??? 摘 要: 針對(duì)自由空間光通信(FSO)關(guān)鍵器件——位置敏感探測(cè)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(jì)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(cè)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(hào)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(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)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(dòng)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(huì)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(duì)FSO系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)，主要采用ATP系統(tǒng)(捕獲、跟蹤、對(duì)準(zhǔn))加以克服。本文所要探討的是如何減少前端探測(cè)器件——位置敏感探測(cè)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(jì)以及性能測(cè)試結(jié)果。
1 暗電流及背景光對(duì)ATP系統(tǒng)精度的影響
??? 常見的ATP系統(tǒng)的前端探測(cè)裝置是位置敏感探測(cè)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(gè)量級(jí)左右[2]，可以達(dá)到μA量級(jí)。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(huì)疊加在PSD的探測(cè)信號(hào)輸出中的，從而對(duì)系統(tǒng)的精度造成影響[3]。
??? 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)一塊二面型GD3284Y型號(hào)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(cè)量，結(jié)果如表1（5次測(cè)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(gè)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(jí)的電流分量是不同的。根據(jù)PSD的探測(cè)計(jì)算公式可知，各電流對(duì)PSD位置探測(cè)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(cè)激光響應(yīng)量符合相同的分流關(guān)系，因此其對(duì)探測(cè)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(gè)電流值會(huì)等分疊加到輸出的Ia和Ib中去，不滿足PSD測(cè)量的分流關(guān)系，因此疊加到輸出信號(hào)中勢(shì)必會(huì)造成測(cè)量誤差。
經(jīng)過推導(dǎo)，得出在Idark0及Iback影響下相對(duì)探測(cè)位置偏差如下：
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??? 式(1)表明，Idark0及Iback越大，相對(duì)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(shí)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(shí)，相對(duì)誤差會(huì)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(cè)信號(hào)輸出電流中去的，但在實(shí)際測(cè)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(shí)間，因此對(duì)于ATP系統(tǒng)來講，背景光及暗電流在PSD探測(cè)信號(hào)輸出信號(hào)上可以近似認(rèn)為是直流信號(hào)。
??? 針對(duì)該特性，可以考慮采用對(duì)激光器發(fā)射信號(hào)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(gè)峰峰值為I、周期為T的方波調(diào)制信號(hào)，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(cè)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(cè)信號(hào)僅僅是在理想探測(cè)信號(hào)基礎(chǔ)上疊加了大小為Idark+Iback的偏置電流，并不會(huì)改變調(diào)制信號(hào)的頻率特性以及調(diào)制信號(hào)的峰峰值，因此只需要測(cè)量在背景光和暗電流影響后探測(cè)信號(hào)的最大值和最小值，兩者之差就是實(shí)際發(fā)射信號(hào)的大小，與理想探測(cè)信號(hào)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(cè)算法
??? 如上節(jié)所述，對(duì)于調(diào)制后的PSD探測(cè)信號(hào)，只需要測(cè)量出其最大值和最小值就可以求出實(shí)際的信號(hào)大小，但在實(shí)際系統(tǒng)中，一般是采用A/D" title="A/D">A/D對(duì)探測(cè)信號(hào)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(cè)值，最小值處采樣N次求平均得出最小探測(cè)平均值，兩者相減即為實(shí)際探測(cè)信號(hào)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(gè)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(hào)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(cè)信號(hào)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(hào)，而低電平采樣不完全在低電平周期，夾雜高電平信號(hào)，這樣平均計(jì)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(cè)信號(hào)小，從而導(dǎo)致探測(cè)誤差的產(chǎn)生。
??? 針對(duì)這個(gè)問題，可以采用鎖相環(huán)電路使得采樣與探測(cè)信號(hào)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(jiǎn)單闡述起見，假設(shè)信號(hào)每個(gè)周期采樣4個(gè)點(diǎn)，首先從任意時(shí)刻開始對(duì)信號(hào)采樣一個(gè)半周期，即采樣6個(gè)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(gè)采樣點(diǎn)中，必然有兩個(gè)相鄰的點(diǎn)在高電平周期內(nèi)，同樣也有兩個(gè)相鄰的點(diǎn)在低電平周期內(nèi)，因此將相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)相加，求得下面6個(gè)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(cè)值，從而達(dá)到無需相位完全對(duì)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(duì)這種情況，可以對(duì)每周期采樣2N個(gè)點(diǎn)，然后對(duì)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(duì)探測(cè)精度的影響，避免誤差。
4?ATP系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
??? 整套ATP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(cè)信號(hào)為電流信號(hào)，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(hào)先放大數(shù)倍。
??? PGA：可編程放大器，在信號(hào)較小時(shí)可以軟件設(shè)置較大的放大倍數(shù)，信號(hào)較大時(shí)軟件設(shè)置較小的放大倍數(shù)，從而使得進(jìn)入AD的信號(hào)量級(jí)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(duì)采樣的數(shù)據(jù)采用卷積算法計(jì)算探測(cè)信號(hào)；(2)PGA控制：根據(jù)信號(hào)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(jì)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(cè)試
??? 在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)采用該設(shè)計(jì)方案的ATP系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，主要包括兩方面：中心對(duì)準(zhǔn)精度和系統(tǒng)響應(yīng)速度。
??? (1)中心對(duì)準(zhǔn)精度測(cè)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(cè)試時(shí)分別將激光點(diǎn)偏向PSD表面的20個(gè)不同位置處，然后啟動(dòng)ATP系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，而后測(cè)量中心點(diǎn)相對(duì)于絕對(duì)中心的誤差，從而得出系統(tǒng)的中心對(duì)準(zhǔn)精度，圖7給出在20次測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)ATP控制程序，觀測(cè)程序執(zhí)行完畢所需要的時(shí)間為1.2s，此值即為ATP系統(tǒng)的最大響應(yīng)時(shí)間。整套系統(tǒng)最耗時(shí)的地方是步進(jìn)電機(jī)的執(zhí)行時(shí)間，提高步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率可以減少執(zhí)行的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量時(shí)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(duì)暗電流和背景光會(huì)對(duì)ATP系統(tǒng)精度產(chǎn)生干擾的問題，提出了采用對(duì)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(duì)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(cè)試達(dá)到所要求中心對(duì)準(zhǔn)精度，響應(yīng)速度亦符合設(shè)計(jì)要求。
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