技术领域
[0001] 本公开涉及光电检测技术领域，特别涉及一种双螺旋光电探测系统及其探测方法。
背景技术
[0002] 进行数据的传输与通信，最根本的要求是具有可靠与稳定的通信链路。空间光通信采用极窄的光束进行数据的传输，为保证空间光通信的可靠与稳定，首要问题是必须使收发双方的光束彼此对准，并在整个通信过程中保持稳定，因此，进行有效的光斑
位置控制是保证空间光通信
信号高效传输的关键。
[0003] 目前，有一种确定光斑位置的方法，通过采用双螺旋光电探测系统对入射光斑进行探测，从而可以确定入射光斑的位置。其中，该双螺旋光电探测系统包括第一螺旋光电位敏探测器和第二螺旋光电位敏探测器，第一螺旋光电位敏探测器具有第一光敏面，第二螺旋光电位敏探测器具有第二光敏面。第一光敏面和第二光敏面均为螺旋线形，构成双螺旋中心对称结构，且第一光敏面和第二光敏面之间具有一定间隔。在具体探测时，入射光斑投射在上述双螺旋光电探测系统上后，部分光斑会投射到第一光敏面和第二光敏面之间的间隔中，导致探测器无法检测到该部分光斑的坐标。因此，需要控制双螺旋光电探测系统进行周期性旋转，使得入射光斑围绕双螺旋光电探测系统的中心做圆周运动。而由于任意一个与螺旋线共圆心的圆和螺旋线有且只有一个交点，因此，当光斑中心位于同一圆上时，其圆上每个位置对应输出的
电流大小会存在不同。例如当光斑中心位于第一螺旋光电位敏探测器的中线上时，正好对应第一螺旋光电位敏探测器的总输出电流变化曲线的最大值，此时只有第一螺旋光电位敏探测器有光电响应，可根据横向
光电效应计算获得光斑的极坐标半径，同时，根据探测器旋转一周后的电流曲线最大值对应旋转
角度即可确定光斑的极坐标角，从而可以计算出出光斑的位置信息。
[0004] 但是采用上述双螺旋光电探测系统确定光斑的位置信息时，需要控制双螺旋光电探测系统进行周期性旋转，会导致整个位置确定过程较为繁琐，且效率较低。
发明内容
[0005] 本公开
实施例提供了一种双螺旋光电探测系统及其探测方法，可以省去
现有技术中控制双螺旋光电探测系统进行周期性旋转的过程，简化双螺旋光电探测系统的探测操作，并提高双螺旋光电探测系统的探测效率。所述技术方案如下：
[0006] 第一方面，提供了一种双螺旋光电探测系统，所述光电位敏探测系统包括第一螺旋光电位敏探测器和第二螺旋光电位敏探测器；所述第一螺旋光电位敏探测器具有第一光敏面，所述第二螺旋光电位敏探测器具有第二光敏面，所述第一光敏面和所述第二光敏面均为螺旋线形，
[0007] 所述第一光敏面和所述第二光敏面的线宽和线距均为d，d为入射光斑的直径；所述第一光敏面和所述第二光敏面位于不同平面内，且所述第一光敏面在所述第二光敏面上的正投影与所述第二光敏面关于中心点O呈中心对称结构，所述第一光敏面在所述第二光敏面上的正投影与所述第二光敏面的螺旋线不交叉。
[0008] 可选地，所述光电位敏探测系统还包括光
电信号探测器，所述光电信号探测器的探测面与所述第一光敏面、所述第二光敏面分别位于不同平面内，所述光电信号探测器的探测面在所述第二光敏上的正投影的中点与所述中心点O重合。
[0009] 可选地，所述光电信号探测器的探测面的直径大于所述d。
[0010] 可选地，所述双螺旋光电探测系统还包括电流检测模
块，所述电流检测模块用于检测所述第一螺旋光电位敏探测器和所述第二螺旋光电位敏探测器输出的响应光电流的大小。
[0011] 可选地，所述第一光敏面的两端分别设有第一
电极和第二电极，所述第二光敏面的两端分别设有第三电极和第四电极，所述电流检测模块分别用于检测所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极输出的响应光电流的大小。
[0012] 可选地，所述双螺旋光电探测系统还包括处理模块，所述处理模块用于获取所述电流检测模块检测的所述响应光电流的大小，并根据获取的所述响应光电流的大小确定所述入射光斑的极坐标。
[0013] 第二方面，提供了一种双螺旋光电探测系统的探测方法，采用如第一方面所述的双螺旋光电探测系统，所述探测方法包括：
[0014] 将入射光斑投射在所述双螺旋光电探测系统上；
[0015] 分别检测所述第一螺旋光电位敏探测器和所述第二螺旋光电位敏探测器输出的响应光电流的大小；
[0016] 根据检测到的所述响应光电流的大小，分别确定落在所述第一光敏面和所述第二光敏面上的部分光斑的极坐标；
[0017] 根据所述部分光斑的极坐标确定所述入射光斑的极坐标。
[0018] 可选地，所述分别检测所述第一螺旋光电位敏探测器和所述第二螺旋光电位敏探测器输出的响应光电流的大小，包括：
[0019] 分别检测所述第一光敏面两端的第一电极和第二电极输出的响应光电流IA1和IB1；
[0020] 分别检测所述第二光敏面两端的第三电极和第四电极输出的响应光电流IA2和IB2。
[0021] 可选地，所述根据检测到的所述响应光电流的大小，确定落在所述第一光敏面上的部分光斑的极坐标，包括：
[0022] 根据以下公式计算落在所述第一光敏面上的部分光斑的极坐标半径r1：
[0023]
[0024] 根据以下公式计算所述落在所述第一光敏面上的部分光斑的极坐标角θ1：
[0025]
[0026] 根据以下公式计算落在所述第二光敏面上的部分光斑的极坐标半径r2：
[0027]
[0028] 根据以下公式计算所述落在所述第二光敏面上的部分光斑的极坐标角θ2：
[0029]
[0030] 其中，所述极坐标包括极坐标半径和极坐标角，IA1和IB1为检测到的所述第一螺旋光电位敏探测器输出的响应光电流，IA2和IB2为检测到的所述第二螺旋光电位敏探测器输出的响应光电流，R0为所述双螺旋光电探测系统的总半径大小，d为所述入射光斑的直径。
[0031] 可选地，所述根据所述部分光斑的极坐标确定所述入射光斑的极坐标：
[0032] 根据以下公式计算所述入射光斑的极坐标半径r：
[0033]
[0034] I1＝IA1+IB1；
[0035] I2＝IA2+IB2；
[0036] 根据以下公式计算所述入射光斑的极坐标角：
[0037] θ＝θ1＝θ2；
[0038] 其中，r1为落在所述第一光敏面上的部分光斑的极坐标半径，r2为落在所述第二光敏面上的部分光斑的极坐标半径，θ1为落在所述第一光敏面上的部分光斑的极坐标角，θ2为落在所述第二光敏面上的部分光斑的极坐标角，Δd为所述入射光斑的极坐标半径计算存在的偏差范围，0＜Δd＜d/2。
[0039] 本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0040] 通过将第一螺旋光电位敏探测器的第一光敏面和第二螺旋光电位敏探测器的第二光敏面设置成不共面的结构，且第一光敏面和第二光敏面的线宽和直径均为d，d为入射光斑的直径，则入射光斑可以正好投射到第一光敏面或第二光敏面的螺旋线上，此时，第一光敏面或第二光敏面可以检测完整光斑。或者入射部分投射到第一光敏面上，部分投射到第二光敏面上，此时第一光敏面和第二光敏面可以分别检测部分光斑。且第一光敏面在第二光敏面上的正投影与第二光敏面关于中心点O呈中心对称结构，第一光敏面在第二光敏面上的正投影位于第二光敏面的螺旋线之间，也就是说，第一光敏面在第二光敏面上的正投影与第二光敏面的螺旋线之间无间隔。因此，通过第一螺旋光电位敏探测器和第二螺旋光电位敏探测器即可对完整的入射光斑进行检测，从而确定出入射光斑的位置，进而可以省去现有技术中控制双螺旋光电探测系统进行周期性旋转的过程，简化双螺旋光电探测系统的探测操作，并提高双螺旋光电探测系统的探测效率。
附图说明
[0041] 为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042] 图1是本公开实施例提供的一种双螺旋光电探测系统的部分结构示意图；
[0043] 图2是本公开实施例提供的一种光敏面的投影视图；
[0044] 图3是本公开实施例提供的一种双螺旋光电探测系统的探测原理图；
[0045] 图4是本公开实施例提供的一种双螺旋光电探测系统的探测方法
流程图。
具体实施方式
[0046] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
[0047] 图1是本公开实施例提供的一种双螺旋光电探测系统的部分结构示意图，如图1所示，光电位敏探测系统100包括第一螺旋光电位敏探测器10和第二螺旋光电位敏探测器20。
[0048] 图2是本公开实施例提供的一种光敏面的投影视图，如图2所示，第一螺旋光电位敏探测器10具有第一光敏面11，第二螺旋光电位敏探测器20具有第二光敏面21。第一光敏面11和第二光敏面21均为螺旋线形。图2中有填充部分的螺旋线为第一光敏面11，无填充部分的螺旋线为第二光敏面21。
[0049] 第一光敏面11和第二光敏面21的线宽和线距均为d，d为入射光斑200的直径。第一光敏面11和第二光敏面21位于不同平面内，且第一光敏面11在第二光敏面21上的正投影与第二光敏面21关于中心点O呈中心对称结构。第一光敏面11在第二光敏面21上的正投影与第二光敏面21的螺旋线不交叉。
[0050] 其中，线宽表示光敏面的螺旋线的宽度，线距表示螺旋线之间的距离。
[0051] 本公开实施例通过将第一螺旋光电位敏探测器的第一光敏面和第二螺旋光电位敏探测器的第二光敏面设置成不共面的结构，且第一光敏面和第二光敏面的线宽和直径均为d，d为入射光斑的直径，则入射光斑可以正好投射到第一光敏面或第二光敏面的螺旋线上，此时，第一光敏面或第二光敏面可以检测完整光斑。或者入射部分投射到第一光敏面上，部分投射到第二光敏面上，此时第一光敏面和第二光敏面可以分别检测部分光斑。且第一光敏面在第二光敏面上的正投影与第二光敏面关于中心点O呈中心对称结构，第一光敏面在第二光敏面上的正投影位于第二光敏面的螺旋线之间，也就是说，第一光敏面在第二光敏面上的正投影与第二光敏面的螺旋线之间无间隔。因此，通过第一螺旋光电位敏探测器和第二螺旋光电位敏探测器即可对完整的入射光斑进行检测，从而确定出入射光斑的位置，进而可以省去现有技术中控制双螺旋光电探测系统进行周期性旋转的过程，简化双螺旋光电探测系统的探测操作，并提高双螺旋光电探测系统的探测效率。
[0052] 由于螺旋光电位敏探测器的基本工作机制就是利用螺旋线是一条
覆盖整个二维平面的曲线，且螺旋线长度对应了端点的极坐标信息，因此可将螺旋线上的光斑二维位置信息转换成极坐标信息进行标记。将一维线性光电位敏探测器卷成螺旋线型，利用一维光电位敏探测器实现二维位置信息探测，光斑在螺旋光电位敏探测器上位置对应了螺旋线的螺旋半径，而螺旋线上位置点的螺旋线半径与其角度信息直接相关，可以从此获得光斑位置的极坐标的两个参量，极坐标半径和极坐标角。
[0053] 在本实施例中，第一螺旋光电位敏探测器10和第二螺旋光电位敏探测器20均为高速的PIN探测器。其中PIN探测器为掺杂浓度很高的P型和N型之间，加进一个接近本征材料的I区，形成PIN结构的一种应用广泛的
半导体光电探测器结构。
[0054] 为了方便光斑极坐标的信息探测和标定，第一光敏面11和第二光敏面21均为阿基米德螺旋线结构，因此在该光电位敏探测系统中，螺旋线上的位置极坐标信息(r，θ)，其数值对应关系为以下公式(1)：
[0055]
[0056] 其中，r为极坐标半径，θ为极坐标角。
[0057] 可选地，如图1和图2所示，光电位敏探测系统还包括光电信号探测器30。光电信号探测器30的探测面31与第一光敏面11、第二光敏面21分别位于不同平面内，光电信号探测器30的探测面31在第二光敏21上的正投影的中点与中心点O重合。这样，当光斑位置信息被确定并移动到光电信号探测器30的探测面31的中心时，光斑可以正好位于
光信号接收探测器30的探测面31上。而第一光敏面11和第二光敏面21的中心位置正好是一个空洞，没有其他光吸收层和散射结构，可以有效避免光斑入射至光信号接收探测器30的探测面31上时被遮挡。
[0058] 可选地，光电信号探测器30的探测面31的直径L大于d。这样当光斑位置信息被确定并移动到光电信号探测器30的探测面31上时，无需保证光斑中心与光电信号探测器30的探测面31中心完全对准，可以允许有一定极坐标半径r的误差。
[0059] 可选地，L＝2d。
[0060] 在本实施例中，双螺旋光电探测系统总半径为R0，R0的大小可以根据实际的探测范围进行设置。
[0061] 可选地，R0＝nd，n为正数。例如，在本实施例中，R0＝7.5d。
[0062] 图3是本公开实施例提供的一种双螺旋光电探测系统的探测原理图，如图3所示，双螺旋光电探测系统100还包括电流检测模块40，电流检测模块40用于检测第一螺旋光电位敏探测器10和第二螺旋光电位敏探测器20输出的响应光电流的大小。
[0063] 示例性地，参见图1，第一光敏面11的两端分别设有第一电极11a和第二电极11b，第二光敏面21的两端分别设有第三电极21a和第四电极21b，电流检测模块40分别用于检测第一电极11a、第二电极11b、第三电极21a和第四电极21b输出的响应光电流的大小。
[0064] 当光斑200正好位于信号光接收区，即光电信号探测器30的探测面31时，光斑只会被探测面31探测吸收，第一光敏面11和第二光敏面21上没有光响应，各个电极无电流输出。
[0065] 而当光斑200投射在第一光敏面11上(即光斑的中心点位于第一光敏面11的中心线上)时，只有第一电极11a和第二电极11b产生响应光电流，而第三电极21a和第四电极21b无响应光电流输出。
[0066] 当光斑200投射在第二光敏面21上(即光斑的中心点位于第二光敏面21的中心线上)时，只有第三电极21a和第四电极21b产生响应光电流，而第一电极11a和第二电极11b无响应光电流输出。
[0067] 当光斑200将投射在第一光敏面11和第二光敏面21上时，第一电极11a、第二电极11b、第三电极21a和第四电极21b均会产生相应地响应光电流。
[0068] 由于本公开实施例提供的双螺旋光电探测系统的工作原理仍是基于横向光电效应，因此，需要计算第一螺旋光电位敏探测器10和第二螺旋光电位敏探测器20的螺旋线弧长。而对于各个螺旋光电位敏探测器，它的两个电极的间距大小可以根据以下公式(2)进行计算：
[0069]
[0070] 其中，d为入射光斑的直径，R0为双螺旋光电探测系统的总半径。
[0071] 在本实施例中，检测模块40可以为电流表。
[0072] 可选地，参见图3，双螺旋光电探测系统100还包括处理模块50，处理模块50用于获取电流检测模块40检测的响应光电流的大小，并根据获取的响应光电流的大小确定入射光斑200的极坐标。
[0073] 图4是本公开实施例提供的一种双螺旋光电探测系统的探测方法流程图，如图4所示，该探测方法采用如上述实施例所述的双螺旋光电探测系统，该探测方法包括：
[0074] 步骤401、将入射光斑投射在双螺旋光电探测系统上。
[0075] 步骤402、分别检测第一螺旋光电位敏探测器和第二螺旋光电位敏探测器输出的响应光电流的大小。
[0076] 示例性地，步骤402可以包括：
[0077] 分别检测第一光敏面两端的第一电极和第二电极输出的响应光电流IA1和IB1。
[0078] 分别检测第二光敏面两端的第三电极和第四电极输出的响应光电流IA2和IB2。
[0079] 在本实施例中，第一电极11a输出的响应光电流为IA1，第二电极11b输出的响应光电流为IB1，第三电极21a输出的响应光电流为IA2，第四电极21b输出的响应光电流为IB2。
[0080] 步骤403、根据检测到的响应光电流的大小，分别确定落在第一光敏面和第二光敏面上的部分光斑的极坐标。
[0081] 示例性地，步骤403可以包括：
[0082] 根据以下公式(3)计算落在第一光敏面11上的部分光斑的极坐标半径r1：
[0083]
[0084] 根据以下公式(4)计算落在第一光敏面11上的部分光斑的极坐标角θ1：
[0085]
[0086] 根据以下公式(5)计算落在第二光敏面21上的部分光斑的极坐标半径r2：
[0087]
[0088] 根据以下公式(6)计算落在第二光敏面21上的部分光斑的极坐标角θ2：
[0089]
[0090] 其中，极坐标包括极坐标半径和极坐标角，IA1和IB1为检测到的第一螺旋光电位敏探测器10输出的响应光电流。IA2和IB2为检测到的第二螺旋光电位敏探测器20输出的响应光电流。R0为双螺旋光电探测系统的总半径大小，d为入射光斑的直径。
[0091] 步骤404、根据部分光斑的极坐标确定入射光斑的极坐标。
[0092] 由于光斑落在第一光敏面和第二光敏面的部分区域是相连的，因而两个螺旋光电位敏探测器探测获得两个极坐标数据中的极坐标半径是相邻的，且极坐标角是相同的，即|r1-r2|＝d，θ1＝θ2。而两个螺旋光电位敏探测器的总响应电流之比则反映了光斑中心的偏差，假设光斑均匀分布，则可根据两个光电位敏探测器的光电流大小之比确定螺旋半径权重，从而矫正获得较为精准具体光斑位置的极坐标半径r。
[0093] 示例性地，步骤404可以包括：
[0094] 根据以下公式(7)计算入射光斑的极坐标半径r：
[0095]
[0096] 其中，公式(7)中的I1＝IA1+IB1，I2＝IA2+IB2。
[0097] 根据以下公式(8)计算入射光斑的极坐标角：
[0098] θ＝θ1＝θ2； (8)
[0099] 其中，r1为落在第一光敏面11上的部分光斑的极坐标半径，r2为落在第二光敏面21上的部分光斑的极坐标半径，θ1为落在第一光敏面22上的部分光斑的极坐标角，θ2为落在第二光敏面32上的部分光斑的极坐标角，Δd为入射光斑的极坐标半径计算存在的偏差范围，0＜Δd＜d/2。
[0100] 在本实施例中，Δd可以根据实际需要进行设置。
[0101] 本公开实施例通过将第一螺旋光电位敏探测器的第一光敏面和第二螺旋光电位敏探测器的第二光敏面设置成不共面的结构，且第一光敏面和第二光敏面的线宽和直径均为d，d为入射光斑的直径，则入射光斑可以正好投射到第一光敏面或第二光敏面的螺旋线上，此时，第一光敏面或第二光敏面可以检测完整光斑。或者入射部分投射到第一光敏面上，部分投射到第二光敏面上，此时第一光敏面和第二光敏面可以分别检测部分光斑。且第一光敏面在第二光敏面上的正投影与第二光敏面关于中心点O呈中心对称结构，第一光敏面在第二光敏面上的正投影位于第二光敏面的螺旋线之间，也就是说，第一光敏面在第二光敏面上的正投影与第二光敏面的螺旋线之间无间隔。因此，通过第一螺旋光电位敏探测器和第二螺旋光电位敏探测器即可对完整的入射光斑进行检测，从而确定出入射光斑的位置，进而可以省去现有技术中控制双螺旋光电探测系统进行周期性旋转的过程，简化双螺旋光电探测系统的探测操作，并提高双螺旋光电探测系统的探测效率。
[0102] 以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
