位置敏感探測(cè)器的信號(hào)噪聲自適應(yīng)抑制方法

摘要 針對(duì)位置敏感探測(cè)器噪聲來(lái)源及特點(diǎn)，提出了一種基于自適應(yīng)FIR維納濾波器的自適應(yīng)抑制方法。該方法以維納濾波器為數(shù)字濾波器，自適應(yīng)地調(diào)整傳輸特性，提高PSD的信噪比，從而大幅提高了PSD應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)量精度。
關(guān)鍵詞 位置敏感探測(cè)器；噪聲；自適應(yīng)抑制

位置敏感探測(cè)器(Digital Singnal Processor，PSD)是一種基于橫向光電效應(yīng)、用于對(duì)入射光斑位置的連續(xù)變化進(jìn)行測(cè)量的探測(cè)器，具有較高的靈敏度和寬的光譜響應(yīng)范圍，瞬態(tài)響應(yīng)性能好、結(jié)構(gòu)緊湊，PSD在精密尺寸測(cè)量、對(duì)接，震動(dòng)測(cè)量、轉(zhuǎn)角測(cè)量甚至三維形貌測(cè)量、機(jī)器人傳感等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。PSD雖然具有良好的性能，但對(duì)光源、環(huán)境溫度、外部測(cè)量電路等均具有較高的要求，只有在一定的使用條件下，才能充分發(fā)揮其性能。針對(duì)PSD的這種要求，文中在分析了PSD的工作原理和結(jié)構(gòu)后，詳細(xì)說(shuō)明了PSD的主要噪聲來(lái)源，提出了基于位置敏感探測(cè)器的信號(hào)噪聲自適應(yīng)抑制方法。

1 PSD的結(jié)構(gòu)和工作原理
PSD可分為一維PSD和二維PSD，通常采用PIN的3層結(jié)構(gòu)，P層是光敏面，在光敏面的邊緣位置設(shè)置信號(hào)引出電極，N層與反偏電極形成歐姆接觸。當(dāng)非均勻光照射到光敏面上時(shí)，將在入射點(diǎn)和引出電極之間產(chǎn)生橫向電勢(shì)。根據(jù)電極輸出的光電流和電極間距可以計(jì)算出入射光能量重心的位置。對(duì)于一維PSD，其位置探測(cè)原理如圖1所示。

當(dāng)入射光斑照射在PSD表面上離中心x處時(shí)，在PSD的輸出電極x1，x2上會(huì)有相應(yīng)的光電流Ix1和Ix2輸出，該光電流與光斑在PSD表面上的位置x有對(duì)應(yīng)關(guān)系。光斑離PSD中心的位置x可由下式計(jì)算

式中，Ix1和Ix2為從輸出電極上流出的電流；I0=Ix1+Ix2為全光電流；Lx為PSD的有效光敏面長(zhǎng)度。

2 PSD的主要噪聲來(lái)源
2．1 測(cè)量電路噪聲
電子系統(tǒng)內(nèi)部噪聲是影響PSD位置分辨力的一個(gè)重要因素，電路噪聲越低，光電流越大，則位置分辨力越高。電路噪聲主要包括反饋電阻的熱噪聲、運(yùn)放的固有噪聲和溫度漂移等。在相同的反饋電阻下，電路的熱噪聲對(duì)測(cè)量電路總的噪聲貢獻(xiàn)不可忽視，因此在允許的情況下盡可能地降低電阻值。為減少運(yùn)放對(duì)電路噪聲的影響，應(yīng)采用低噪聲運(yùn)放，AD823，AD704，OP07，OP1177的測(cè)量電路均具有較好的綜合性能，但由于運(yùn)放封裝數(shù)量的原因，可以根據(jù)電路的規(guī)模進(jìn)行選擇，如對(duì)于一維PSD的測(cè)量可以選擇雙封裝AD823或四封裝的AD704。