位置敏感探测器综合实验仪的研制

在研究了位置敏感探测器光斑中心定位理论的基础上,研发了用于学生实验的位置敏感探测器综合实验仪.该实验装置采用硬件和软件2种光斑中心定位方式,能够实现简单、直观、快速、准确的光斑定位与测量.     

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.     

一维位置敏感探测器位置准确度和线性度的改进

在常规的条状一维位置敏感探测器（PSD）中,光敏区和位置电阻区是结合在一起的,器件的欧姆接触电极难以做得比较理想,因此器件的位置准确度和线性度也受到了不利的影响。而在梳状一维位置敏感探测器中,光敏区和位置电阻区被分成了梳齿区和梳脊区两部分,并且位置电阻区被设计成很窄的长条,即使掺杂浓度比较高,位置电阻也能做得相当大。这样条状一维位置敏感探测器接触电极上的缺陷就可消除。用两种不同的一维位置敏感探测器所测量的位置特性曲线证实了理论分析的正确性。测量结果还表明,梳状一维位置敏感探测器的位置准确度和线性度比条状一维位置敏感探测器有了显著的提高,梳状一维位置敏感探测器的平均位置误差从条状一维位置敏感探测器的55μm减小到了26μm,梳状一维位置敏感探测器的均方根非线性度从条状一维位置敏感探测器的0．94％减小到了0．09％。     

基于可见光通信的室内两点定位算法研究

针对可见光通信中基于接收信号强度的三边定位法在实际中难以应用的现状,提出一种基于可见光通信的室内两点定位模型,只需2个LED,能够克服定位需要多灯环境的限制,同时定位接收端结构简单,不需以往研究中的复杂设计,只在平面上配置3个光电探测器即可。利用收发两端的位置关系计算坐标的可能解,以光电探测器组合成的三角形具有相对位置不变的性质作为判据,判断出真实坐标完成单点定位,最后进行加权定位提升鲁棒性。不降噪处理时,大小适中的接收端在5m×3m×3m的室内环境中,55%以上区域的定位精度在25cm以内,同时能够有效克服接收端水平旋转或上下抖动对定位效果的影响,具备实际应用价值。     

一维丝室气体探测器衍射像差的修正方法研究

一维位置灵敏单丝气体探测器采用单根镀金钨丝和200根阴极感应条的探测结构, X射线在阳极丝上产生的信号被多个阴极条感应, 利用重心法得到X射线的原初电离点的位置信息, 位置分辨率达到160 μm(半高全宽). 在同步辐射衍射实验中, X射线通过样品后会形成不同大小的衍射环, 本实验中测量得到11.148°和14.201°的两组衍射角位置信息; 通过平行移动一维探测器在衍射环范围内多次扫描, 可以重建得到二维衍射环. 由于一维探测器的气体厚度和入射窗宽度会给测量结果带来像差, 分析发现像差的影响大于一维探测器的位置分辨. 基于相应的物理分析对测量到的衍射位置进行修正, 修正后的衍射位置相比修正前的衍射位置的相对像差最大改善达到7%, 该方法实现了无像差二维衍射环的重建.     

利用照度测距圆重叠区重心估计的可见光室内定位方法研究

基于点光源照度函数测距原理,提出了一种利用相对照度测距圆重叠区重心估计的定位方法。通过探测器与光源投影点的照度比来测量探测器与光源投影点之间的距离,并建立以投影点为圆心的测距圆方程;将三测距圆的公共重叠区域的重心作为探测器位置的估计值,求出该公共重叠区域重心位置即可实现定位;实验中以LED模拟点光源,采用所提出的方法,定位误差约为3.51cm。实验验证了本方法可实现快速、精确地室内定位。     

水下分离式运载器空间间接定位算法建模

 提出分离式水面探测器与其载体——水下运载器在动态基准条件下的空间间接定位算法。通过对解脱点处的大地直角坐标系、水下运载器坐标系、分离式水面探测器坐标系间的平移、旋转变换,及基于直线加速度计的二次积分位移矢量运算,推导出水下运载器与分离式水面探测器在动态基准下空间间接定位算法的数学解析模型。仿真表明：该模型能真实反映分离后的水下运载器在分离式水面探测器位置处大地直角坐标系中的空间位置关系。     

枕型二维位置敏感探测器的研制

证明了枕型二维位置敏感探测器设计的基本原理———Gear定理,并推导了适用于枕型二维位置敏感探测器的位置计算公式,此外还提出了枕型二维位置敏感探测器的制作工艺和测试结果。采用集成电路工艺所研制的枕型二维位置敏感探测器(光敏面为8 mm×8 mm)表现出良好的光电特性,当反偏为5 V时其暗电流约为15 nA,峰值时的光谱灵敏度超过了0.6 A/W。在所测量的 75%光敏区域内,均方根位置误差约为 0.135 mm,而以均方根位置误差表示的非线性度在1.1%左右,比四边形二维位置敏感探测器的位置线性度提高了近一个数量级。     

激光告警中近红外焦平面阵列探测器成像技术研究

为了提高激光探测的方位分辨率,实现对来袭激光的准确定位,选用了FPA-320x256-C型InGaAs焦平面阵列探测器作为光栅衍射型激光告警装置的核心元件。介绍了基于光栅衍射的激光波长和方向探测原理,在分析了探测器性能及参数的基础上设计了驱动电路。探测器在FPGA时序的控制下,输出模拟量通过高速AD进行采集,数据经缓存后存储在FPGA外扩的SRAM中,然后通过USB传送至PC机。上位机Labview采集原始数据,处理并显示。利用上述方法,完成了成像实验,采用波长为1 550和980 nm的激光器从不同角度进行入射,对探测得到的衍射图像进行分析,判断出零级和一级的位置,根据光栅衍射理论,计算出相应波长和二维方向入射角,结果显示波长误差小于10 nm,入射角误差小于1°。     

基于光子晶体的一维位置敏感探测器

位置敏感探测器（PSD）是基于半导体的横向光电效应的光电转换器件。根据横向光电效应的原理,增强光生载流子的寿命可提高光生载流子的扩散长度,从而实现横向光电效应的增强。利用缺陷和完整光子晶体设计了一维位置敏感探测器,并用传输矩阵法计算了缺陷光子晶体的透射率和完整光子晶体的反射率。从所设计的位置敏感探测器对入射光的响应理论研究表明,提高缺陷光子晶体的透射率和完整光子晶体的反射率可提高光生载流子的寿命,从而实现增强位置敏感探测器的横向光电效应。     

PSD位置响应特性与光源照射方式的关系研究

推导出在四边形二维PSD光源静止照射和连续扫描照射下的位置响应特性理论解,比较两种光源照射方式下引起相对位置变化,讨论了光源扫描速度对探测光入射位置信息的影响,得出结论:在两种光源照射方式下,二维PSD探测光入射位置存在严重的非线性,但是响应时间比一维PSD短。光源扫描速度越小,2DPSD探测到的位置误差越小,并且光生电势分布的最大值越小。     

夫琅和费衍射颗粒粒度测量中的改进Chin-Shifrin反演算法

在基于线阵CCD的夫琅和费衍射颗粒粒度测量中,采用Chin-Shifrin积分变换反演算法使得反演的粒度分布出现假峰现象.为解决此问题,提出在该Chin-Shifrin积分变换反演算法中引入矩形窗函数,并在分析颗粒粒径与衍射光强导数最小值之间关系的基础上,确定矩形窗函数中心点位置及左右边界,利用该矩形窗函数对粒度分布进行截断处理,消除虚假峰,提高反演颗粒粒度分布的准确性.分别对两种标准颗粒进行了测量,并对不同算法的反演结果进行了对比.实验结果表明:引入矩形窗函数的改进Chin-Shifrin算法,能够有效排除粒度分布中的多假峰;粒度分布测量相对误差小于3%,重复性小于4%.     

入射光强和背景光对二维光电位置敏感器件干扰的影响

光电位置敏感器件（ＰＳＤ）是一种可直接对其光敏面上的光斑位置进行检测的光电器件，可构成非接触高精度动态测量系统。光电位置敏感器件在使用中的关键问题是如何定量确定入射光强的大小和克服各种背景光干扰，以提高检测的精度和可靠性。根据光电位置敏感器件的原理和光点位置方程，找到有背景光作用于光电位置敏感器件上位置输出的关系及背景光导致的位置误差的实验数据，同时研究入射光强对光电位置敏感器件位置输出误差最小的定量关系。     

杂散光对位置敏感探测器影响的计算机仿真

位置敏感探测器是基于PN结横向光电效应的光电器件,在使用时通常会受到杂散光的影响。以往对PSD受杂散光影响的分析是基于实验或根据PSD的位置计算公式近似分析,不是很精确。基于Lucovsky方程,采用偏微分方程求解软件FiexPDE对二维PSD受杂散光的影响进行了数值仿真。结果表明,对于杂散光的干扰,位置网格图向PSD中心收缩,对于均匀杂散光而言,此收缩是对称的,而对于非均匀杂散光,此收缩是不对称的。该方法可以很方便地对PSD受杂散光的影响进行分析。     

四边型位置敏感探测器位置公式的改进

四边形位置敏感探测器（PSD）的传统位置计算公式不能正确反映实际光斑位置,存在严重的枕形失真,需要进行复杂的修正.基于Lucovsky方程的解析解,提出了改进型的PSD计算公式,结果表明,采用改进型公式可以使用少量数据完成对PSD的非线性修正,极大地提高PSD中央大部区域的线性度.对于1×1 cm2的PSD,在60%光敏面的区域内均方根误差小于3 μm,非线性度小于0.05%,该公式适用于所有的四边形PSD,对于PSD的实际应用具有重要意义.     

二维光电位置敏感器件的非线性修正

根据二维光电位置敏感器件 (PSD)的工作原理 ,分析了影响PSD线性度的主要因素 ,提出了一种用神经网络对PSD进行非线性修正的方法。以PSD的输入输出数据对作为样本训练的神经网络 ,利用神经网络所具有地能够以任意精度逼近非线性函数的能力 ,实现PSD的输出与实际光点位置之间的映射 ,在神经网络的输出端得到线性响应。该方法的优点是不需要很大的数据存储量即可得到很好的修正效果。结果表明 ,修正后的PSD能在较宽的位置范围内输出高线性度的信号     

光电位置敏感器件的非线性分析及应用

阐述光电位置敏感器件（PSD）的结构、特性和工作原理，并根据PSD的原理和特性分析其产生非线性的几种主要因素。导出PSD的输出信号与光强无关的位置方程。设计出一种低温漂高精度的PSD非线性硬件调制电路。分析了插值算法、神经网络优化法以及解析法等对PSD的非线性进行修正的有效性，并对给出的部分实验数据进行了分析。最后对PSD在光学三角法测量、自动检测以及高精度测量中的应用作了进一步的讨论与展望。