??? 摘 要: 針對自由空間光通信(FSO)關鍵器件——位置敏感探測器(PSD)的特性，提出了采用調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)系統的整體設計方案和實際系統的性能分析。
??? 關鍵詞: ATP? 調制法? 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，它以激光為載體、空氣為介質，主要采用點對點或點對多點的連接方式，其設備以及連接方式都與光纖相似，因此它也具有光纖傳輸的一系列優點，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，因此又具有成本低、架設方便、部署快捷等優點[1]。正是由于諸多優點，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，存在著光束發散角較小的缺點，在實際應用中，振動或風吹等因素都有可能使光束發生偏離，從而影響通信速率或根本不能建立通信，此外，小的發散角也會增加安裝調試的難度。該缺點限制了FSO系統的進一步應用，因此需要一種能夠克服該缺點的方法。
??? 針對FSO系統的上述缺點，主要采用ATP系統(捕獲、跟蹤、對準)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，從而達到提高系統精度的目的，并在此基礎上給出整體ATP系統的設計以及性能測試結果。
1 暗電流及背景光對ATP系統精度的影響
??? 常見的ATP系統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，從不同結構的PSD來看，二面型的PSD要比四邊結構的PSD暗電流大一個量級左右[2]，可以達到μA量級。另一方面，由于FSO系統通常工作在室外，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，從而對系統的精度造成影響[3]。
??? 實驗室環境下對一塊二面型GD3284Y型號的PSD的暗電流及日光燈條件下的背景光電流值進行了測量，結果如表1（5次測量平均結果, 溫度25°）所示。
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??? 為了分析采用調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為激光照射的響應分量，其注入位置是在激光的照射點；Iback是背景光影響下的響應分量，該分量由于平均效果可認為是從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注入的，其影響下的Ia和Ib與實際探測激光響應量符合相同的分流關系，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測量的分流關系，因此疊加到輸出信號中勢必會造成測量誤差。
經過推導，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，但在實際系統中，由于激光器發射功率的限制以及傳輸距離較遠等因素的影響，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，相對誤差會達到10％左右。
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2 調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，但在實際測量中發現，背景光以及暗電流影響的變化是極其緩慢的，其變化周期遠遠小于系統進行一次調整所需要的時間，因此對于ATP系統來講，背景光及暗電流在PSD探測信號輸出信號上可以近似認為是直流信號。
??? 針對該特性，可以考慮采用對激光器發射信號進行調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，通過激光器發射一個峰峰值為I、周期為T的方波調制信號，理想情況下，如果沒有受到背景光和暗電流的影響，PSD的探測波形應該與發射一致。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上疊加了大小為Idark+Iback的偏置電流，并不會改變調制信號的頻率特性以及調制信號的峰峰值，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，兩者之差就是實際發射信號的大小，與理想探測信號的大小是一致的，此即調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
??? 如上節所述，對于調制后的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際的信號大小，但在實際系統中，一般是采用A/D" title="A/D">A/D對探測信號進行采樣，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，兩者相減即為實際探測信號的大小，但根據A/D的工作原理，其2N次的采樣是順序進行的，并不能保證第一個采樣點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，低電平采樣在低電平周期內，因此兩者平均值的差值即為真實的探測信號的大小，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，即比實際探測信號小，從而導致探測誤差的產生。
??? 針對這個問題，可以采用鎖相環電路使得采樣與探測信號達到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，利用軟件處理來達到相位鎖定的目的。
??? 為簡單闡述起見，假設信號每個周期采樣4個點，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，記為S1、S2、S3、S4、S5、S6,如圖5所示。
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??? 由圖5可知，這6個采樣點中，必然有兩個相鄰的點在高電平周期內，同樣也有兩個相鄰的點在低電平周期內，因此將相鄰兩個數據相加，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就得到實際的探測值，從而達到無需相位完全對準也能避免誤差的目的。
在實際使用中，由于方波的波形不是很規則，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，然后對相鄰K次采樣值進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系統的整體設計
??? 整套ATP系統的設計如圖6所示。各部件的功能如下：
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??? I/V轉換：由于PSD的探測信號為電流信號，因此必須先進行I/V轉換以便后續電路的處理。
??? 前置放大：與PGA配合工作，將所有信號先放大數倍。
??? PGA：可編程放大器，在信號較小時可以軟件設置較大的放大倍數，信號較大時軟件設置較小的放大倍數，從而使得進入AD的信號量級相近，從而提高A/D轉換的精度。
??? MCU：(1)A/D控制：控制A/D采樣，并對采樣的數據采用卷積算法計算探測信號；(2)PGA控制：根據信號的大小選擇相應的放大倍數輸出到PGA芯片中；(3)步進電機" title="步進電機">步進電機控制：根據計算出的偏移量發出相應數量的脈沖控制步進電機向中心位置偏轉。
5?系統性能測試
??? 在實驗室條件下對采用該設計方案的ATP系統進行了測試，主要包括兩方面：中心對準精度和系統響應速度。
??? (1)中心對準精度測量：發射激光功率為0.5mW，調制激光器發射頻率為1kHz，測試時分別將激光點偏向PSD表面的20個不同位置處，然后啟動ATP系統進行校準，而后測量中心點相對于絕對中心的誤差，從而得出系統的中心對準精度，圖7給出在20次測量校準以后垂直方向以及水平方向的中心誤差情況。
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??? 從測量結果中可以看出，經過ATP系統校準以后，系統的平均水平偏移為7.345μm，平均垂直偏移為8.465μm，已經基本接近PSD的分辨率極限。
?? (2)系統響應速度測量：將激光照射斑點調至PSD最邊緣處(左上角點)，并設置步進電機的工作脈沖為25kHz，啟動ATP控制程序，觀測程序執行完畢所需要的時間為1.2s，此值即為ATP系統的最大響應時間。整套系統最耗時的地方是步進電機的執行時間，提高步進電機的脈沖頻率可以減少執行的時間，實驗室測量時為保護電機給出的工作脈沖是25kHz，而步進電機最大的工作脈沖可以到70kHz，提高脈沖頻率可以進一步提高響應速度。
??? 本文針對暗電流和背景光會對ATP系統精度產生干擾的問題，提出了采用對發射激光進行調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，并針對實際系統有可能產生相位偏移的情況，提出解決該問題的卷積算法。整套系統經測試達到所要求中心對準精度，響應速度亦符合設計要求。
參考文獻
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