实验二十一 光电定向实验讲义

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1、实验二十一 光电定向实验光电定向作为光电子检测技术的重要组成部分，是指用光学系统来测定目标的方位，在 实际应用中具有精度高、价格低、便于自动控制和操作方便的特点，因此在光电准直、光电 自动跟踪、光电制导和光电测距等各个技术领域得到了广泛的应用。光电定向方式有扫描式、 调制盘式和四象限式，前两种用于连续信号工作方式，后一种用于脉冲信号工作方式。本光电定向实验装置采用激光器作为光源，四象限探测器作为光电探测接收器，采用目 前应用最广泛的一种光电定向方式现直观，快速定位跟踪目标方位。定向原理由两种方式完 成：1、硬件模拟定向，通过模拟电路进行坐标运算，运算结果通过数字表头进行显示，从 而显示出定向坐

2、标；2、软件数字定向，通过AD转换电路对四个象限的输出数据进行采集处 理，经过单片机运算处理，将数据送至电脑，由上位机软件实时显示定向结果。本实验系统是根据光学雷达和光学制导的原理而设计的，利用其光电系统可以直接、间 接地测定目标的方向。采用650nm激光器做光源，用四象限探测器显示光源方向和强度。学 生可以通过该系统了解四象限定向基本原理，并观测到红外可见光辐射到四象限探测器上的 位置和强度变化。一、实验目的1、了解四象限探测器的工作原理及其特性2、了解并掌握四象限探测器定向原理二、实验内容1、系统组装调试实验2、激光器（650nm）脉冲驱动实验3、四象限探测器输出脉冲信号放大实验4、四象限

3、探测器输出脉冲信号展宽实验（采样保持）5、硬件定向实验 （1）由电阻构成的硬件和差运算电路实验（2）由运算放大器构成的硬件和差运算电路实验（ 3）坐标计算实验三、实验仪器名称数量名称数量1、光电定向实 验仪主机箱1台6、3芯航空插座 连接线1根2、激光器组件1套7、串口连接线1根3、四象限探测器 组件1套8、电源线1根4、2#迭插若干9、20M双踪示波 器1台（可用数字示 波器替代测量脉 宽）5、7芯航空插座 连接线1根四、实验原理发射部分接收部分信号处理电聲A/D转换单片机计算机显示软件定向部分1、系统介绍:光电定向是指用光学系统来测定目标的方位，在实际应用中具有精度高、 价格低、便于自动控

4、制和操作方便的特点，因此在光电准直、光电自动跟踪、光电制导和光 电测距等各个技术领域得到了广泛的应用。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。该系统主要由发射部分，光电探测器，信号处 理电路，A/D转换和单片机，最后通过计算机显示输出。该系统结构框图如图1：电阻求 和网络坐标显示Vy硬件 定向 部分图 1 系统结构框图1）激光器发射部分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

5、冲发生电路来驱动650nm的激光器。2）接收部分接收部分主要由四象限探测器组成。四象限光电探测器是把四个性能完全相同的光电二 极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，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 2。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流信号幅度不相同，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）。光学成像系统 i 1四象限探测器Vx运 算 电 路图 2 目标在四象限光电探测器上成像2、单脉冲定向原理利用单脉冲光信号确定目标方向的原理有以下四种：和差式、

6、对差式、和差比幅式和对 数相减式。y1）和差式 这种定向方式是参考单脉冲雷达原理提出来的。 在图 2 中，光学系统与四象限探测器组成测量目标方位的直角 坐标系。四象限探测器与直角坐标系坐标轴x,y重合，目标（近似圆形的光斑）成像在四象 限探测器上。当目标圆形光斑中心与探测器中心重合时，四个光电 二极管接收到相同的光功率，输出相同大小的电流信号，表示目标 方位坐标为：x = 0, y = 0.当目标圆形光斑中心偏离探测器中心，如图 3，四个光电二极管输出不同大小电流信号，通过对输出电流 图 3 目标成像关系 信号进行处理可以得到光斑中心偏差量xi和片。若光斑半径为r,、八光斑中心坐标为xi和yi

7、为分析方便，认为光斑得到均匀辐射功率，总功率为P。在各象限 1 1，探测器上得到扇形光斑面积是光斑总面积的一部分。若设各象限上的光斑总面积占总光斑面积的百分比为A、B、C、D。则由求扇形面积公式可推得如下关系:(A - B )-G - D )=竺、：1- 兀r X22(X )+ sin-i iX当1时 r即r 2 兀A - B - C + D 沁筠兀rx =竺(A - B - C + D)14同理可得y广宁(A + B-C - D )放大器加法器减法器可见，只要能测出A、B、C、D和r的值就可以求得目标的直角坐标。但是在实际系统 中可以测得的量是各象限的功率信号，若光电二极管的材料是均匀的，则

8、各象限的光功率和 光斑面积成正比，四个探测器的输出信号也与各象限上的光斑面积成正比。如图4，可得输出偏差信号大小为VX = KP(A - B - C + D) Vy = KP(A + B - C - D)对应于xkCA - B - C + D) y = k (A + B - C - D)图 4 和差定向原理式中，匸才KP , K为常数与系统参数有关。v2k（A - C） j2k（B - D ）2）对差式 将图4的坐标系顺时针旋转45o于是得x = x cos45o+y sin45o=211y =-X cos45o+ y sin45o=2113）和差比幅式上述两种情况中输出的坐标信号均与系数k有

9、关。而k又与接收到的目标辐射功率有关。它是随目标距离远近而变化的。这是系统输出电压VX、Vy并不能X11够代表目标的真正坐标。采用下式表示的和差比幅运算可以解决这一问题。x _kQ - B - C + D）_ A - B - C + D3 k（A + B + C + D） A + B + C + Dy kQ + B-C-D）_ A + B-C-Dy3 k（A + B + C + D） A + B + C + D式中不存在k系数。与系统接收到的目标辐射功率的大小无关，所以定向精度很高。4）对数相减式在目标变化很大的情况下，可以采用对数相减式定向方法。坐标信x = lgk（A B ） lgk（C

10、D ）=lg（A B ） lg（C D ）y = lgk（A D ） lgk（C B ）=lg（A D ） lg（C B ）4可见，坐标信号中也不存在系数k,同样消除了接收到的功率变化影响。 当定向误差很小时，可以得到如下近似关系x q A B C + D4y q A+ BC D4 上式就是和差式关系。因此当定向误差很小时，对数相减式实际上就是和差式。采用对 数放大器和相减电路可实现对数相减式。3、信号处理及显示1）硬件定向硬件定向通过硬件电路实现和差式定向原理。通过电阻求和网络和运算放大器实现的减 法电路，将目标位置信号转换成对应的相对坐标值大小的电压信号，最后通过直流电压表头 对电压进行显

11、示。其它三种定向方式的硬件需要自行设计完成。五、注意事项1、探测器象限定义 四象限探测器如上图所示有一三角形标示的为第一象限，按逆时针 排列，依次为第二、第三、第四象限。实验中可自行判断。2、四象限探测器输出放大电路集成在探测器组件内部，组件接口 输出为放大后的信号。3、激光器操作：激光器前自带有准直透镜，可以调节光斑的大小。 当需要调节准值透镜时，调节准直透镜螺纹，使光斑达到满意大小 即可。4、插拔RS232 （串口连接线）接口前，必须切断电源开关。5、除测试环外，勿随意触摸，改动PCB上的器件。6、不要用眼睛直接看激光，以免损伤眼睛。7、四象限Si PIN光电探测器在使用中防止剧烈震动、冲

12、击，以免光窗损坏。六、实验操作1）系统组装调试1、将激光器通过自带螺钉固定在二维平移台上，平移台通过连接轴固定在导轨滑块上面。2、将四象限探测器通过连接轴固定在导轨滑块上面。3、将探测器和面板上探测器输入端通过7 芯航空插座连接线连接。将激光器和面板上激光 器输出端通过 3 芯航空插座连接线连接。接插部分有卡槽对应。4、将展宽电路区的ZK1、ZK2、ZK3、ZK4和DI、DII、Dill、DIV对应用导线连接。打开电 源，调整激光器和四象限探测器高度在同一水平线上，激光光点位置落在四象限探测器中心 上，调节激光器组件前端螺母，使激光器输出光点直径约12mm。5、转动调节四象限探测器，使激光器光

13、点分别落在四个象限，可以观察到面板上对应四个 象限光强（I、II、III、IV）的指示灯分别发光，即对应象限探测到的光强最强的，对应象 限指示发光二极管发光。2）激光器（650nm）脉冲驱动实验1、打开示波器电源，用示波器测量脉冲发生电路的MC输出端输出的脉冲信号。此脉冲信号 通过激光器驱动电路对激光器发出的光进行调制，从而使激光器发出脉冲光。2、W1为频率调节电位器，调节W1,观察频率变化及频率上下限并记录结果。3、W4为脉冲宽度调节电位器，调节W4,可以调节调制脉宽，观察脉宽变化及脉冲宽度上下 限并记录结果。3）四象限探测器输出脉冲信号放大实验1、关闭电源。将探测器和面板上探测器输入端通过

14、7 芯航空插座连接线连接。将激光器和 面板上激光器输出端通过3芯航空插座连接线连接。接插部分有卡槽对应。2、打开实验仪和示波器电源，调整激光器和四象限探测器高度在同一水平线上，激光光点 位置落在四象限探测器中心上，调节激光器组件前端螺母，使激光器输出光点直径约 1 2mm。3、同时用示波器测量MC输出端信号和信号测试区的探测器放大输出信号（FDI、FDII、FDIII、 FDIV）。4、调节脉冲驱动电路频率调节电位器W1,观察探测器放大信号变化，使其放大输出效果最4）四象限探测器输出脉冲信号展宽实验（采样保持）1、关闭电源。将展宽电路区的ZK1、ZK2、ZK3、ZK4和DI、DII、DIII、

15、DIV对应用导线连 接。打开实验仪和示波器电源，调整激光器和四象限探测器高度在同一水平线上，激光光点 位置落在四象限探测器中心上。2、同时用示波器对应测量信号测试区探测器放大输出信号（FDI、FDII、FDIII、FDIV）和 经过峰值保持电路处理之后展宽信号（ZKI、ZKII、ZKIII、ZKIV）。3、调节脉冲驱动电路频率调节电位器W1，观察探测器放大信号变化，使放大输出效果最好。5) 硬件定向实验1、关闭电源。将展宽电路区的ZK1、ZK2、ZK3、ZK4和Al、All、AIII、AIV对应用导线连 接，按颜色对应插入连线即可。打开实验仪和示波器电源，调整激光器和四象限探测器高度 在同一水

16、平线上，激光光点位置落在四象限探测器中心上。2、打开电源，分别测量电阻求和网络输出端1+11、III+IV、I+IV、II+III的输出信号波形, 记录下频率、脉冲和幅度，粗略描绘出波形。分析与输入电压的关系。对应用导线连接。4、打开电源，测量输出端FX、FY的信号波形，记录下频率、脉冲和幅度，粗略描绘出波形。 分析与输入电压关系。5、打开电源，读取显示值并记录，即为横纵坐标相对值。6、通过二维平移台调节激光器光点位置，对应坐标轴，观察并记录电压表显示变化。7、关闭电源，拆除所有连线，结束实验。七、实验思考题1 根据实验中的体会试分析影响定向精度的因素有哪些？2 电阻求和网络得出的求和值并不等

17、于输入信号直接相加值，试分析原因。 八、实验测试点说明缩写定义缩写定义MC激光器脉冲驱动信号I+II电阻求和网络输出信号GND地III+VI电阻求和网络输出信号FDI第一象限输出放大信号I+IV电阻求和网络输出信号FDII第二象限输出放大信号II+III电阻求和网络输出信号FDIII第三象限输出放大信号A1减法电路输入FDIV第四象限输出放大信号B1减法电路输入ZKI第一象限展宽后信号A2减法电路输入ZKII第二象限展宽后信号B2减法电路输入ZKIII第三象限展宽后信号FX减法电路输出ZKIV第四象限展宽后信号FY减法电路输出AI电阻求和网络输入信号Ux滤波输出AII电阻求和网络输入信号Uy滤波输出AIII电阻求和网络输入信号+坐标显示输入AIV电阻求和网络输入信号坐标显示输入