为了分析四象限探测器(QD)激光光斑位置检测性能,建立了新的高斯光斑位置分辨率数学模型。分析了高斯光斑模型下QD位置检测原理和近似数学模型,根据误差函数可导性,结合误差理论推导出位置分辨率与总信噪比、光斑中心位置和光斑半径关系的数学模型,数值仿真和实验系统验证了所提模型的正确性。结果表明,当光斑半径为0.74 mm,总信噪比为66.96 dB时,在光斑中心偏移±0.45 mm范围内,所提模型的估算误差约为36%,与原近似模型相比,精度提高了约1倍,可以对激光光斑位置检测系统的位置分辨率进行有效估算。

为了提高四象限探测器(QD)光斑位置检测性能，研究了在高斯光斑模型下影响QD位置检测精度的主要因素。分析了四象限探测器位置检测的基本原理，随后根据误差理论推导出高斯光斑模型下位置检测精度与光斑半径、质心位置和系统信噪比关系的数学模型，通过数值仿真和实验分析验证了该数学模型的有效性，并深入分析了各因素对位置检测精度影响的趋势及大小。研究结果表明，对于四象限探测器高斯光斑位置检测系统，在保证检测范围的条件下，采用较小半径的光斑、选取靠近光敏面中心的工作区域和提高系统信噪比可以提高位置检测精度。当系统信噪比为57.48 dB时，采用束腰半径为0.6 mm 的高斯光斑，QD 中心点位置检测精度可达0.514 μm。

介绍了四象限探测器的工作原理及影响四象限探测系统精度的各种内外部因素，详细分析了四象限探测器死区对探测范围内探测灵敏度的影响。在探测范围内，对各个象限内高斯光斑接收的光功率进行计算，并用Matlab软件对归一化的目标光斑偏移量x随光斑中心坐标X的变化关系进行仿真，设计四象限探测系统的光路和电路，当死区宽度D=0.1 mm时，调整光斑半径R大小分别为0.6 mm和0.4 mm下进行测量。理论及实验结果表明，死区宽度相对光斑半径的比例越大，光斑偏移量随光斑中心的变化趋势越陡峭，探测器的灵敏度越高。

为了测量平顶光斑和高斯光斑的半径, 采用刀口法进行了理论分析和实验验证, 并且提出了新的迭代算法。刀口的间距与光斑半径存在正比关系, 求出了相应的比例系数。在实际测量中, 测得刀口的间距后再乘上相应的系数就可以得到光斑半径。结果表明, 将迭代法进行推广, 可用于求任意已知强度分布式的光斑半径。

研究了用四象限探测器检测光斑中心位置时，入射光斑的各种特性和外部环境对象限探测器输出产生的影响。通过理论推导得出了入射椭圆高斯光斑时光斑中心位置与探测器输出的关系公式及检测灵敏度公式；搭建实验系统完成了室内及野外测试实验。实验结果表明，室内环境下探测器具有较高的检测精度与细分能力；在极限灵敏度下通过数字滤波可以使器件具有36细分的能力；测量了象限探测器的电压特性，完成了背景光特性、光斑大小特性、信噪比特性测试实验。野外实验表明，光强闪烁对探测器影响很大，当大气折射率结构常数为10－16时，距离在830 m时器件仅具有7细分能力，距离在12.5 km时基本没有细分能力，已经无法进行光斑检测。