指示光源衍射所引起的位置敏感探测器附加定位误差探讨

介绍位置敏感探测器工作原理,分析了其自动取光斑重心的定位机理。概括了位置敏感探测器的各种工作方式,指出了在许多位置敏感探测器的应用场合,光源衍射不可避免,并从理论上分析了因衍射而造成的对位置第三探测器定位的影响,为估算由此造成的定位误差提供了理论依据,同时对工程应用也有一定的参考价值。     

四象限光电探测器实验装置的研究与应用

基于四象限光电探测器光斑中心定位理论,研制了用于学生实验的四象限光电探测器综合实验仪.该实验装置采用硬件和软件两种光电定向方式,能够实现简单、直观、快速、准确的定位跟踪目标.     

采用四象限探测器的光斑中心定位算法

为提高激光发射系统的监测精度,提出了一种基于四象限探测器的光斑中心定位算法,首先采用均匀分布的椭圆模型对光斑进行分析,根据四象限探测器工作原理,通过计算椭圆形光斑在四象限探测器上各对应区域所占面积进而推导光斑中心坐标表达式,然后采用解析几何的方法求取椭圆光斑的长轴与短轴,最后搭建四象限监测系统对算法进行实验验证;结果表明,所提算法能有效提高四象限探测器的光束监测精度,较传统方法精度提高21.3%。     

光斑强度对光电位敏探测器测量准确度的影响

根据位敏探测器的理想定位模型及其信号处理方式,建立了位敏探测器位移测量误差的数学模型,以获得高准确度的位移测量.所建模型显示系统的测量误差随光斑强度增大而减小,随电噪音增大而增大.为了验证理论模型的正确性,以单颗红外发光二级管作为靶标光源,用枕型位敏探测器及其测试电路板在暗室中搭建了实验系统,分别在9组不同光斑强度下对21个位置点进行位移测量实验,相邻两位置点的间距为0.3mm.使用MATLAB的CFTOOL工具对每组测得位移值进行拟合,以均方根误差作为准确度的评价指标,结果表明:位移实验的准确度值与模型计算的准确度值基本符合,准确度随光斑强度变化的趋势完全一致.     

激光束斜入射时光斑能量分布的实验测试

本文提出了一种新型的测量微角位移系统. 结合了二维P S D位置探测器, 通过实验得出光斑中心位置 随角度偏移量的变化关系, 继而得到在实际应用中测量微角位移的方法     

激光位置探测器的角位移测量精度分析

作为激光光斑位置探测器,象限探测器和位敏探测器被广泛应用于激光光斑跟踪、监控、位置检测和定位等领域。对这两种探测器的角位置测量精度进行了探讨,分析了影响精度的主要噪声源,推导出两者的角位移精度表达式,并通过计算进行了模拟。结果显示,两者的测量精度决定于信号的信噪比,且随作用距离的增加而降低;象限探测器的角位移测量精度明显高于位敏探测器。在忽略背景光噪声的情况下,象限探测器的精度约为位敏探测器的40倍。     

应用Multisim研究不同结构二维PSD的线性度

应用电路模拟软件Multisim对四边形结构、方形结构、直角形结构、双面结构位置敏感探测器的线性度进行仿真实验研究,得到了相应的线性网格图,并进行了分析.综合比较这几种不同结构二维位置敏感探测器的线性度.结果表明：四边形电极结构位置敏感探测器的位置误差最大,中央40％光敏区的位置误差约为10.05％,直角型电极结构位置敏感探测器,双面型电极结构位置敏感探测器以及带电阻边框的方形电极结构位置敏感探测器在相应区域的位置误差的误差分别为3.70％,0.29％,0.12％.对计算结果与试验结果进行了比较,表明该方法具有简单直观,参量变化多样性,结果可靠的优点.     

四象限探测器光斑尺寸测量方法的研究

由于四象限探测器具有低噪声、高灵敏度和高带宽的优势,因此被广泛应用于激光光斑跟踪、准直和位置检测等领域。靶面上的光斑尺寸是影响系统性能的重要参数之一。对探测器的光斑位置探测灵敏度指标Sx进行了分析,比较了象限间沟道大小对Sx的影响关系。提出了一种测量光斑半径的方法,该方法利用电控偏转镜扫描探测器靶面,获得位置探测器灵敏度,基于位置探测灵敏度与光斑半径的对应关系,间接测得光斑尺寸。     

无衍射光莫尔条纹的中心定位方法

无衍射光莫尔条纹被广泛应用在精密测量领域中，实现无衍射光莫尔条纹中心的精确定位是高精度测量的关键。通过对无衍射光莫尔条纹图像特征进行分析，提出了一种无衍射光莫尔条纹的中心定位方法。该方法首先根据光强分布特征，提取莫尔条纹图像中两光斑中心局部同心圆区域；然后进行局部同心圆环检测，确定初始圆心集；再对初始圆心集进行聚类分析确定两光斑中心的初始位置；最后删除异常点并迭代求取两光斑中心较精确的位置，实现无衍射光莫尔条纹两光斑中心的定位目的。理论和实验结果表明该方法能快速、准确地同时确定两光斑中心位置，且误差小于1 pixel。     

二维位置灵敏硅探测器的应用研究

对二维位置灵敏硅探测器进行了239Puα源刻度测试,并在弹性散射实验中使用了二维位置灵敏硅探测器.考察了两种定位方法在实验中与测试中的一致性.测量了二维位置灵敏硅探测器的能量分辨率、位置分辨率和位置畸变.对位置畸变进行了定性理论解释.     

基于光斑重心的交锁髓内钉远端定位方法研究

提出基于光斑重心的交锁髓内钉远端定位方法,即用光纤传像束传输照明光、接收并传送交锁髓内钉远端像的光斑到CCD靶面,由计算机接收并计算出光斑重心的方法来测量和定位交锁髓内钉远端锁孔。介绍了交锁髓内钉远端定位检测系统的组成,阐述了基于重心的光斑中心定位算法。该方法用VC++对光斑中心位置进行了精确测量,为了避免二值变换引起的毛刺,先用改进的阈值变换,然后用一种直观的画圆方法把光斑框起来求重心,通过计算交锁髓内钉变形前后其远端锁孔像的重心位置,求出交锁髓内钉远端锁孔的实际位置。实验结果表明：该系统定位精度可以达到0.1mm,满足系统指标要求,且具有较高的稳定性。     

海面大气边界层中聚焦光束漂移各向异性的实验研究

 利用位置敏感型光电倍增管（PSPMT），设计了测量聚焦光束漂移的实验装置。该装置在80 mm的有效探测面内实现了2维位置信号的直接探测，空间分辨率可达1 mm，明显优于四象限探测器和阵列探测器，最高采样频率可达80 kHz，且动态范围很大，优于一般的成像器件。在近海岸海面上5 m处的大气边界层中进行了距离为1 000 m的聚焦激光传输实验。测量结果表明：聚焦光斑的质心漂移具有各向异性，水平方向光斑漂移幅度一般介于5.61 mm和14.83 mm之间，垂直方向光斑漂移幅度介于3.54 mm和7.3 mm之间，两者之比的平均值为1.69；水平方向和垂直方向的光斑漂移功率谱密度（PSD）在低频段也存在差异，垂直方向光斑漂移的PSD比水平方向光斑漂移的PSD下降速率更快。     

光斑缺碎情形下光学天线光轴对准实验研究

针对同时存在方位偏移及俯仰误差的情况,提出了一种适用于捕获、对准与跟踪系统的光斑检测方法.分析了破碎光斑与高斯完整光斑的位置误差;解决了当光束存在漂移、入射光束与天线视轴不平行同时存在而四象限探测器无法分别探测的问题.最后实验验证了本文方法的有效性,提高了检测的准确度.     

THGEM探测器X光斑寻迹和位置分辨实验研究

介绍了一种基于THGEM的X射线光斑寻迹探测器,用于X射线单光子计量技术研究和测量,探测器有效面积200 mm×200 mm,采用128路基于ASIC和FPGA的高速读出电子学,探测器分为中间高分辨区和外围低分辨区两部分,两部分共用一套读出电子学。实验在中国计量科学研究院利用X光机产生的束线,测试光斑位置、光斑精细分布以及探测器的位置分辨。实验结果表明,探测器实现了同时对光斑寻迹和光斑的精细测量,探测器中间高分辨区x方向的位置分辨率为0.63 mm（FWHM）,y方向位置分辨率为0.62mm（FWHM）,探测器各项性能指标均达到了预期目标。This paper introduces the detector of X-ray spot tracing based on the THGEM. It is used for X ray single photon measurement technology research and measurement with an effective area of 200 mm×200 mm. The circuit board has 128 array of high speed readout electronics based on ASIC and FPGA. And it is divided into two parts:the middle area of high sensitive and the peripheral area of low sensitive. The two parts share a set of readout electronics. The experiment tests the position and the fine structure of the beam line produced by X ray machine in National Institute of Metrology. The results of the experimental show that the detector realizes both the spot tracing and the fine structure of the spot. The position resolution is 0.63 mm in x direction and 0.62 mm in y direction in high sensitive of the detector, which achieve the desired goal of preliminary design.     

基于参量下转换自校准辐射基准源原理样机的光机设计

为满足全球气候观测、定量化遥感等超高精度定标需求,研制了基于参量下转换自校准辐射基准源原理样机,设计时充分考虑原理样机模块化、轻量化与集成化.对探测器模块关键部位结构进行静力学分析,结果显示由零件形变导致探测器光敏面位置偏移21μm,探测器光敏面直径为180μm,透镜聚焦的光子光斑直径为16μm,光斑可全部进入探测器光敏面,满足设计需求.用微光相机观察各探测器前光子光斑,结果显示光斑形状规则、大小完整,用单光子探测器采集相关光子,通过符合测量绘制出八通道四对相关光子符合峰,验证了原理样机整机结构设计达到设计目标.     

探测器点阵法测量激光光斑参数的仿真

 仿真分析了用均匀分布的探测器点阵测量激光光斑方法中,探测器灵敏度的线性工作动态范围,灵敏度的一致性差异,点阵间距等参数和光斑质心位置的测量误差,光束总能量的测量误差,以及光斑的分布等。仿真结果表明,当探测器灵敏度的一致性差异小于10％,线性工作范围的动态范围大于30dB,点阵间距小于光斑直径的1/5时,光束总能量的误差小于6％,光斑质心位置的测量误差小于光斑直径的2％,拟合的光斑分布和实际光斑分布比较接近。     

光栅衍射型超广角激光告警系统光斑定位方法

成像光斑中心精确定位是光栅衍射型超广角激光告警系统具有高定向准确度和高波长分辨能力的基础.本文分析了光栅衍射型超广角激光告警系统成像光斑特点.针对随激光入射角增大,系统成像光斑畸变为强度近似高斯分布倾斜光斑的问题,提出一种改进型高斯拟合法计算光斑中心,通过仿真模拟和实验测试研究了新方法的定位性能.模拟结果表明,高斯噪音标准差为0.01情况下,光斑长轴与x轴夹角由0°逐渐增大为90°过程中,本文方法的定位误差平均值小于0.005像素,误差标准差小于0.02像素.实验测试表明,实验图像经帧相减和高斯平滑滤波预处理后,光斑长轴与坐标轴方向一致时,本文方法与高斯拟合法的定位结果非常接近,明显优于灰度重心法.光斑倾斜时,本文方法求得的激光入射方向角的误差均值和标准差明显小于灰度重心法和普通高斯拟法.     

电子自旋弛豫时间测量中电子自旋扩散的影响

在光注入电子自旋包的不同位置进行时间分辨的泵浦-探测实验时,发现电子自旋信息的退化率不同.揭示了电子自旋扩散对准确测量电子自旋弛豫时间的影响,获得了自旋输运动力学方程的解.对该解进行研究发现,电子自旋扩散对电子自旋弛豫时间测量值的影响可以归结为两个含时间的因子,其中一个因子与泵浦光斑中心和探测光斑中心的距离有关,另一个因子与泵浦光斑尺寸有关.提出了自旋弛豫时间测量实验中消除扩散影响的条件:1)泵浦光斑和探测光斑中心重叠;2)泵浦光斑尺寸足够大.结果表明,泵浦光斑尺寸越大,探测光斑中心越接近于泵浦光斑的中心,则扩散对自旋弛豫时间测量值所造成的影响就越小.     

脉冲激光四象限探测器测角不确定性统计分布

针对噪声信号对脉冲激光四象限探测器(QPD)数字式测角算法产生的影响,分析了激光四象限探测器测角不确定性统计分布规律.建立了激光测角电路通道模型和QPD光敏面光斑模型,并根据随机噪声类型和理想信号类型,建立了单通道可测信号模型.考虑到QPD的对称性,对不同的理想信号时域分布类型、光斑总峰值功率、理想信号半峰宽度和等效噪声电压概率密度标准差等四种变量,在θ∈[0,π/4]的范围内通过蒙特卡罗仿真实验方法计算了五个不同光斑中心的QPD测角αy值的统计分布规律.仿真结果表明:测角αy值的统计分布呈正态分布,并被四种变量影响;特别是被单象限信噪比显著影响.光斑中心越靠近坐标轴中心,QPD测角精度越高;光斑中心不在坐标轴中心附近时QPD的测角αy的统计分布均值都小于理想测角值.     

提高CCD在激光三角测距中分辨率的方法

激光三角测距系统的精度主要取决于光斑象在探测器上的定位，用ＣＣＤ摄象机作为探测器时，光斑象的定位精度又取决于ＣＣＤ摄象机的分辨率。通常用光斑的采样灰度质心作为象点的准确位置可将ＣＣＤ的分辨率提高到亚象元级，但这种方法存在其固的的局限，边缘灰度跳变与高频干扰噪音影响。