四象限整流器设计成变流器模块的形 式。变流器模块(以下简称模块)集成了 IGBT元件、水冷散热 器、温度传感器、门控单元、门控电源、脉冲分配单元、支撑电 容器、低感母排等部件。模块上IGBT元件之间及与支撑电容 的连接使用低感母排，减少了线路上的杂散电感，省去了吸收 电路，使电路更为简洁可靠。脉冲分配单元与门控单元间的信 号传输通过光纤实现，解决了高压隔离问题，提高了模块的抗 干扰性能。四象限整流器在牵引工况下进行交一直变换，将 来自牵引变压器的单相交流输人电压转换为直流电压，为中 间电路提供电能;在再生制动工况时，通过中间直流电路进行 直— —交变换，将电能回馈电网。 四象限整流器是在牵引工况及制动工况下，电压和电流 间的相位角完全是可调节的。通过对电压和电流间的相位角 控制，能够在全部四象限内工作，从而实现能量的双向流动，如图1所示。 图1四象整流电路图原理 采用IGBT作为开关器件的四象限整流器，由高运算粗 粒能力的DSP产生PWM脉冲进行控制。当电机工作在电动 状态的时候，整流控制单元控制整流侧IGBT的开关和通断。IGBT的开通与断开与输人电抗器共同作用产生了与输人电 压相位一致的正弹性弦电流波形，这样就消（下转第28页 ）
光电探测器的选择
要正确选择光电探测器，首先要对探测器的原理和参数有所了解。 1.光电探测器 光电二极管和普通二极管一样，也是由PN结构成的半导体，也具有单方向导电性，但是在电路中它不作为整流元件，而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。 普通二极管在反向电压工作时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相较大，以便接收入射光。光电二极管在反向电压工作下的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增加到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换为电信号，称为光电传感器件。 2.红外探测器 光电探测器的应用大多集中在红外波段，关于选择红外波段的原因在这里就不再冗余了，需要特别指出的是60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。 红外线根据波长可以分为近红外，中红外和远红外。近红外指波长为—3微米的光波，中红是指3—20微米的光波，远红外是指20—1000微米的波段。但是由于大气对红外线的吸收，只留下三个重要的窗口区，即1—3,3—5和8—14可以让红外辐射通过。因为有这三个窗口，所以可以被应用到很多方面，比如红外夜视，热红外成像等方面。 红外探测器的分类： 按照工作原理可以分为：红外红外探测器，微波红外探测器，玻璃破碎红外测器，振动红外探测器，激光红外探测器，超声波红外探测器，磁控开关红外探测器，开关红外探测器，视频运动检测报警器，声音探测器等。 按照工作方式可以分为：主动式红外探测器和被动式红外探测器。 被动红外探测器是感应人体自身或外界发出的红外线的。主动式红外探测器一般为对射，红外栅栏等，是探测器本身发射红外线。 按照探测范围可以分为：点控红外探测器，线控红外探测器，面控红外探测器，空间防范红外探测器。 点源是探测元是一个点。用于测试温度，气体分析和光谱分析等 线阵是几个点排成一条线。用于光谱分析等 面阵是把很多个点源放在仪器上形成一个面。主要用于成像。 四象限是把一个点源分成四个象限。用于定位和跟踪。
光电探测器设计
中北大学 《光电探测理论与技术》 作业 学院：信息与通信工程学院 方向：动态测试与智能仪器 导师：靳鸿 姓名：李俊萍 学号： s2******* 班级： Y110503 成绩：
学习心得 通过本学期《光电探测理论与技术》课程的学习，使我了解了光电测试系统由光源、光学变换器件、光电转换器件、信号调理电路等模块构成，光电测试术具有精度高、测量范围广、非接触式测量等特点及优点。 本次作业的题目是红外线光电烟雾探测系统设计，我通过查阅相关文献资料，对光电探测电路进行了一定程度的总结。我参考了浦昭光（文献[1]）、曾光宇，张志伟，张存林的《光电检测技术》（文献[2]）、郝晓剑，李仰军的《光电探测技术与应用》（文献[3]）、张国立（文献[4]）、沈建华（文献[5]）、张丽英（文献[6]）等六篇文献资料，学习了光电探测电路的组成，光电转换器件的光电效应（包括外光电效应、内光电效应），了解了光电二极管的结构、特点、使用方法等。 通过本学期的课程学习，以及课程作业的完成，让我对光电探测理论与技术这门课程有了一定的了解，当然是比较浅显的。 谢谢尊敬的周老师！ 学生：李俊萍（s2*******） 2011-8-28
红外线光电烟雾探测系统设计 中北大学信息与通信工程学院 S2*******李俊萍 摘要：光电技术目前已经全面渗透到人类社会生活的各个方面，部分改变着人们的行为模式和生活方式。光电系统在日常生活中有许多应用，在现代化的公共场所和管理部门如收费站、监控中心、隧道以及在其它军用和民用设施中，火灾自动报警系统己成为必不可少的设施。光电感烟探测器具有精度高，寿命长，成本低，生产、安装简单等优点，是火灾探测的主流产品。本文设计了一种红外线光电烟雾探测报警器，首先分析了目前市场上的情况，依据其工作原理对光电系统各个部分进行芯片选择及设计，选用MSP430超低功耗系列单片机作为探测器的微处理器，充分利用单片机的片上资源，设计了AD转换电路，缩小了体积，降低了功耗，提高了系统性能。通过采用功耗低、速度快、低成本的运算放大器LM358，硬件与软件的设计满足了系统的低功耗要求，实现了光电烟雾探测器的基本功能，且功耗低，性能稳定，实用性强。 关键词：光电烟雾探测器；MSP430；低功耗；运算放大器 0 引言 近年来，全球每年发生火灾600～700万起，为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，在现代化的公路交通运营现场和管理部门以及许多场合比如收费站、宾馆、图书馆、机场、仓库等方面，火灾自动探测报警装置成为必不可少的设施。对保障人民生命财产安全，保障社会安定，保障交通事业和其它国民经济各部门的安全运营有着重要的意义。 设计火灾自动探测报警装置时的方案选择主要有：感温探测器、感光探测器和感烟探测器，感温探测器是感受到温度的变化，需要离火源较近的地方，感光探测器需要有明火出现才可以发现火情，感烟探测器是感应到烟雾的出现，相比较而言以及考虑火灾的特点，火灾总是先有烟雾的出现，感烟探测器能更快的检测到灾情，在实际应用中使用较多。感烟探测器又分为离子式和光电式两类。离子型感烟探测器对烟雾的探测响应性能较为均衡，但其主要利用放射源媚241进行工作，存在环保问题，并且不适合在潮湿环境中工作，目前处于逐步淘汰中。光电式对燃烧时的烟雾有较好的响应，全部由电子元器件组成，比较环保，基于以上原因本文设计一种低功耗的光电式烟雾探测器。
光电探测器综述(PD)
光电探测器综述 摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成 度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集 成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。尤其是具有高响应速度，高量 子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需 要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。本文综述了 近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方 向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。 关键词：光电探测器，Si ,CMOS Abstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, high performance, low power consumption and low cost of photoelectric detector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) has become a major new challenge. Especially high response speed ，high quantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector, is not only the needs for development of optical communication technology, but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has the very high research value.This paper reviews the development of different characteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses the photodetector development direction in the next few years,the study of high performance photoelectric detector, the structure, and related technology, manufacturing, has very important practical significance. Key Word: photodetector, Si ,CMOS 一、光电探测器 1.1概念 光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。（光电导效应是指在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化的象。即当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象，光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化，产生光电导效应。）
光电探测器设计报告
光电探测器设计报告 设计人: 摘要：本报告主要叙述本小组设计的基于光电效应的、可用于探测入射光频率的光电探测器的设计原理、设计过程和所期望实现的功能, 以及对此设计产品性能的估计。 一、设计原理 比电效应是我们从中学就开始接触并且学习的知识，原理十分简单，但却有巨人的用处。因此，我们选择这个我们熟知的知识作为基本原理，在它的基础上完成我们所设想的功能。 1.光电效应及其规律 由于我们对光电效应己经有了较为深入的了解，所以对其发现历史不再赘述，这里只叙述一下基本的4条规律。 /I 1可變電源 (1) 每一种金属在产生光电效应时都存在一个极限频率(或称截ll:频率)，即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称作极限波长(或称红限波长)。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。 (2) 光电效应中产生的光电子的速度和动能与光的频率有关，而与光强无关。反应初动能的是截止电压即初动能为 1 , Ehn = =叫
（3）光电效应的瞬时性。实验发现.即儿乎在照到金属时立即产生光电流。响应时间不超过lnso （4）入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间单位面枳内逸出的光电子数冃。在光颜色不变的情况2入射光越强，饱和电流越人，即一定颜色的光，入射光越强, 一定时间内发射的电子数目越多。 2.爱因斯坦光电效应方程 光子能量E = hv?逸出功为W,则由能量守恒町以得到 hv = - mVm + W 乙 实验中 eU a = = hv — W 乙 整理公式即可得到 W e v = T + h Ua 这就是我们想要探测的入射光频率。 二、设计思路 在我们做过许多次的实验电路图中，只要调节町变电源，使得电流表示数为零（即光电流为零），电压表所测得的电压就是我们需要的截止电压了。 但是，电源的调节是于?动的，我们希望自己的产品是自动测量的。因此，我们可以将町变的直流电源变成-个交变电源，总有一个瞬间的电压可以使光电流为零，这时的电压就是我们所需要的截止电压。只需要添加某种电路，使其能够识别光电流为零并且及时做出反应, 触发其他的某些电路或若元件，使其及时记录并且显示截止电压和利用公式计算出的入射光频率即可。 三、设计过程和产品结构 1.总体构想 依据我们的设计思路，我们还需要使用数字电路课程和模拟电路课程中学过的知识。 （1）基本光电效应电路。包含光电符和交变电压源。 （2）施密特触发器电路。由于施密特触发器町以对正弦波做出整形和转换，町以用來检测比电流并且做出反应触发其他电路。 （3）模数转换器。把截止电压的模拟信号转换成数字信号。 （4）模拟运算器。用來将截止电压转换成频率。 （5）译码、显示电路。用來显示截止电压和入射比频率给使用者。 （6）复位、清零按钮。发出清零脉冲使电路复位。 以F是我们此次设计产品的原理图: