??? 摘 要: 針對自由空間光通信(FSO)關(guān)鍵器件——位置敏感探測器(PSD)的特性，提出了采用調(diào)制法以及卷積算法消除其暗電流" title="暗電流">暗電流及背景光" title="背景光">背景光影響的處理方法,并給出了基于該方法的ATP(Acquisition、Tracking and Pointing)系統(tǒng)的整體設(shè)計方案和實(shí)際系統(tǒng)的性能分析。
??? 關(guān)鍵詞: ATP? 調(diào)制法? 自由空間光通信(FSO)? 位置敏感探測器(PSD)
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??? 自由空間無線光通信(FSO)是一種基于光傳輸方式、采用紅外激光承載高速信號的無線傳輸技術(shù)，它以激光為載體、空氣為介質(zhì)，主要采用點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的連接方式，其設(shè)備以及連接方式都與光纖相似，因此它也具有光纖傳輸?shù)囊幌盗袃?yōu)點(diǎn)，例如帶寬高、保密性好等;另一方面不同于光纖通信的是，它以空氣為介質(zhì)，因此又具有成本低、架設(shè)方便、部署快捷等優(yōu)點(diǎn)[1]。正是由于諸多優(yōu)點(diǎn)，在如今各種無線通信方式中它依然獲得一席之地。
??? 但是由于空間光通信采用激光為載體，存在著光束發(fā)散角較小的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，振動或風(fēng)吹等因素都有可能使光束發(fā)生偏離，從而影響通信速率或根本不能建立通信，此外，小的發(fā)散角也會增加安裝調(diào)試的難度。該缺點(diǎn)限制了FSO系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用，因此需要一種能夠克服該缺點(diǎn)的方法。
??? 針對FSO系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)，主要采用ATP系統(tǒng)(捕獲、跟蹤、對準(zhǔn))加以克服。本文所要探討的是如何減少前端探測器件——位置敏感探測器(PSD)受到暗電流和背景光影響，從而達(dá)到提高系統(tǒng)精度的目的，并在此基礎(chǔ)上給出整體ATP系統(tǒng)的設(shè)計以及性能測試結(jié)果。
1 暗電流及背景光對ATP系統(tǒng)精度的影響
??? 常見的ATP系統(tǒng)的前端探測裝置是位置敏感探測器(PSD)，由于材料特性限制，PSD不同程度地受到暗電流影響，從不同結(jié)構(gòu)的PSD來看，二面型的PSD要比四邊結(jié)構(gòu)的PSD暗電流大一個量級左右[2]，可以達(dá)到μA量級。另一方面，由于FSO系統(tǒng)通常工作在室外，PSD不可避免地要受到外界背景光的照射，這部分也是會疊加在PSD的探測信號輸出中的，從而對系統(tǒng)的精度造成影響[3]。
??? 實(shí)驗室環(huán)境下對一塊二面型GD3284Y型號的PSD的暗電流及日光燈條件下的背景光電流值進(jìn)行了測量，結(jié)果如表1（5次測量平均結(jié)果, 溫度25°）所示。
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??? 為了分析采用調(diào)制法消除暗電流及背景光影響的必要性，首先建立一個PSD輸出電流模型，如圖1所示，其中Ilaser為激光照射的響應(yīng)分量，其注入位置是在激光的照射點(diǎn)；Iback是背景光影響下的響應(yīng)分量，該分量由于平均效果可認(rèn)為是從PSD中心注入的；Idark是PSD器件的暗電流分量，可以分為兩部分，一部分為Idark0，從中心注入，另一部分為Idark1，從激光照射點(diǎn)注入的，由于注入位置不同流向兩級的電流分量是不同的。根據(jù)PSD的探測計算公式可知，各電流對PSD位置探測誤差的影響是不同的。
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??? Idark1：由于是從激光照射點(diǎn)注入的，其影響下的Ia和Ib與實(shí)際探測激光響應(yīng)量符合相同的分流關(guān)系，因此其對探測精度是沒有影響的。
??? Idark0以及Iback的影響：由于是從中心注入的，所以這兩個電流值會等分疊加到輸出的Ia和Ib中去，不滿足PSD測量的分流關(guān)系，因此疊加到輸出信號中勢必會造成測量誤差。
經(jīng)過推導(dǎo)，得出在Idark0及Iback影響下相對探測位置偏差如下：
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??? 式(1)表明，Idark0及Iback越大，相對誤差就越大，如果光功率很大，則暗電流和背景噪聲的影響就可以忽略，但在實(shí)際系統(tǒng)中，由于激光器發(fā)射功率的限制以及傳輸距離較遠(yuǎn)等因素的影響，入射到PSD的激光功率往往較小，這時候背景光及暗電流的影響是不可忽略的，如圖2所示，在入射光功率為0.5mW時，相對誤差會達(dá)到10％左右。
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2 調(diào)制法消除暗電流及背景光影響
??? 背景光與暗電流都是疊加到PSD的探測信號輸出電流中去的，但在實(shí)際測量中發(fā)現(xiàn)，背景光以及暗電流影響的變化是極其緩慢的，其變化周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)進(jìn)行一次調(diào)整所需要的時間，因此對于ATP系統(tǒng)來講，背景光及暗電流在PSD探測信號輸出信號上可以近似認(rèn)為是直流信號。
??? 針對該特性，可以考慮采用對激光器發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制的方式消除背景光及暗電流的影響，如圖3所示。
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??? 從圖3中可以看出，通過激光器發(fā)射一個峰峰值為I、周期為T的方波調(diào)制信號，理想情況下，如果沒有受到背景光和暗電流的影響，PSD的探測波形應(yīng)該與發(fā)射一致。在受到暗電流及背景光的影響下，由于其直流特性，受到干擾的PSD探測信號僅僅是在理想探測信號基礎(chǔ)上疊加了大小為Idark+Iback的偏置電流，并不會改變調(diào)制信號的頻率特性以及調(diào)制信號的峰峰值，因此只需要測量在背景光和暗電流影響后探測信號的最大值和最小值，兩者之差就是實(shí)際發(fā)射信號的大小，與理想探測信號的大小是一致的，此即調(diào)制法濾除背景光及暗電流影響的基本原理。
3 PSD卷積檢測算法
??? 如上節(jié)所述，對于調(diào)制后的PSD探測信號，只需要測量出其最大值和最小值就可以求出實(shí)際的信號大小，但在實(shí)際系統(tǒng)中，一般是采用A/D" title="A/D">A/D對探測信號進(jìn)行采樣，即在最大值處采樣N次而后求平均得出最大探測值，最小值處采樣N次求平均得出最小探測平均值，兩者相減即為實(shí)際探測信號的大小，但根據(jù)A/D的工作原理，其2N次的采樣是順序進(jìn)行的，并不能保證第一個采樣點(diǎn)即為最大值或最小值的開始處，即相位不鎖定的情況，具體如圖4所示。
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??? 在圖4(a)中，高電平" title="高電平">高電平采樣恰好都在信號高電平周期內(nèi)，低電平采樣在低電平周期內(nèi)，因此兩者平均值的差值即為真實(shí)的探測信號的大小，但在圖4(b)中，高電平采樣不完全在高電平周期，夾雜低電平信號，而低電平采樣不完全在低電平周期，夾雜高電平信號，這樣平均計算后高電平值減小，低電平值增大，因此差值減少，即比實(shí)際探測信號小，從而導(dǎo)致探測誤差的產(chǎn)生。
??? 針對這個問題，可以采用鎖相環(huán)電路使得采樣與探測信號達(dá)到0°鎖定，從而避免誤差，但這種方法過于繁瑣，且增加成本。本文提出一種類似于卷積的算法，利用軟件處理來達(dá)到相位鎖定的目的。
??? 為簡單闡述起見，假設(shè)信號每個周期采樣4個點(diǎn)，首先從任意時刻開始對信號采樣一個半周期，即采樣6個點(diǎn)，記為S1、S2、S3、S4、S5、S6,如圖5所示。
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??? 由圖5可知，這6個采樣點(diǎn)中，必然有兩個相鄰的點(diǎn)在高電平周期內(nèi)，同樣也有兩個相鄰的點(diǎn)在低電平周期內(nèi)，因此將相鄰兩個數(shù)據(jù)相加，求得下面6個變量：
??? 然后比較Sum1至Sum6值的大小，從中找出其中的最大值(Sum1)和最小值(Sum3)，將兩者相減后除2就得到實(shí)際的探測值，從而達(dá)到無需相位完全對準(zhǔn)也能避免誤差的目的。
在實(shí)際使用中，由于方波的波形不是很規(guī)則，邊緣處往往是緩慢上升或下降，針對這種情況，可以對每周期采樣2N個點(diǎn)，然后對相鄰K次采樣值進(jìn)行累加求最大值和最小值，K取值小于N，這樣可以減少邊緣對探測精度的影響，避免誤差。
4?ATP系統(tǒng)的整體設(shè)計
??? 整套ATP系統(tǒng)的設(shè)計如圖6所示。各部件的功能如下：
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??? I/V轉(zhuǎn)換：由于PSD的探測信號為電流信號，因此必須先進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換以便后續(xù)電路的處理。
??? 前置放大：與PGA配合工作，將所有信號先放大數(shù)倍。
??? PGA：可編程放大器，在信號較小時可以軟件設(shè)置較大的放大倍數(shù)，信號較大時軟件設(shè)置較小的放大倍數(shù)，從而使得進(jìn)入AD的信號量級相近，從而提高A/D轉(zhuǎn)換的精度。
??? MCU：(1)A/D控制：控制A/D采樣，并對采樣的數(shù)據(jù)采用卷積算法計算探測信號；(2)PGA控制：根據(jù)信號的大小選擇相應(yīng)的放大倍數(shù)輸出到PGA芯片中；(3)步進(jìn)電機(jī)" title="步進(jìn)電機(jī)">步進(jìn)電機(jī)控制：根據(jù)計算出的偏移量發(fā)出相應(yīng)數(shù)量的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)向中心位置偏轉(zhuǎn)。
5?系統(tǒng)性能測試
??? 在實(shí)驗室條件下對采用該設(shè)計方案的ATP系統(tǒng)進(jìn)行了測試，主要包括兩方面：中心對準(zhǔn)精度和系統(tǒng)響應(yīng)速度。
??? (1)中心對準(zhǔn)精度測量：發(fā)射激光功率為0.5mW，調(diào)制激光器發(fā)射頻率為1kHz，測試時分別將激光點(diǎn)偏向PSD表面的20個不同位置處，然后啟動ATP系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，而后測量中心點(diǎn)相對于絕對中心的誤差，從而得出系統(tǒng)的中心對準(zhǔn)精度，圖7給出在20次測量校準(zhǔn)以后垂直方向以及水平方向的中心誤差情況。
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??? 從測量結(jié)果中可以看出，經(jīng)過ATP系統(tǒng)校準(zhǔn)以后，系統(tǒng)的平均水平偏移為7.345μm，平均垂直偏移為8.465μm，已經(jīng)基本接近PSD的分辨率極限。
?? (2)系統(tǒng)響應(yīng)速度測量：將激光照射斑點(diǎn)調(diào)至PSD最邊緣處(左上角點(diǎn))，并設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的工作脈沖為25kHz，啟動ATP控制程序，觀測程序執(zhí)行完畢所需要的時間為1.2s，此值即為ATP系統(tǒng)的最大響應(yīng)時間。整套系統(tǒng)最耗時的地方是步進(jìn)電機(jī)的執(zhí)行時間，提高步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率可以減少執(zhí)行的時間，實(shí)驗室測量時為保護(hù)電機(jī)給出的工作脈沖是25kHz，而步進(jìn)電機(jī)最大的工作脈沖可以到70kHz，提高脈沖頻率可以進(jìn)一步提高響應(yīng)速度。
??? 本文針對暗電流和背景光會對ATP系統(tǒng)精度產(chǎn)生干擾的問題，提出了采用對發(fā)射激光進(jìn)行調(diào)制的方法消除其影響，建立了PSD背景光以及暗電流影響的線性模型，并針對實(shí)際系統(tǒng)有可能產(chǎn)生相位偏移的情況，提出解決該問題的卷積算法。整套系統(tǒng)經(jīng)測試達(dá)到所要求中心對準(zhǔn)精度，響應(yīng)速度亦符合設(shè)計要求。
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