基于PSD的高精度太阳敏感器电子学系统设计

朱龙飞， 陈 鼎， 桑 鹏， 李保权

(1.中国科学院 复杂航天系统电子信息技术重点实验室,中国科学院 空间科学与应用研究中心，北京 100190;2.中国科学院大学，北京 100190)



基于PSD的高精度太阳敏感器电子学系统设计

朱龙飞1,2， 陈 鼎1， 桑 鹏1， 李保权1

(1.中国科学院 复杂航天系统电子信息技术重点实验室,中国科学院 空间科学与应用研究中心，北京 100190;2.中国科学院大学，北京 100190)

针对目前国内太阳观测成像仪器稳像系统的需要，提出了一种基于位置敏感探测器(PSD)的高精度太阳敏感器电子学系统的设计，有针对性地提出了提高灵敏度的设计方案和降低系统噪声的具体措施。该系统噪声水平低于4 nA，在工作范围中心区域具备了0.3″的高分辨能力，可以配合偏摆镜结构组成稳像系统，服务于夸父和SPORT计划等具有高分辨率成像需求的太阳成像仪器。

太阳成像； 稳像； 位置敏感探测器； 高精度太阳敏感器

0 引 言

国际上成熟的解决方案是使用独立的稳像系统，以确保可以获得高分辨率的太阳观测图像。目前，美国主导研制的多颗太阳观测卫星，如SOHO，TRACE，STEREO，SDO等，均搭载了独立的高精度稳像系统。独立的稳像系统保证了这些太阳观测卫星的成像精度，基本上都已经达到角秒级别[2～6]。

独立的稳像系统的一个重要组成部分是太阳敏感器，太阳敏感器可以迅速计算出太阳视线与太阳观测成像系统光轴之间的夹角，提供给稳像系统，用以对成像光路进行调整，提高成像的精度和分辨率。若开发出高精度的太阳敏感器，则可以显著提高仪器搭载稳像系统的分辨率与精度。

太阳敏感器的电子学系统设计的质量直接影响稳像系统的分辨率和灵敏度。同时，位置敏感探测器(position sensitive detector, PSD)作为一种响应速度快、位置分辨率高、光谱响应范围宽的位置敏感器件，其在精太阳敏感器中的应用在国内还是空白。本文提出了一种基于PSD的高精度太阳敏感器电子学系统设计方案，并且有针对性地给出了提高灵敏度的设计方案和降低系统噪声的具体措施，使其能够满足高性能稳像系统原理样机的需求，服务于夸父和SPORT等太阳观测卫星高分辨稳像需要。

1 位置敏感探测原理

系统的位置敏感探测原理如图1所示，X-Y是PSD所在平面，经过透镜滤波和聚焦的太阳光，在四象限PSD上形成一个合适大小的光斑，太阳光线垂直于PSD平面入射时，光斑位于PSD正中心，那么,四象限的电流值是相同的；如果太阳入射光路偏离垂直方向，则光斑的位置就会发生偏移，相应的，各个象限的电流就会发生改变。

图1 太阳光斑在PSD上位移示意图

因此，可以根据电流的变化计算出光斑在四象限PSD上的位置，经典的计算方法如式(1)、式(2)所示

(1)

(2)

其中，I1,I2,I3,I4为PSD四个相互独立的象限输出的光电流值(以左上角为起始，顺时针方向)。k值可以通过模拟太阳照射在PSD上进行光斑位移测试得到一个拟合值。因此，只要通过合适的电子学系统检测出PSD四个象限输出的电流值大小，就可以计算出太阳光斑在PSD的位置，进而提供太阳照射角度的信号。

2 高灵敏度电子学系统设计

传统的PSD信号处理电路大多是模拟式的，由运算放大器实现和差运算，由模拟除法器实现除法运算，最终得到与位置信号呈比例的电压信号。这种模拟式PSD信号处理器具有处理速度快的优点，但却不能通用，即由于不同结构PSD的位置公式不同，必须匹配不同运算功能的处理器[7]。因此，本文提出了一种通过运放实现信号采集，通过AD实现信号转换的通用型PSD信号处理电路。该电路具有较高的位移探测灵敏度，可以对PSD输出信号进行精确处理和运算，实现对太阳偏移角度的精确测量，为稳像系统提供图像偏移误差信号。

其电子学系统设计如图2所示，电子学系统由四部分组成，分别是信号获取电路、信号转换电路、数字信号处理电路以及输入输出接口模块。

第三，技能部分。组织开展职业资格认证、专业技能认证、外语等级证书、计算机等级证书等培训工作，帮助学生考证，提高学生就业竞争力。

图2 电子学系统结构图

2.1 信号获取电路

由于PSD输出的光电流为μA级别，信号太弱不适合直接采样输出，故在信号获取阶段，需采用具有电流/电压转换和放大功能的电路，对信号进行放大，以保证信号采样输出的准确性。图3为PSD光电流转换和放大电路原理图。

图3 信号获取电路原理图

PSD四象限输出为μA级信号，需要分辨精度为nA级别，故采用了输入偏置电流为15pA的精密跨阻放大器OP497，该放大器输出噪声峰峰值为亚μV级，将光电流信号转换为电压信号；主放大器采用输出噪声峰峰值为μV级的微功耗放大器OP491，将电压信号进一步放大到便于A/D转换模块采集的范围内。两级放大均采用一片集成4路放大器，以减少PSD四路输出信号的传导误差。

2.2 信号转换电路

经过计算分析，基于PSD的高精度太阳敏感器为了实现1″的测量精度，其电子学部分应实现至少6nA的光电流分辨能力，6nA信号经放大电路后到达A/D转换器时为0.94mV。

为提高电子学的分辨能力，A/D转换电路部分采用16位的低功耗A/D转换器AD7980，单电源2.5V供电，参考电压为5V；图4为AD7980在5V参考电压下采样中心值时的输出信号分布直方图，由此可见其输出噪声为±3LSB，而电路要求的最低分辨能力根据公式(3)计算得出，为12LSB，可见此A/D满足电路系统对于分辨能力的要求

(3)

图4 AD7980采样输出直方图

3 噪声抑制措施

3.1 稳压电源

在电路初期调试阶段，AD7980的参考电压VR与电路的供电电源VCC是同一路电源，在测试中发现参考电压随着输入增大而变得不稳定，输入16μA时，参考电压噪声的峰峰值达到1mV，导致了数字信号转换的精度降低，因而,采用独立的稳压电源芯片来输出AD7980的参考电压VR。

本设计选取的稳压源芯片，其输出值的0～12Hz峰峰值噪声只有8μV，远远低于VR与VCC共用时的峰峰值1mV。当电路输入电流在16μA时，通过公式(4)比较可以得出，稳压芯片对于A/D转换的噪声贡献小于0.054(HEX值)，远远低于电路分辨能力所要求的12,即

(4)

3.2 AD7980电磁环境改善

使用高精度稳压源芯片之后，导致了较大的噪声干扰，影响了稳压源芯片的输出，因而，将晶振周围的铜皮和稳压源芯片周围的铜皮隔开，避免了地电平不稳导致的噪声传播。

针对AD7980基准电压输入REF具有的动态输入阻抗，进行去耦，为使寄生电感最小，最理想的实现方法是将基准电压源的去耦陶瓷电容器正对REF和GND引脚放置，并用较宽的低阻抗走线进行连接。同样，AD7980的电源VDD和VIO的去耦电容器，也应尽量靠近AD7980放置，并用短而宽的走线连接，以提供低阻抗路径并减小电源线路上的毛刺噪声影响。因而，在电路中将原本摆放在其周围的去耦电容器安装在芯片背面，并通过短而宽的走线或铺铜与管脚相连，从而改善了数字信号转换中的噪声状况。

4 实验测试

在硬件调试初期，为了验证电路噪声性能和灵敏度，采用电流源直接接入放大模块模拟光电流对电路性能进行仿真测试。采用Keithley6220型精密直流电源作为模拟源进行仿真实验，模拟光电流输入，由于PSD光电流输出在0～25.8μA范围内变化，故采用电流源的20μA量程范围；在该量程范围内，电流源的最小调整精度为1nA，峰峰值噪声为2nA。

在测试阶段，首先进行噪声分析。选取1～16,20,25μA共18个输入值进行测试。测试结果如图5所示。由数据可知，除个别测试值(8,16,25μA)外，系统输出电流数值的峰峰值仅有3.3nA，最大的峰峰值出现在输入8μA的时候，为3.8nA，输入16,25μA时，峰峰值为3.7nA。

图5 输出与输入光电流误差值分布

在随后进行的分辨率测试中，依然选取1～16,20,25μA共18个输入值进行测试。每个采样值测试时都会加上3nA的跳变，测试电路的分辨能力。结果显示，对于各个采样值，3nA的输入跳变都是可以被分辨出来的。其中一个值的测试结果如图6所示。

图6 3 nA分辨率测试结果

根据PSD的响应曲线可以计算出，3nA的分辨率等价于光斑在PSD中心位置沿坐标轴移动0.165μm可被分辨。光学系统设计中，成像透镜焦距为107.6mm，那么根据公式(5)计算可以得出，角分辨率在中心位置可以达到0.3″

(5)

5 结 论

目前，通过本文所述的技术手段和噪声抑制措施，高精度太阳敏感器的电子学系统配合摆镜结构组成稳像系统，并已经实现了PSD中心位置0.3″的高分辨率，电路噪声也降低到最高只有3.8nA，能够配合摆镜结构组成稳像系统，并服务于夸父和SPORT工程的太阳成像设备中，同时也可以满足其他太阳成像观测仪器的高分辨率需求。

[1]LiBaoquan,ZhuGuangwu,WangShijin,etal.ThesolarX-EUVimagingtelescope[J].ChineseJournalofGeophysics,2005,48(2):235-242.

[2]DelaboundiniereJP,AriznerGE,BrunaudJ,etal.EITextreme-ultravioletimagingtelescopefortheSOHOmission[J].SolarPhysics,1995,162:291-312.

[3]KaiserML,KuceraTA,DavilaJM,etal.TheSTEREOmission:Anintroduction[J].SpaceSciRev,2008,136:5-16.

[4] Handy B N,Acton L W,Kankelborg C C,et al.The transition region and coronal exporer[J].Solar Physics,1999,187:229-260.

[5] Boerner Paul,Edwards Christopher,Lemen James,et al.Initial calibration of the atmospheric imaging assembly(AIA)on the solar dynamics observatory(SDO)[J].Solar Physics,2012,275:41-66.

[6] 曾 超,李 锋,徐向东.光电位置传感器PSD特性及其应用[J].光学仪器,2002,24(4/5):82-85.

[7] Gérard Thuillier,Steven Dewitte,Werner Schmutz.Simultaneous measurement of the total solar irradiance and solar diameter by the PICARD mission[J].Advances in Space Research,2006,38:1792-1806.

[8] 施隆照,黄梅珍,杨小玲,等.二维位置敏感探测器及信号处理器[J].传感器技术,2002,21(8):20-22.

Design of electronics system for high precision sun sensor based on PSD

ZHU Long-fei1,2, CHEN Ding1, SANG Peng1, LI Bao-quan1

(1.Key Laboratory of Electronics and Information Technology for Space Systems, CSSAR,Chinese Academy and Sciences,Beijing 100190, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

To meet the needs of image stabilization system of domestic solar observatory imaging instrument, a position sensitive detector(PSD)-based electronics system design for high-precision sun sensor is proposed.Concrete measures are put forward to improve the sensitivity and reduce system noise.At presemt,level of the system noise is lower than 4 nA,and has high resolving power of 0.3″ in center area of working scope,can cooperate with tip-tilt mirror to make up this system image stabilization system, which serve for Kua Fu and SPORT project and other solar imaging instruments which has high resolution imaging demand.

solar imaging; image stabilization; position sensitive detector(PSD); high-precision sun sensor

2015—01—16

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0087—03

TP 212

A

1000—9787(2015)09—0087—03

朱龙飞(1988-)，男，陕西汉中人，硕士研究生，主要从事低噪声小信号电子学系统设计方向的研究。