位置敏感探測器的信號噪聲自適應抑制方法

摘要 針對位置敏感探測器噪聲來源及特點，提出了一種基于自適應FIR維納濾波器的自適應抑制方法。該方法以維納濾波器為數字濾波器，自適應地調整傳輸特性，提高PSD的信噪比，從而大幅提高了PSD應用系統的測量精度。
關鍵詞 位置敏感探測器；噪聲；自適應抑制

位置敏感探測器(Digital Singnal Processor，PSD)是一種基于橫向光電效應、用于對入射光斑位置的連續變化進行測量的探測器，具有較高的靈敏度和寬的光譜響應范圍，瞬態響應性能好、結構緊湊，PSD在精密尺寸測量、對接，震動測量、轉角測量甚至三維形貌測量、機器人傳感等領域都有廣泛的應用。PSD雖然具有良好的性能，但對光源、環境溫度、外部測量電路等均具有較高的要求，只有在一定的使用條件下，才能充分發揮其性能。針對PSD的這種要求，文中在分析了PSD的工作原理和結構后，詳細說明了PSD的主要噪聲來源，提出了基于位置敏感探測器的信號噪聲自適應抑制方法。

1 PSD的結構和工作原理
PSD可分為一維PSD和二維PSD，通常采用PIN的3層結構，P層是光敏面，在光敏面的邊緣位置設置信號引出電極，N層與反偏電極形成歐姆接觸。當非均勻光照射到光敏面上時，將在入射點和引出電極之間產生橫向電勢。根據電極輸出的光電流和電極間距可以計算出入射光能量重心的位置。對于一維PSD，其位置探測原理如圖1所示。

當入射光斑照射在PSD表面上離中心x處時，在PSD的輸出電極x1，x2上會有相應的光電流Ix1和Ix2輸出，該光電流與光斑在PSD表面上的位置x有對應關系。光斑離PSD中心的位置x可由下式計算

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的有效光敏面長度。

2 PSD的主要噪聲來源
2．1 測量電路噪聲
電子系統內部噪聲是影響PSD位置分辨力的一個重要因素，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，電路的熱噪聲對測量電路總的噪聲貢獻不可忽視，因此在允許的情況下盡可能地降低電阻值。為減少運放對電路噪聲的影響，應采用低噪聲運放，AD823，AD704，OP07，OP1177的測量電路均具有較好的綜合性能，但由于運放封裝數量的原因，可以根據電路的規模進行選擇，如對于一維PSD的測量可以選擇雙封裝AD823或四封裝的AD704。