專利名稱：四象限光電探測器檢測與應(yīng)用的模型法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電探測領(lǐng)域，涉及對四象限光電探測器光路的建模與特征參數(shù)提取，從而實現(xiàn)無實驗樣本的光路參數(shù)與電信號的對應(yīng)關(guān)系的建立，用于光電探測器質(zhì)檢及探測器的其它應(yīng)用的四象限光電探測器檢測與應(yīng)用的模型法。
信號特征參數(shù)的提取是檢測技術(shù)中的一個重要研究內(nèi)容。四象限光電探測器的輸出電信號中本身不可避免地含有一定量的噪聲，從探測器輸出信號中提取出來的一個特征參數(shù)中可能同時包含好幾個光路參數(shù)的信息，如何從探測器輸出的電信號中提取出有效的特征參數(shù)，使得這些特征參數(shù)所包含的光路參數(shù)交叉耦合小，包含的噪聲少也是光電探測器應(yīng)用研究的一個重要內(nèi)容。有關(guān)這種特征參數(shù)的提取及其與光路參數(shù)的關(guān)系的研究也未見報導(dǎo)。慣用的實驗標(biāo)定法采用標(biāo)定裝置給出標(biāo)準(zhǔn)的輸入量，獲得輸入——輸出特性，但這在四象限光電探測器中難以實現(xiàn)，因為探測器的輸出與多種參數(shù)有關(guān)，需要建立多維方位角可控精密標(biāo)定裝置，其工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，不易保證精度，成本昂貴，因此實際上均未采用標(biāo)定法，而是采用基準(zhǔn)位置法，寧愿不厭其煩地、反復(fù)多次地將四象限光電探測器調(diào)節(jié)安裝在基準(zhǔn)位置進行檢測。
為了解決上述探測器安裝困難問題及其帶來的檢測誤差問題，以及光路參數(shù)對探測器輸出信號特征參數(shù)的交叉耦合問題等，本發(fā)明的技術(shù)思路是，通過對整個四象限光路進行光路分析，建立起其光路數(shù)學(xué)模型，以給出光路中所有光路參數(shù)(σ、ρ、f、l、R、m、、η、ψ和β)與探測器輸出信號(ux和uy)的函數(shù)關(guān)系(ux＝f(f，l，R，m，，ψ，η，β)，uy＝g(f，l，R，m，，ψ，η，β))。
由于以光路參數(shù)為自變量，探測器輸出信號為因變量的函數(shù)關(guān)系式是非線性的，因此很難求得其逆函數(shù)。但通常我們可得到的信號是探測器的輸出電信號ux和uy，而我們要檢測的是光路中的某一個或多個參數(shù)，因此，只有以光路參數(shù)為自變量，探測器輸出信號為因變量的函數(shù)關(guān)系式還不夠，更需要的是以探測器輸出信號為自變量，以光路參數(shù)為因變量的函數(shù)關(guān)系式。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，四象限光電探測器檢測與應(yīng)用的模型法，其特點是，包括以下步驟1)確定探測器光路參數(shù)(以下簡稱光路參數(shù))，提取探測器輸出電信號ux和uy的特征參數(shù)(以下簡稱特征參數(shù))，建立以光路參數(shù)為自變量與輸出電信號ux和uy的關(guān)系式——正模型；正模型函數(shù)關(guān)系式 2)由正模型產(chǎn)生光路參數(shù)與輸出電信號ux和uy特征參數(shù)之間的數(shù)據(jù)樣本后，建立正模型的反模型，即由ux和uy特征參數(shù)為輸入量求得光路參數(shù)；探測器光路參數(shù)選用、ψ、η、R、f、l、β、m，其中β為探測器入射光的掃描角，R、f、l、m為探測器本身的基本參數(shù)R探測器凸透鏡半徑；l探測器光敏面與凸透鏡之間的距離；m探測器支架的探測器安裝深度；f探測器上凸透鏡的焦距；其中、ψ、η表征探測器空間安裝狀態(tài)偏離基準(zhǔn)位置有關(guān)的偏離度，它們是探測器俯仰、方位偏離的位置角；ψ探測器俯仰、方位偏離的偏離角度；η探測器發(fā)生橫滾偏離時的偏離角度；也可以用其它相關(guān)角表示，或選用其它表征三維空間狀態(tài)的參數(shù)；輸出電信號是四象限光電探測器四個區(qū)域I、II、III、IV的輸出電信號uI、uII、uIII、uIV按照如下關(guān)系合成所得 也可以是 還可以是uI、uII、uIII、uIV的其它組合形式，如對角和差，或相乘、除等形式。
探測器的輸出電信號ux和uy中包含了探測器光路的全部信息，同時也具有很多的特征，這些特征參數(shù)包含著不同的光路參數(shù)信啟、，因此如何找出這些特征參數(shù)與要檢測的光路參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系是光電探測器的另一個重要內(nèi)容。為此，本發(fā)明通過對上述以光路參數(shù)為自變量，探測器輸出信號為因變量的函數(shù)關(guān)系式進行分析，從中提取出ux和uy信號的四個特征參數(shù)ax、bx、ay和by，這四個特征參數(shù)分別主要包含探測器焦距f、光敏面與凸透鏡之間的距離l和橫滾偏離角度η，方位偏離度，俯仰偏離度等信息。于是，首先由光電探測器測試系統(tǒng)中光路參數(shù)與探測器輸出信號的函數(shù)關(guān)系生成任意多的關(guān)于光路參數(shù)與特征參數(shù)的樣本，再由這些樣本通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其它方法進行函數(shù)逼近，即可獲得以特征參數(shù)ax、bx、ay和by為自變量，以光電探測器光路參數(shù)為因變量的近似函數(shù)關(guān)系。在后續(xù)的實際檢測中，提取出探測器輸出信號ux和uy的特征參數(shù)ax、bx、ay和by，然后把特征參數(shù)代入該近似函數(shù)關(guān)系式，即可求得光路參數(shù)中的一個或幾個。例如，在四象限光電探測器的光敏面的離焦量d＝f-l檢測中，可以首先由建立的以光路參數(shù)為自變量，以探測器輸出信號為因變量的模型制作關(guān)于四象限光電探測器的光敏面的離焦量d，探測器偏移量、η、ψ與特征參數(shù)ax、bx、ay和by的樣本，然后用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近函數(shù)d＝h(ax，bx，ay，by)。于是，在以后探測器光敏面離焦量的實際檢測中，只需從探測器輸出信號中提取出特征參數(shù)ax、bx、ay和by，然后把這四個參數(shù)代入已訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，即可求得四象限光電探測器的光敏面的離焦量d。
本發(fā)明的四象限光電探測器檢測與應(yīng)用的模型法，通過建立四象限光電探測器光路數(shù)學(xué)模型，即探測器輸出電信號的特征參數(shù)與探測器光路參數(shù)之間的確定函數(shù)關(guān)系反推出探測器光路的參數(shù)，從而實現(xiàn)無須通過標(biāo)定實驗獲得樣本數(shù)據(jù)，無須為將探測器安裝在基準(zhǔn)位置每次檢測都對探測器光路進行反復(fù)多次調(diào)節(jié)，即可實現(xiàn)四象限光電探測器本身質(zhì)量是否合格的檢測，以及探測器在旋轉(zhuǎn)體三自由度位移的檢測等應(yīng)用。因為不需要做標(biāo)定實驗樣本，不需要建立高精度的多維自由度標(biāo)定裝置。因為探測器在實際應(yīng)用時不需要進行光路調(diào)節(jié)，因此大大提高了探測器質(zhì)量檢測，或三自由度位移檢測的檢測速度。
圖4為逼近以特征參數(shù)為自變量，以某個光路參數(shù)為因變量的函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
五、具體實施方案以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的具體實施方案對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
依照本發(fā)明的技術(shù)方案，以檢測四象限光電探測器光敏面的離焦量d＝f-l為例來說明如何通過模型法來實現(xiàn)探測器的無實驗樣本檢測。
1、四象限光電探測器的光路如附

圖1，四象限的光敏面如圖2。通過對該光路的分析，可建立四象限光電探測器關(guān)于以σ、ρ、f、l、R、m、、η、ψ和β為自變量，以ux和uy為因變量的函數(shù)關(guān)系式，并提取四個特征參數(shù)ux信號在過零點的切線斜率ax和截距bx，uy信號在過零點的切線斜率ay和截距by。 其中cos2φ＝{sinβ-cos[β+arcsin(sinψsin)-arccos(sinsinψ)]}2+cos2[arccos(sinsinψ)-β] ∠RO3S=arccosO3R2+O3S2-RS22O3R·O3S]]>O3R=O3S2+RS2-2O3S·RScos(ψ+η)]]> O3S＝ltanψ參數(shù)說明f四象限光電探測器凸透鏡焦距；l四象限光電探測器光敏面與凸透鏡之間的距離；R四象限光電探測器凸透鏡半徑；四象限光電探測器偏離位置；ψ四象限光電探測器偏離角度；η四象限光電探測器橫滾偏離角；m四象限光電探測器裝在其轉(zhuǎn)載支架上的長度的一半；σ光敏面光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；ρ探測器入射光的光照度；β探測器入射光的偏離角。特別地，(1)當(dāng)ψ＝0，η＝0時，探測器處于基準(zhǔn)位置；此時uy轉(zhuǎn)化為uy＝0，ux轉(zhuǎn)化為 其中r=Rf-lf,]]>s＝|ltanβ|， 將ux對β求偏導(dǎo)得ax=dux/dβ|β=0=-πτρσR2(f-l)/f.]]>由于f-l為探測器光敏面的離焦量，其它均為定值，因此，在基準(zhǔn)情況下，ux信號在其過零點(β＝0)處的斜率ax與光敏面離焦量成正比，利用這一特性可以根據(jù)ux過零點的斜率來檢測探測器的離焦量d＝f-l或凸透鏡焦距f，當(dāng)然同樣地可檢測參數(shù)l。此時探測器的理論輸出信號如圖3(a)所示。
(2)當(dāng) 或 η＝0，但ψ≠0時，探測器處于俯仰偏離位置。此時uy轉(zhuǎn)化為 ux轉(zhuǎn)化為ux=τρσ[2r2arccos(s/r)-2sr2-s2-πr2]·sin∠A`OE]]>其中∠A`OE=arccostan2ψ+tan2βsecβ,t=(l-m)tanψ]]>通常ψ和β的值都比較小，因此sin∠A｀OE≈1，uy近似為一條直線，ψ的信息主要反映在uy的截距by上。此時探測器的輸出波形如圖3(b)所示。
(3)當(dāng)＝0或π，η＝0，但ψ≠0時，探測器處于方位偏離位置。此時uy轉(zhuǎn)化為uy＝0，ux轉(zhuǎn)化為 當(dāng)β＝0時，ux≠0，因此ψ反映在ux過零點的偏移量，也即ux過零點切線的截距bx上。此時探測器的輸出如圖3(c)所示。
(4)當(dāng)η≠0，但ψ＝0時，探測器處于橫滾偏離位置。此時ux轉(zhuǎn)化為 uy轉(zhuǎn)化為 此時uy的值隨β的變化而變化，由于uy表達式中其它參數(shù)幾乎為恒值，因此η的信息反映在uy的斜率ay上。
2、制作關(guān)于特征參數(shù)ax、bx、ay和by與探測器離焦量d的樣本在建立上述以σ、ρ、f、l、R、m、、η、ψ和β為自變量，以ux和uy為因變量的函數(shù)關(guān)系式(1)、(2)后，即可通過任意改變、η、ψ、f、l中的一個或幾個參數(shù)(這里σ、ρ、f、R、m為常數(shù)，需要檢測的參數(shù)是f-l，但存在干擾量、η和ψ)，由關(guān)系式(1)、(2)求得關(guān)于這些參數(shù)與特征參數(shù)ax、bx、ay和by的樣本。3、建立關(guān)于特征參數(shù)與探測器離焦量的反模型由這些樣本即可通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近以ax、bx、ay和by為自變量，以、η、ψ、f或、η、ψ、l等一個多個參數(shù)為因變量的函數(shù)。從而實現(xiàn)探測器光路參數(shù)的檢測。探測器光敏面離焦量的檢測中所用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如附圖4。4、實驗實測用3中建立的關(guān)于d＝f-l的反模型對不同四象限光電探測器進行重復(fù)性實測，檢測數(shù)據(jù)如下表。同樣地，若有需要，用相同的方法還可測得參數(shù)、η和ψ。
三個四象限光電探測器光敏面離焦量d重復(fù)檢測數(shù)據(jù)表(mm)
權(quán)利要求
1.一種四象限光電探測器檢測與應(yīng)用的模型法，其特征在于包括以下步驟1)確定探測器光路參數(shù)(以下簡稱光路參數(shù))，提取探測器輸出電信號ux和uy的特征參數(shù)(以下簡稱特征參數(shù))，建立以光路參數(shù)為自變量與輸出電信號ux和uy的關(guān)系式——正模型；正模型函數(shù)關(guān)系式 2)由正模型產(chǎn)生光路參數(shù)與輸出電信號ux和uy特征參數(shù)之間的數(shù)據(jù)樣本后，建立正模型的反模型，即由ux和uy特征參數(shù)為輸入量求得光路參數(shù)；探測器光路參數(shù)選用、ψ、η、R、f、l、β、m，其中β為探測器入射光的掃描角，R、f、l、m為探測器本身的基本參數(shù)R探測器凸透鏡半徑；l探測器光敏面與凸透鏡之間的距離；m探測器支架的探測器安裝深度；f探測器上凸透鏡的焦距；其中、ψ、η表征探測器空間安裝狀態(tài)偏離基準(zhǔn)位置有關(guān)的偏離度，它們是探測器俯仰、方位偏離的位置角；ψ探測器俯仰、方位偏離的偏離角度；η探測器發(fā)生橫滾偏離時的偏離角度；也可以用其它相關(guān)角表示，或選用其它表征三維空間狀態(tài)的參數(shù)；輸出電信號是四象限光電探測器四個區(qū)域I、II、III、IV的輸出電信號uI、uII、uIII、uIV按照如下關(guān)系合成所得 也可以是 還可以是uI、uII、uIII、uIV的其它組合形式，如對角和差，或相乘、除等形式。
2.如根據(jù)權(quán)利1所述的四象限探測器檢測與應(yīng)用的模型法，其特征在于所述探測器輸出電信號ux和uy特征參數(shù)提取的合成輸出電信號ux和uy的特征參量可以是ux過零點切線斜率ax截距bx；uy過零點切線的斜率ay截距by；也可以是坐標(biāo)值；還可以是其它能反映探測器安裝狀態(tài)偏離度的光路參數(shù)的相關(guān)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述四象限光電探測器檢測與應(yīng)用的模型法，所述正模型關(guān)系式還可以是如下關(guān)系式 其中cos2φ＝{sinβ-cos[β+arcsin(sinψsin)-arccos(sinsinψ)]}2+cos2[arccos(sinsinψ)-β] ∠RO3S=arccosO3R2+O3S2-RS22O3R·O3S]]>O3R=O3S2+RS2-2O3S·RScos(ψ+η)]]> O3S＝ltanψ參數(shù)說明f四象限光電探測器凸透鏡焦距；l四象限光電探測器光敏面與凸透鏡之間的距離；R四象限光電探測器凸透鏡半徑四象限光電探測器偏離位置ψ四象限光電探測器偏離角度η四象限光電探測器橫滾偏離角m四象限光電探測器裝在其轉(zhuǎn)載支架上的長度的一半σ光敏面光電轉(zhuǎn)換系數(shù)ρ探測器入射光的光照度β探測器入射光的偏離角特別地(1)當(dāng)ψ＝0，η＝0時，探測器處于基準(zhǔn)位置。此時uy轉(zhuǎn)化為uy＝0，ux轉(zhuǎn)化為 其中r=Rf-lf,]]>s＝|ltanβ|， 將ux對β求偏導(dǎo)得ax=dux/dβ|β=0=-πτρσR2(f-l)/f.]]>由于f-l為探測器光敏面的離焦量，其它均為定值，因此，在基準(zhǔn)情況下，ux信號在其過零點(β＝0)處的斜率ax與光敏面離焦量成正比，利用這一特性可以根據(jù)ux過零點的斜率來檢測探測器的離焦量d＝f-l或凸透鏡焦距f，當(dāng)然同樣地可檢測參數(shù)l；(2)當(dāng) 或 η＝0，但ψ≠0時，探測器處于俯仰偏離位置，此時uy轉(zhuǎn)化為 ux轉(zhuǎn)化為ux=τρσ[2r2arccos(s/r)-2sr2-s2-πr2]·sin∠A`OE]]>其中∠A`OE=arccostan2ψ+tan2βsecβ,t=(l-m)tanψ.]]>通常ψ和β的值都比較小，因此sin∠A｀OE≈1，uy近似為一條直線，ψ的信息主要反映在uy的截距by上；(3)當(dāng)＝或π，η＝0，但ψ≠0時，探測器處于方位偏離位置。此時uy轉(zhuǎn)化為uy＝0，ux轉(zhuǎn)化為 當(dāng)β＝0時，ux≠0，因此ψ反映在ux過零點的偏移量，也即ux過零點切線的截距bx上；(4)當(dāng)η≠0，但ψ＝0時，探測器處于橫滾偏離位置；此時ux轉(zhuǎn)化為 uy轉(zhuǎn)化為 此時uy的值隨β的變化而變化，由于uy表達式中其它參數(shù)幾乎為恒值，因此η的信息反映在uy的斜率ay上；制作特征參數(shù)ax、bx、ay和by與探測器離焦量d的樣本是在建立上述以σ、ρ、f、l、R、m、、η、ψ和β為自變量，以ux和uy為因變量的函數(shù)關(guān)系式(1)、(2)后，即可通過任意改變、η、ψ、f、l中的一個或幾個參數(shù)，由關(guān)系式(1)、(2)求得關(guān)于這些參數(shù)與特征參數(shù)ax、bx、ay和by的樣本。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述四象限光電探測器檢測與應(yīng)用的模型法，其特征在于，由正模型生成的數(shù)據(jù)樣本建立了正模型的反模型，反模型的建立可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，由這些樣本即可通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近以ax、bx、ay和by為自變量，以、η、ψ、f或、η、ψ、l一個和多個參數(shù)為因變量的函數(shù)，從而實現(xiàn)探測器光路參數(shù)的檢測；也可以是ux和uy的特征參數(shù)為輸入量求取光路參數(shù)的其它數(shù)據(jù)融合法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新穎、簡潔、實用的四象限光電探測器檢測與應(yīng)用的模型法。該方法通過建立四象限光電探測器光路數(shù)學(xué)模型,即探測器輸出電信號的特征參數(shù)與探測器光路參數(shù)之間的確定函數(shù)關(guān)系反推出探測器光路的參數(shù),從而實現(xiàn)無須通過標(biāo)定實驗獲得樣本數(shù)據(jù),無須為將探測器安裝在基準(zhǔn)位置每次檢測都對探測器光路進行反復(fù)多次調(diào)節(jié),即可實現(xiàn)四象限光電探測器本身質(zhì)量是否合格的檢測,以及探測器在旋轉(zhuǎn)體三自由度位移的檢測等應(yīng)用。因為不需要做標(biāo)定實驗樣本,不需要建立高精度的多維自由度標(biāo)定裝置。因為探測器在實際應(yīng)用時不需要進行光路調(diào)節(jié),因此大大提高了探測器質(zhì)量檢測,或三自由度位移檢測的檢測速度。
文檔編號H01L27/14GK1423341SQ0213956
公開日2003年6月11日 申請日期2002年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月29日
發(fā)明者劉君華, 湯曉君, 黨麗萍, 李文學(xué) 申請人:西安交通大學(xué), 中國人民解放軍駐西北光電儀器廠軍事代表室