CN107228684B - 基于自相关滤波技术的psd输出有用信号提取方法 - Google Patents

基于自相关滤波技术的psd输出有用信号提取方法 Download PDF

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Abstract

基于自相关滤波技术的PSD输出有用信号提取方法，涉及光电检测领域，解决现有采样保持法中高电平处的噪声与低电平处噪声相关度较低，降噪效果有限的问题，以及互相关法中很难保证参考信号与光脉冲信号同频的问题。本发明是把PSD输出信号做自相关运算，利用自相关的同频相关、不同频不相关性质，去除杂光等引起的噪声，保留PSD输出与参考信号同频的成分，通过带通滤波器滤出自相关运算结果的基波信号，对基波信号做幅值提取，把提取的幅值作为PSD输出有用信号的度量值。该方法实现杂光产生的噪声的去处，以及PSD输出有用信号的提取，提高了信号提取的精度。

Description

基于自相关滤波技术的PSD输出有用信号提取方法
技术领域
本发明涉及光电检测领域，具体是一种基于自相关滤波技术的位置敏感探测器(PSD)输出有用信号的提取方法，旨在提高PSD检测光斑位置精度。
背景技术
PSD作为一种高精度光电位置敏感探测器，易受背景光等因素干扰导致其光敏面上的光斑位置检测产生误差。为降低背景光等因素的影响，目前的方法主要有采样保持法和互相关法。这两种方法都是以入射PSD光敏面的光束已调制为特定频率的光脉冲信号为前提。
现有专利文献，其公开号为104215265A，名称为“一种高精度的PSD信号降噪方法”，该方法采样PSD输出高、低电平处的信号并保持，然后将两者进行差分运算降低噪声，但是，通常高电平处的噪声与低电平处噪声相关度较低，因此采样保持法降噪效果有限。
使用互相关方法提取PSD输出有用信号(例见《基于2D-PSD的长导轨直线度测量***的研究》，宋庆，长春理工大学硕士学位论文，2015)，须保证参考信号与光脉冲同频。一种情况是直接从光脉冲信号取信号作为参考信号，其缺点是当光束调制电路与PSD输出信号解调电路较远时，需要较长的线缆，十分不便；另一种情况是当使用现场不允许使用较长电缆时，在解调电路中通过自发生电路产生参考信号，其缺点是当光脉冲信号频率不稳定时，很难保证参考信号与光脉冲信号同频。为此，提出一种基于自相关滤波技术的PSD输出有用信号提取方法，用于解决目前采样保持法中降噪效果有限和互相关法中难以保证参考信号与光脉冲信号同频的问题，同时提高信号提取的精度。
发明内容
为了解决上述问题，提出了一种基于自相关滤波技术的PSD输出有用信号提取方法。该方法是把PSD输出信号做自相关运算，利用自相关的同频相关、不同频不相关性质，去除杂光等引起的噪声，保留PSD输出与参考信号同频的成分，通过带通滤波器滤出自相关运算结果的基波信号，对基波信号进行幅值提取，把提取的幅值作为PSD输出有用信号的度量值。
一种基于自相关滤波技术的PSD输出有用信号提取方法，其包括如下步骤：
1)自相关运算，用于去除PSD输出信号中由杂光信号交流成分产生的噪声；
设入射到PSD上的光脉冲信号为：
式(1)中：A为光脉冲信号x(t)幅值，t为时间，W为光脉冲信号脉宽，ω0为光脉冲信号调制角频率。
设入射到PSD上的杂光信号n(t)表示为：
n(t)＝nD+nA(t) (2)
式(2)中：nD表示杂光信号的直流成分，nA(t)表示杂光信号的交流成分。
x(t)和n(t)入射到PSD光敏面，PSD产生的输出信号为：
y(t)＝x′(t)+n′(t) (3)
式(3)中：x′(t)为x(t)引起的有用信号，n′(t)为n(t)引起的噪声。
x′(t)表示为：
式(4)中：K为PSD的响应灵敏度。
n′(t)表示为：
n′(t)＝n′D+n′A(t) (5)
式(5)中：n′A(t)表示杂光信号引起的PSD输出噪声的交流成分，n′D表示杂光信号引起的PSD输出噪声的直流成分。
y(t)自相关运算为：
式(6)中：τ为信号的时延。
由于n′A(t)为PSD输出噪声的交流成分，具有随机性质，由相关运算性质可知：
式(7)代入式(6)得：
式(8)中：B＝KA为有用信号x′(t)的幅值。
由式(8)知，即使脉冲信号x(t)的角频率ω0不稳定发生变化，自相关运算也可有效去除PSD输出噪声的交流成分，同时保留有用信号。
2)带通滤波，用于滤除PSD输出噪声的直流成分和多次谐波，滤出自相关结果的基波成分；
x′(t)的傅里叶级数展开式为：
把式(9)代入式(8)得：
式(10)的傅里叶变换为：
式(11)中：δ(ω)、δ(ω+nω0)和δ(ω-nω0)表示单位脉冲函数。
采用的带通滤波器的传递函数为：
式(12)中：Δω0＜ω0。
对Ry(τ)进行带通滤波，即式(11)与式(12)相乘：
式(13)进行傅里叶逆变换得：
由式(14)知，带通滤波后的信号z(τ)不含有杂光引起的噪声和多次谐波，只含有基波，保留了入射光脉冲信息。
3)幅值特征提取，用于提取有用信号的幅值；
提取式(14)的幅值为：
由式(15)知：幅值Az仅由光脉冲信号幅值A、脉宽W和角频率ω0决定。把幅值Az作为PSD输出有用信号的度量值。
有益效果：本方法解决了采样保持法中降噪效果有限和互相关法中难以保证参考信号与光脉冲信号同频的问题，实现杂光产生的噪声的去除，以及PSD输出有用信号的提取，提高了信号提取的精度。
附图说明
图1是本发明的自相关信号提取原理图；
图2是本发明的自相关信号提取效果图。
具体实施方式
以下将结合附图1对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述：
1)自相关运算，用于滤除PSD输出信号中的由杂光信号交流成分产生的噪声；
入射到PSD上的光脉冲信号为：
式(16)中：信号的幅值A＝5，角频率ω0＝0.01π，脉宽W＝60。
杂光信号为：
n(t)＝nD+nA(t) (17)
式(17)中：噪声的交流成分nA(t)满足直流成分nD＝0.5。
PSD的响应灵敏度K＝0.2，将x(t)和n(t)入射到PSD表面。PSD产生的输出信号为：
y(t)＝x′(t)+n′(t) (18)
式(18)中：x′(t)为x(t)引起的有用信号，n′(t)为n(t)引起的噪声。
x′(t)表示为：
n′(t)表示为：
n′(t)＝n′D+n′A(t) (20)
式(20)中：n′A(t)满足表示杂光信号引起的PSD输出噪声的交流成分，
n′D＝KnD＝0.1 (21)
式(21)中：n′D表示杂光信号引起的PSD输出噪声的直流成分；
y(t)自相关运算为：
式(22)中：τ为信号的时延。
由于n′A(t)为PSD输出噪声的交流成分，具有随机性质，由相关运算性质可知：
式(23)代入式(22)得：
2)带通滤波，用于滤除PSD输出噪声的直流成分和多次谐波，滤出基波成分；
x′(t)的傅立叶展开式为：
式(25)代入式(24)进行自相关运算，得y(t)的自相关运算结果：
式(26)的傅立叶变换为：
式(27)中：δ(ω)、δ(ω+0.01nπ)和δ(ω-0.01nπ)表示单位脉冲函数。
采用的带通滤波器的传递函数为：
对Ry(τ)进行带通滤波，即式(27)与式(28)相乘：
对式(29)进行傅立叶逆变换得：
z(τ)＝0.13cos(0.01πτ) (30)
由式(30)知，带通滤波后的信号z(τ)不含有杂光引起的噪声和多次谐波，只含有基波，保留了入射光脉冲信息。
3)幅值特征提取，用于提取有用信号的幅值；
对基波信号式(30)进行幅值提取得到Az＝0.13，Az作为PSD输出有用信号的度量值。

Claims (1)

1.一种基于自相关滤波技术的PSD输出有用信号提取方法，其特征包括如下步骤：
1)自相关运算，用于去除PSD输出信号中由杂光信号交流成分产生的噪声；
设入射到PSD上的光脉冲信号为：
式(1)中：A为光脉冲信号x(t)幅值，t为时间，W为光脉冲信号脉宽，ω0为光脉冲信号调制角频率；
设入射到PSD上的杂光信号n(t)表示为：
n(t)＝nD+nA(t) (2)
式(2)中：nD表示杂光信号的直流成分，nA(t)表示杂光信号的交流成分；
x(t)和n(t)入射到PSD光敏面，PSD产生的输出信号为：
y(t)＝x′(t)+n′(t) (3)
式(3)中：x′(t)为x(t)引起的有用信号，n′(t)为n(t)引起的噪声；
x′(t)表示为：
式(4)中：K为PSD的响应灵敏度；
n′(t)表示为：
n′(t)＝n′D+n′A(t) (5)
式(5)中：n′A(t)表示杂光信号引起的PSD输出噪声的交流成分，n′D表示杂光信号引起的PSD输出噪声的直流成分；
y(t)自相关运算为：
式(6)中：τ为信号的时延；
由于n′A(t)为PSD输出噪声的交流成分，具有随机性质，由相关运算性质可知：
式(7)代入式(6)得：
式(8)中：B＝KA为有用信号x′(t)的幅值。
由式(8)知，即使脉冲信号x(t)的角频率ω0不稳定发生变化，自相关运算也可有效去除PSD输出噪声的交流成分，同时保留有用信号；
2)带通滤波，用于滤除PSD输出噪声的直流成分和多次谐波，滤出自相关结果的基波成分；
x′(t)的傅里叶级数展开式为：
把式(9)代入式(8)得：
式(10)的傅里叶变换为：
式(11)中：δ(ω)、δ(ω+nω0)和δ(ω-nω0)表示单位脉冲函数；
采用的带通滤波器的传递函数为：
式(12)中：Δω0＜ω0；
对Ry(τ)进行带通滤波，即式(11)与式(12)相乘：
式(13)进行傅里叶逆变换得：
由式(14)知，带通滤波后的信号z(τ)不含有杂光引起的噪声和多次谐波，只含有基波，保留了入射光脉冲信息；
3)幅值特征提取，用于提取有用信号的幅值；
提取式(14)的幅值为：
由式(15)知：幅值Az仅由光脉冲信号幅值A、脉宽W和角频率ω0决定；把幅值Az作为PSD输出有用信号的度量值。
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