为了分析采用调制法消除暗电流及背景光影响的必要性，首先建立一个PSD输出电流模型，如图1所示，其中I_laser为激光照射的响应分量，其注入位置是在激光的照射点；Iback是背景光影响下的响应分量，该分量由于平均效果可认为是从PSD中心注入的；I_dark是PSD器件的暗电流分量，可以分为两部分，一部分为I_dark0，从中心注入，另一部分为I_dark1，从激光照射点注入的，由于注入位置不同流向两级的电流分量是不同的。根据PSD的探测计算公式可知，各电流对PSD位置探测误差的影响是不同的。

                        
    I_dark1：由于是从激光照射点注入的，其影响下的Ia和Ib与实际探测激光响应量符合相同的分流关系，因此其对探测精度是没有影响的。
    I_dark0以及Iback的影响：由于是从中心注入的，所以这两个电流值会等分叠加到输出的I_a和I_b中去，不满足PSD测量的分流关系，因此叠加到输出信号中势必会造成测量误差。
经过推导，得出在I_dark0及I_back影响下相对探测位置偏差如下：
   
    式(1)表明，I_dark0及I_back越大，相对误差就越大，如果光功率很大，则暗电流和背景噪声的影响就可以忽略，但在实际系统中，由于激光器发射功率的限制以及传输距离较远等因素的影响，入射到PSD的激光功率往往较小，这时候背景光及暗电流的影响是不可忽略的，如图2所示，在入射光功率为0.5mW时，相对误差会达到10％左右。

                     
2 调制法消除暗电流及背景光影响
    背景光与暗电流都是叠加到PSD的探测信号输出电流中去的，但在实际测量中发现，背景光以及暗电流影响的变化是极其缓慢的，其变化周期远远小于系统进行一次调整所需要的时间，因此对于ATP系统来讲，背景光及暗电流在PSD探测信号输出信号上可以近似认为是直流信号。
    针对该特性，可以考虑采用对激光器发射信号进行调制的方式消除背景光及暗电流的影响，如图3所示。

                   
    从图3中可以看出，通过激光器发射一个峰峰值为I、周期为T的方波调制信号，理想情况下，如果没有受到背景光和暗电流的影响，PSD的探测波形应该与发射一致。在受到暗电流及背景光的影响下，由于其直流特性，受到干扰的PSD探测信号仅仅是在理想探测信号基础上叠加了大小为I_dark+I_back的偏置电流，并不会改变调制信号的频率特性以及调制信号的峰峰值，因此只需要测量在背景光和暗电流影响后探测信号的最大值和最小值，两者之差就是实际发射信号的大小，与理想探测信号的大小是一致的，此即调制法滤除背景光及暗电流影响的基本原理。
3 PSD卷积检测算法
    如上节所述，对于调制后的PSD探测信号，只需要测量出其最大值和最小值就可以求出实际的信号大小，但在实际系统中，一般是采用A/D" title="A/D">A/D对探测信号进行采样，即在最大值处采样N次而后求平均得出最大探测值，最小值处采样N次求平均得出最小探测平均值，两者相减即为实际探测信号的大小，但根据A/D的工作原理，其2N次的采样是顺序进行的，并不能保证第一个采样点即为最大值或最小值的开始处，即相位不锁定的情况，具体如图4所示。

                         
    在图4(a)中，高电平" title="高电平">高电平采样恰好都在信号高电平周期内，低电平采样在低电平周期内，因此两者平均值的差值即为真实的探测信号的大小，但在图4(b)中，高电平采样不完全在高电平周期，夹杂低电平信号，而低电平采样不完全在低电平周期，夹杂高电平信号，这样平均计算后高电平值减小，低电平值增大，因此差值减少，即比实际探测信号小，从而导致探测误差的产生。
    针对这个问题，可以采用锁相环电路使得采样与探测信号达到0°锁定，从而避免误差，但这种方法过于繁琐，且增加成本。本文提出一种类似于卷积的算法，利用软件处理来达到相位锁定的目的。
    为简单阐述起见，假设信号每个周期采样4个点，首先从任意时刻开始对信号采样一个半周期，即采样6个点，记为S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆,如图5所示。

                  
    由图5可知，这6个采样点中，必然有两个相邻的点在高电平周期内，同样也有两个相邻的点在低电平周期内，因此将相邻两个数据相加，求得下面6个变量：

    然后比较Sum1至Sum6值的大小，从中找出其中的最大值(Sum1)和最小值(Sum3)，将两者相减后除2就得到实际的探测值，从而达到无需相位完全对准也能避免误差的目的。
在实际使用中，由于方波的波形不是很规则，边缘处往往是缓慢上升或下降，针对这种情况，可以对每周期采样2N个点，然后对相邻K次采样值进行累加求最大值和最小值，K取值小于N，这样可以减少边缘对探测精度的影响，避免误差。
4 ATP系统的整体设计
    整套ATP系统的设计如图6所示。各部件的功能如下：

             
    I/V转换：由于PSD的探测信号为电流信号，因此必须先进行I/V转换以便后续电路的处理。
    前置放大：与PGA配合工作，将所有信号先放大数倍。
    PGA：可编程放大器，在信号较小时可以软件设置较大的放大倍数，信号较大时软件设置较小的放大倍数，从而使得进入AD的信号量级相近，从而提高A/D转换的精度。
    MCU：(1)A/D控制：控制A/D采样，并对采样的数据采用卷积算法计算探测信号；(2)PGA控制：根据信号的大小选择相应的放大倍数输出到PGA芯片中；(3)步进电机" title="步进电机">步进电机控制：根据计算出的偏移量发出相应数量的脉冲控制步进电机向中心位置偏转。
5 系统性能测试
    在实验室条件下对采用该设计方案的ATP系统进行了测试，主要包括两方面：中心对准精度和系统响应速度。
    (1)中心对准精度测量：发射激光功率为0.5mW，调制激光器发射频率为1kHz，测试时分别将激光点偏向PSD表面的20个不同位置处，然后启动ATP系统进行校准，而后测量中心点相对于绝对中心的误差，从而得出系统的中心对准精度，图7给出在20次测量校准以后垂直方向以及水平方向的中心误差情况。