3分钟了解光电探测器

光电探测器件是激光测向技术的核心器件，常用的光电探测器主要包括：电流/电压信号传感器和图像传感器两类。电流/电压信号传感器是将光能量转化为电流或电压进行处理，而图像传感器可将光能量进行积分，再转化为电信号进行处理，二者都可以实现对角度的动态实时测量。目前，激光测向技术主要采用 3 种探测器件：CCD（charge coupleddevice）、PSD（position sensitive device）和 QD（quad-rant detector）。其中 CCD 多用在图像传感器测向技术；PSD 多用于激光自准直测向技术；QD 多用于高精度快速定位激光测向技术。

 

一、电荷耦合器件（CCD）

 

 

CCD 成像技术是从 20 世纪 70 年代发展起来的，目前的技术已发展的相当成熟。CCD 具有以下特点：性能稳定、灵敏度高、噪声低、功耗小、动态范围大、响应速度快，且 CCD 有理想的线性特性，只要能保证它提取出来的目标信息是准确的，就能计算出目标角度。

 

 

图1 CCD 成像器件示意图

 

图1 为CCD 成像器件示意图。基于 CCD 的测向技术一般多用于二维空间对目标的方位角进行动态测量，例如，在被测平面上附上二维衍射型光栅，通过 CCD 的读数来确定衍射图像的变化，对条纹的移动进行分析，可以测得被测平面的角度变化，该方法的准确度可以达到 0.4"， 测量范围有1300 弧秒。天津大学与航天部合作研制的 TJDX-93 双坐标光电自准直仪，以 CCD 实现角度测量，分辨率达到 0.1"。

 

CCD 可获取目标的图像信息，通过图像处理获取目标的几何中心或某一部分图像的角度信息，但其图像的获取是通过电荷的累积积分来完成的，积分时间将会影响对动态目标，特别是高速运动目标的测量精度，同时帧频也不会很高。当不同像素间对信号响应不一致时，对运动目标位置的测量精度影响将很大，并且其驱动电路复杂，制造工艺也较为复杂。所以，CCD 不能作为理想的动态测向探测器。

 

二、位置敏感探测器（PSD）

 

PSD 是一种光电位置敏感器件，它是利用半导体横向光电效应实现定位的。PSD 的基本特点有：

 

（1）PSD 有完整的光敏面，是一种无盲区的连续性器件，与象限探测器相比，可以连续的测得位移信号；

（2）光斑中心定位对光斑的形状和能量分布无要求，在强背景光干扰条件下，可采用不同的调制技术进行信号检测；

（3）PSD 角度测量系统的结构简单，信噪比较高。

 

 

图 2 PSD 探测器件示意图

 

PSD 通常用在激光自准直系统中，用于测量动态角度的变化。图2 所示是PSD 探测器件示意图。

 

 

图3 PSD 测向原理示意图

 

图3 所示是PSD 用于激光自准直技术的原理示意图。激光束经过反射镜M 的反射，由光学系统聚焦到PSD 的感光面，当反射镜M 转动α 角度时，PSD 光敏面的光点也在产生位置移动。从原点O 到偏差点P 的距离为h，将其进行β 水平方向和γ 垂直方向的分解，可得到角度偏差量为：

 

 

 

其中，f 为自准直系统的焦距。利用PSD 进行测向，可得到测向精度在1 mrad 左右。PSD 的主要缺点在于：

 

（1）其内部的结电容分布不均匀，制作PSD 的N区材料不均匀，且电极大小、形状不一致；

（2）边缘处线性度比较差；

（3）PSD 获取目标的位置是通过对光斑能量中心的定位，若目标距离PSD 的距离很远，则PSD 不能准确定位；

（4）PSD 探测灵敏度和探测响应度一般较低，且测量频率不高。

 

因此，PSD 通常用于近距离的激光自准直系统中，在高精度远距离跟踪系统中，PSD 不是最佳选择。

 

三、四象限探测器（QD）

 

QD 是一种光伏型半导体探测器件，能够产生连续电信号，可形成连续的位置偏差量。QD 的光敏面是由四个探测区域组合到一起的光电探测面组成，通常做成圆形，光敏面的四个探测区域从外部的形状到内部的性能参数在理论上是完全一样的，四个区域之间通过十字交叉的死区分隔。图4所示为四象限探测器示意图。

 

 

图 4 四象限探测器示意图 

 

与CCD 和PSD 相比，QD 的噪声小，探测灵敏度高，响应速度快，分辨率高，各个象限输出连续信号，处理电路设计灵活，便于高精度的快速测量。目前，基于QD 的激光测向技术主要用于对高速运动目标进行高精度的定位，如激光制导、激光准直、激光对接、激光侦察以及激光主动跟踪等相关领域。

 

美国空军实验室设计的导引头所采用的就是四象限APD（雪崩光电二极管），其束散角为15 mrad。在空间光通信APT 系统中，欧洲航天署及其合作公司利用QD 对目标进行跟踪定位，系统可达到±200°的搜索范围，跟踪定位精度小于2 mrad。中科院光电所研制的电子动态自准直仪采用四象限探测器作为探测元件，其分辨率可达0.1"，测量范围为±300"。国外使用QD 测向技术对空间运动目标进行主动跟踪，已成功的运用在PATS，EOTS-F 等系统中，其外场验证试验获得了较高的精度。

 

目前，利用QD 进行角度测量还存在一些不足，主要是死区的限制以及测向精度受光斑漂移和大气环境的影响较大，有分析指出，若能合理的选择器件参数，并选择稳定的大气环境，其测向精度能达到2＂。

 

四、结论

 

通过对上述三种器件性能的比较，得出以下结论：PSD 虽然性能可靠，处理电路简单，但是位置分辨率不高、响应速度慢、工作线性宽度很窄；CCD 虽然位置分辨率高，但有积分时间的限制，响应速度较慢；相较而言，QD 具有响应时间短、位置分辨率高、灵敏度高等优势，是较为理想的精密测向器件，更适合于高精度动态目标的跟踪测量。

 

作者：赵英超，宋毅恒

光电信息控制和安全技术重点实验室

参考来源：

赵英超, 宋毅恒. 激光测向器件及其应用[J]. 光电技术应用, 2017, 32(4): 38-40