[发明专利]一种基于四象限探测器的激光光斑位置解算方法

说明书

本发明公开了一种基于四象限探测器的激光光斑位置解算方法，过程为：首先激光光斑能量采用高斯分布模型，推导出探测器输出电压与激光光斑能量间的对应关系，得到光斑位置坐标的关系等式；通过Taylor展开，保留至三次项，得到光斑位置坐标的代数方程；求解代数方程，得到激光光斑中心位置坐标。本发明相比以往的解析方法，考虑了非线性项，具有更高的位置解算精度；相比多项式拟合算法或数据库查询方法，在保证高精度的同时，具有计算速度快、硬件要求低、易于工程实现等优点。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及一种基于四象限探测器的激光光斑位置解算方法。

背景技术

四象限探测器是基于光生伏特效应制作而成的，利用先进的光刻技术，将光电探测器按照笛卡尔坐标系分割成四块形状和面积相同的区域，对应探测器的四个象限。当入射光斑落在四象限探测器的不同位置时，各象限输出不同大小的电信号，通过处理四个象限输出的信号，确定入射光斑在光敏面上的质心位置。四象限探测器具有体积小、光谱范围宽、位置分辨率高、灵敏度高和动态范围宽等特点，被广泛应用于激光制导、空间激光通信、激光准直等精密光电检测系统中。

光束经光学系统后四象限探测器光敏面上形成光斑，当光斑在探测器光敏面移动时，光斑偏离探测器中心，此时四个象限输出的电信号发生变化，通过一定的算法解算光斑位置与四个象限输出的电信号之间的关系，以得到光斑中心的位置坐标。

除四象限探测器本身性能，光斑位置解算方法是影响四象限探测器光斑位置定位精度的重要因素之一。目前光斑位置解算算法有加减算法、对角线算法、Δ/Σ算法、对数算法等。Δ/Σ算法具有最优的灵敏度，但线性范围最差，仅在靠近原点的很小范围内线性良好；对角线算法和对数算法拓展了线性范围，但灵敏度明显下降；与前面三种算法相比，加减算法在灵敏度和线性范围上表现较为均衡；但以上方法均未考虑非线性的影响，导致在非中心区域的位置检测精度低。为此考虑非线性的影响，以提升光斑位置检测精度，多采用多项式拟合、infinite integral拟合算法、composite拟合算法等方法，但这些算法计算量大，但算法大都在数值仿真阶段；而采用数据库查询的方法，需要占用大量的存储空间，且工程应用中程序复杂，对硬件要求高。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种基于四象限探测器的激光光斑位置解算方法，实现在较大范围内具有高的光斑位置检测精度，且算法简单，容易实现。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于四象限探测器的激光光斑位置解算方法，根据四象限探测器各象限的输出电压U_A、U_B、U_C、U_D，以及激光能量分布的束腰半径ω，根据求解公式得到激光光斑中心位置坐标(x,y)。

首先根据四象限探测器输出计算得到的X、Y方向的位置信号σ_x、σ_y，计算公式如公式(1)和公式(2)所示。

通过Taylor展开，并保留至三次项，求解代数方程，得到由位置信号σ_x、σ_y计算激光光斑中心位置坐标(x,y)的公式，如公式(3)和公式(4)所示。

其中为中间变量，ω为事先测定的激光光斑的束腰半径。

(三)有益效果