阅读说明：本技术 可适应多种光束的四象限探测器标定方法 (Four-quadrant detector calibration method capable of adapting to various light beams ) 是由 钱惟贤 张骏 陈钱 顾国华 任侃 吴春红 彭晓钰 过玲钰 刘泽伟 杨锦清 钱烨 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可适应多种光束的四象限探测器标定方法,具体步骤为：根据入射光的能量分布规律,确定能量分布模型,根据能量分布模型确定白噪声背景光；根据四象限探测器的象限尺寸、盲区宽度、光敏响应度以及白噪声背景光,确定各象限的响应值；利用光斑位置测量算法计算由高斯光斑引起的各象限的输出电压值；根据由高斯光斑引起的各象限的输出电压值,利用四象限定位算法计算光斑质心的实际偏移量,根据光斑质心的实际偏移量确定探测器的测量误差。本发明将探测器盲区宽度加入模型进行计算,使计算精度更高。(The invention discloses a four-quadrant detector calibration method suitable for various light beams, which comprises the following specific steps: determining an energy distribution model according to an energy distribution rule of incident light, and determining white noise background light according to the energy distribution model; determining the response value of each quadrant according to the quadrant size, the dead zone width, the photosensitive responsivity and the white noise background light of the four-quadrant detector; calculating the output voltage value of each quadrant caused by Gaussian light spots by using a light spot position measurement algorithm; and calculating the actual offset of the centroid of the light spot by using a four-quadrant positioning algorithm according to the output voltage value of each quadrant caused by the Gaussian light spot, and determining the measurement error of the detector according to the actual offset of the centroid of the light spot. The invention adds the width of the dead zone of the detector into the model for calculation, so that the calculation precision is higher.)

可适应多种光束的四象限探测器标定方法

技术领域

本发明属于光电测量领域，具体为一种可适应多种光束的四象限探测器标定方法。

背景技术

四象限探测器(4-QD)是一种位置敏感器件,具有高灵敏度、高精度、计算简便等优点,被广泛应用于激光制导武器、激光雷达、空间光通信等激光跟踪领域。在对点源目标的跟踪与探测系统中，通常会在成像透镜的焦平面处放置四象限探测器，以测量焦平面处光斑质心的移动从而动态地解算出入射波前的倾斜量。信号光的光子噪声、背景光和探测器本身噪声使得四象限探测器存在跟踪误差；而四象限探测器在制造过程中，需要对探测器的光敏面进行象限分割，因此象限间不可避免地存在盲区(死区)，当跟踪系统用于天文观测或星-地通信等领域时，由于接收到的光能量大部分需用于成像系统，因而探测器大都工作在光子技术模式下，此时盲区对焦平面光斑形状的改变和能量遮挡都会影响到四象限探测器的灵敏度和探测精度，同时在长波红外波段，由碲镉汞材料制作的四象限探测器由于材料面小，常需要用拼接的方式组成足够大的光敏面，此时的盲区面积则更加不可忽略；传统的四象限探测器解算方法的原理是建立在光斑的形状和半径是一个较理想的能量均匀分布的圆形光斑的基础上，其优势在于计算简便，便于应用在动态测量系统中。

实际情况中光斑的能量分布通常呈高斯分布，而且形状并不都是圆形，而在实际的测量情况中，光斑的形状和光强分布都会影响探测器的测量精度。传统的光斑能量分布模型仅能描述理想的圆形高斯光斑，而对于椭圆形的高斯光斑，传统的各象限的响应情况和测量算法的解算误差则不能够精准的描述。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种可适应多种光束的四象限探测器标定的方法。

实现本发明的技术解决方案为：一种可适应多种光束的四象限探测器标定的方法，具体步骤为：一种可适应多种光束的四象限探测器标定方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1、根据入射光的能量分布规律，确定能量分布模型，根据能量分布模型确定白噪声背景光；

步骤2、根据四象限探测器的象限尺寸、盲区宽度、光敏响应度以及白噪声背景光，确定各象限的响应值；

步骤3、利用光斑位置测量算法计算由高斯光斑引起的各象限的输出电压值；

步骤4、根据由高斯光斑引起的各象限的输出电压值，利用四象限定位算法计算光斑质心的实际偏移量，将光斑质心的实际偏移量与光斑质心移动量实际值作差确定探测器的测量误差。

优选地，步骤1确定的能量分布模型为：

式中，E_A(x_c，y_c)、E_B(x_c，y_c)、E_C(x_c，y_c)、E_D(x_c，y_c)分别表示各个象限受到的光照强度，E_Elliptical(x,y)表示椭圆光斑光强，E_Noise为背景光造成的白噪声光强，R为4-QD光敏面各象限的边长，G表示象限间盲区的半宽度。

优选地，椭圆光斑光强E_Elliptical(x,y)具体为：

式中A₀为光束的中心光强，x_c和y_c分别为光斑中心相对探测器中心在x方向上的偏移和y方向上的偏移，r_x和r_y分别为椭圆光斑长轴和短轴的半径，θ为光斑绕质心旋转的角度，E_Noise为背景光造成的白噪声光强。

优选地，步骤2确定的各象限的响应值具体为：

式中，U_Noisei为各象限的背景光噪声和探测器本身噪声引起电压信号的强度，U_Noise为背景光噪声和探测器本身噪声引起电压信号的强度，ρ为探测器光敏响应度。

优选地，步骤3利用光斑位置测量算法计算的由高斯光斑引起的各象限的输出电压值具体为：

式中，U_A、U_B、U_C、U_D分别表示由高斯光斑引起的各象限的输出电压值， A₀为光束的中心光强，R为4-QD光敏面各象限的边长，G表示象限间盲区的半宽度,U_Noise为背景光噪声和探测器本身噪声引起电压信号的强度。

优选地，步骤4中光斑质心的实际偏移量为：

式中，k为包涵了4-QD光响应度、电流-电压转换系数的比例系数

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明将探测器盲区宽度加入模型进行计算，使计算精度更高；本发明的误差模型在实际应用中能够更好地对探测系统中的入射光进行拟合和描述，且对探测器的响应情况计算的更加精确，能够在多种场合和情况下对探测系统的测量误差进行计算。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为四象限探测器的感光表面的结构和光强分布示意图。

图3为光斑能量分布以及残差示意图。

图4为探测器各象限的输出电压值与各象限的实际输出电压值示意图。

具体实施方式

本发明对光斑能量分布函数进行优化，使其推广到能够适应带有倾斜的椭圆高斯分布的光斑，并将探测器盲区宽度加入模型中，从而能够对四象限探测器各象限的输出值进行计算，并分析定位算法的计算误差。

如图1、2所示，一种可适应多种光束的四象限探测器标定方法，具体步骤为：

步骤1、根据入射光的能量分布规律，确定能量分布模型，根据能量分布模型确定白噪声背景光，具体方法为：

在分析探测器光敏面的光能分布时，利用公式(1)对入射光的光强分布进行标定：

其中：x_θ＝(x-x_c)cos θ+(y-y_c)sin θ，y_θ＝-(x-x_c)sin θ+ (y-y_c)cos θ。E_Elliptical(x,y)表示椭圆光斑光强，A₀为光束的中心光强，x_c和y_c分别为光斑中心相对探测器中心在水平(x)和垂直(y)方向上的偏移，R为4-QD 光敏面各象限的边长，r_x和r_y分别为椭圆光斑长轴和短轴的半径，θ为光斑绕质心旋转的角度，E_Noise为背景光造成的白噪声光强。对于圆形高斯光斑，仍可用以上模型表示，此时长轴r_x与短轴r_y相等。

根据标定所得的光斑能量分布参数，结合四象限探测器的象限宽度，并且将探测器光敏面的盲区宽度考虑在内，则能够推导出四象限探测器的各象限受到的光照强度模型为：

其中，R为4-QD光敏面各象限的边长，G为象限间沟道的半宽度。

步骤2、根据四象限探测器的象限尺寸、盲区宽度、光敏响应度以及白噪声背景光，确定各象限的响应值，具体方法为：

在某些实施例中，应用场景中的背景光为白噪声背景光，则此时探测器各象限的噪声对探测器输出的响应情况为：

其中，U_NoiseA,B,C,D分别为各象限的背景光噪声和探测器本身噪声引起电压信号的强度，U_Noise为背景光噪声和探测器本身噪声引起电压信号的强度，ρ为探测器光敏响应度。

步骤3、利用光斑位置测量算法计算由高斯光斑引起的各象限的输出电压值，具体为：

根据步骤2得到的各象限的响应值，确定白噪声背景光造成的各象限噪声的电压在数值上基本相同。

此时由高斯光斑引起的各象限的输出电压值，即由高斯光斑引起的各象限的输出电压值为：

式中，U_A、U_B、U_C、U_D分别表示由高斯光斑引起的各象限的输出电压值， A₀为光束的中心光强，R为4-QD光敏面各象限的边长，G表示象限间盲区的半宽度,U_Noise为背景光噪声和探测器本身噪声引起电压信号的强度。

步骤4、根据由高斯光斑引起的各象限的输出电压值，利用四象限定位算法计算光斑质心的实际偏移量，将光斑质心的实际偏移量与光斑质心移动量实际值作差确定探测器的测量误差。具体为：

将由高斯光斑引起的各象限的输出电压值代入四象限定位算法，计算光斑质心的实际偏移量(x_c,y_c)，根据光斑质心的实际偏移量(x_c,y_c)确定由高斯光斑引起的各象限的输出电压值(Δx,Δy)的误差，其中，光斑质心的实际偏移量(x_c,y_c)为：

式中，k为包涵了4-QD光响应度、电流-电压转换系数的比例系数。

本发明能够对造成四象限探测器出现测量误差的多种因素进行分析。因此，在实际应用中能够更好地对探测系统中的入射光进行拟合和描述，且对探测器的响应情况计算的更加精确，能够在多种场合和情况下对探测系统的测量误差进行计算。

实施例1

(1)光强分布模型的验证与对比分析：本实施例首先验证光强分布模型的正确性。采用两种激光器，其光源形状分别为椭圆形和圆形，各自利用式(1)，结合光束质量分析仪所获得的光斑能量分布数据，如图3(a)、(d)、(g)，拟合出光能分布模型的各项参数，将模型还原的光斑分布图像，如图3(b)、(e)、(i)，与光斑图像对比，得出残差，如图3(c)、(f)、(j)。a)d)表示光源实际形成的椭圆形光斑，g)表示光源实际形成的圆形光斑，b)表示通过常用的圆形模型还原的光斑能量分布，e)i)表示通过本文的椭圆形模型还原的光斑能量分布，c)f)j) 分别为实际光斑与还原光斑图像的残差。由此可见，对于能量呈高斯分布的光斑，无论是椭圆或圆形高斯分布，都能够利用模型(式1)对其进行较准确地描述。由此说明，对于实际情况中常出现的椭圆高斯光斑，可由本发明得出更好的拟合结果。

(2)象限响应模型的验证与分析：在对光斑能量分布的各项参数进行标定之后，在实验的过程中，四象限探测器垂直于光轴沿水平或垂直方向移动，每次沿x轴移动0.2*R(R表示探测器半径)的距离，沿y轴移动0.1*R的距离，并记录各象限的输出电压，然后继续移动探测器，直到光斑质心基本移出探测器的光敏面为止。试验共分三组，每组利用变焦镜头调整光斑的能量分布参数，使红、绿、蓝三组所测量的光斑半径逐渐增大。

然后，将获取的光斑参数，结合探测器的固有参数(盲区宽度、象限宽度、光敏响应度和电路的电流-电压转换系数)，并带入公式(4)，计算出该探测器各象限的输出电压值，并将其与各象限的实际输出电压值进行对比，其结果分别如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别表示各象限输出电压的测量值(即实际值)和当前模型及常用模型计算值，(e)、(f)分别表示x轴和y轴方向质心移动量的实际值和在本模型中的计算值，(g)、(h)分别表示x轴和y轴方向上，本文模型及常用模型的计算结果与质心移动量实际值的误差。

可以看出，本发明的计算值与实际测量值几乎完全吻合，相比常用模型误差更精确。

再将由模型得出的各象限输出值带入式(5)计算光斑质心沿x轴与y轴的移动量，并且也与实际质心的移动量进行对比，其结果分别如图4(e)、(f)。在x轴和y轴方向上，将本发明及常用模型的计算结果与质心移动量实际值作差，所得的误差大小如图4(g)、(h)所示。显然，本发明误差相对常用模型误差更小。