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3分鐘了解光電探測(cè)器
光電探測(cè)器件是激光測(cè)向技術(shù)的核心器件，常用的光電探測(cè)器主要包括：電流/電壓信號(hào)傳感器和圖像傳感器兩類。電流/電壓信號(hào)傳感器是將光能量轉(zhuǎn)化為電流或電壓進(jìn)行處理，而圖像傳感器可將光能量進(jìn)行積分，再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行處理，二者都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。目前，激光測(cè)向技術(shù)主要采用 3 種探測(cè)器件：CCD（charge coupleddevice）、PSD（position sensitive device）和 QD（quad-rant detector）。其中 CCD 多用在圖像傳感器測(cè)向技術(shù)；PSD 多用于激光自準(zhǔn)直測(cè)向技術(shù)；QD 多用于高精度快速定位激光測(cè)向技術(shù)。
一、電荷耦合器件（CCD）
CCD 成像技術(shù)是從 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來(lái)的，目前的技術(shù)已發(fā)展的相當(dāng)成熟。CCD 具有以下特點(diǎn)：性能穩(wěn)定、靈敏度高、噪聲低、功耗小、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快，且 CCD 有理想的線性特性，只要能保證它提取出來(lái)的目標(biāo)信息是準(zhǔn)確的，就能計(jì)算出目標(biāo)角度。
圖1 CCD 成像器件示意圖
圖1 為CCD 成像器件示意圖?；?CCD 的測(cè)向技術(shù)一般多用于二維空間對(duì)目標(biāo)的方位角進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，例如，在被測(cè)平面上附上二維衍射型光柵，通過(guò) CCD 的讀數(shù)來(lái)確定衍射圖像的變化，對(duì)條紋的移動(dòng)進(jìn)行分析，可以測(cè)得被測(cè)平面的角度變化，該方法的準(zhǔn)確度可以達(dá)到 0.4"， 測(cè)量范圍有1300 弧秒。天津大學(xué)與航天部合作研制的 TJDX-93 雙坐標(biāo)光電自準(zhǔn)直儀，以 CCD 實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量，分辨率達(dá)到 0.1"。
CCD 可獲取目標(biāo)的圖像信息，通過(guò)圖像處理獲取目標(biāo)的幾何中心或某一部分圖像的角度信息，但其圖像的獲取是通過(guò)電荷的累積積分來(lái)完成的，積分時(shí)間將會(huì)影響對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)，特別是高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量精度，同時(shí)幀頻也不會(huì)很高。當(dāng)不同像素間對(duì)信號(hào)響應(yīng)不一致時(shí)，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置的測(cè)量精度影響將很大，并且其驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，制造工藝也較為復(fù)雜。所以，CCD 不能作為理想的動(dòng)態(tài)測(cè)向探測(cè)器。
二、位置敏感探測(cè)器（PSD）
PSD 是一種光電位置敏感器件，它是利用半導(dǎo)體橫向光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)定位的。PSD 的基本特點(diǎn)有：
（1）PSD 有完整的光敏面，是一種無(wú)盲區(qū)的連續(xù)性器件，與象限探測(cè)器相比，可以連續(xù)的測(cè)得位移信號(hào)；
（2）光斑中心定位對(duì)光斑的形狀和能量分布無(wú)要求，在強(qiáng)背景光干擾條件下，可采用不同的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)；
（3）PSD 角度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信噪比較高。
圖 2 PSD 探測(cè)器件示意圖
PSD 通常用在激光自準(zhǔn)直系統(tǒng)中，用于測(cè)量動(dòng)態(tài)角度的變化。圖2 所示是PSD 探測(cè)器件示意圖。
圖3 PSD 測(cè)向原理示意圖
圖3 所示是PSD 用于激光自準(zhǔn)直技術(shù)的原理示意圖。激光束經(jīng)過(guò)反射鏡M 的反射，由光學(xué)系統(tǒng)聚焦到PSD 的感光面，當(dāng)反射鏡M 轉(zhuǎn)動(dòng)α 角度時(shí)，PSD 光敏面的光點(diǎn)也在產(chǎn)生位置移動(dòng)。從原點(diǎn)O 到偏差點(diǎn)P 的距離為h，將其進(jìn)行β 水平方向和γ 垂直方向的分解，可得到角度偏差量為：
其中，f 為自準(zhǔn)直系統(tǒng)的焦距。利用PSD 進(jìn)行測(cè)向，可得到測(cè)向精度在1 mrad 左右。PSD 的主要缺點(diǎn)在于：
（1）其內(nèi)部的結(jié)電容分布不均勻，制作PSD 的N區(qū)材料不均勻，且電極大小、形狀不一致；
（2）邊緣處線性度比較差；
（3）PSD 獲取目標(biāo)的位置是通過(guò)對(duì)光斑能量中心的定位，若目標(biāo)距離PSD 的距離很遠(yuǎn)，則PSD 不能準(zhǔn)確定位；
（4）PSD 探測(cè)靈敏度和探測(cè)響應(yīng)度一般較低，且測(cè)量頻率不高。
因此，PSD 通常用于近距離的激光自準(zhǔn)直系統(tǒng)中，在高精度遠(yuǎn)距離跟蹤系統(tǒng)中，PSD 不是。
三、四象限探測(cè)器（QD）
QD 是一種光伏型半導(dǎo)體探測(cè)器件，能夠產(chǎn)生連續(xù)電信號(hào)，可形成連續(xù)的位置偏差量。QD 的光敏面是由四個(gè)探測(cè)區(qū)域組合到一起的光電探測(cè)面組成，通常做成圓形，光敏面的四個(gè)探測(cè)區(qū)域從外部的形狀到內(nèi)部的性能參數(shù)在理論上是一樣的，四個(gè)區(qū)域之間通過(guò)十字交叉的死區(qū)分隔。圖4所示為四象限探測(cè)器示意圖。
圖 4 四象限探測(cè)器示意圖
與CCD 和PSD 相比，QD 的噪聲小，探測(cè)靈敏度高，響應(yīng)速度快，分辨率高，各個(gè)象限輸出連續(xù)信號(hào)，處理電路設(shè)計(jì)靈活，便于高精度的快速測(cè)量。目前，基于QD 的激光測(cè)向技術(shù)主要用于對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行高精度的定位，如激光制導(dǎo)、激光準(zhǔn)直、激光對(duì)接、激光偵察以及激光主動(dòng)跟蹤等相關(guān)領(lǐng)域。
美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的導(dǎo)引頭所采用的就是四象限APD（雪崩光電二極管），其束散角為15 mrad。在空間光通信APT 系統(tǒng)中，歐洲航天署及其合作公司利用QD 對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，系統(tǒng)可達(dá)到±200°的搜索范圍，跟蹤定位精度小于2 mrad。中科院光電所研制的電子動(dòng)態(tài)自準(zhǔn)直儀采用四象限探測(cè)器作為探測(cè)元件，其分辨率可達(dá)0.1"，測(cè)量范圍為±300"。國(guó)外使用QD 測(cè)向技術(shù)對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)跟蹤，已成功的運(yùn)用在PATS，EOTS-F 等系統(tǒng)中，其外場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)獲得了較高的精度。
目前，利用QD 進(jìn)行角度測(cè)量還存在一些不足，主要是死區(qū)的限制以及測(cè)向精度受光斑漂移和大氣環(huán)境的影響較大，有分析指出，若能合理的選擇器件參數(shù)，并選擇穩(wěn)定的大氣環(huán)境，其測(cè)向精度能達(dá)到2＂。
四、結(jié)論
通過(guò)對(duì)上述三種器件性能的比較，得出以下結(jié)論：PSD 雖然性能可靠，處理電路簡(jiǎn)單，但是位置分辨率不高、響應(yīng)速度慢、工作線性寬度很窄；CCD 雖然位置分辨率高，但有積分時(shí)間的限制，響應(yīng)速度較慢；相較而言，QD 具有響應(yīng)時(shí)間短、位置分辨率高、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，是較為理想的精密測(cè)向器件，更適合于高精度動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤測(cè)量。
作者：趙英超，宋毅恒
光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
參考來(lái)源：
趙英超, 宋毅恒. 激光測(cè)向器件及其應(yīng)用[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2017, 32(4): 38-40