CN101285715A - 微弱脉冲光信号检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

一种微弱脉冲光信号检测装置和检测方法，该装置包括高灵敏度光电倍增管、前置放大器、高速数字信号处理器和计算机，所述的高速数字信号处理器划分为高速A/D单元、自动阈值设置单元、单光子甄别输出单元、自适应脉宽匹配滤波单元、脉冲提取与定位输出单元和解调单元，所述的高速数字信号处理器通过软件实现单光子甄别与通信信号处理。该检测装置和检测方法可以解决在不同应用场合、背景噪声和脉冲畸变下的脉冲光信号检测和提取的难题，基于高速DSP芯片，成本低，集成度高，具有一定的智能、灵敏度高、抗噪能力强、误码率低、结构简单和重量轻，可用于自由空间激光通信中脉冲位置调制微弱脉冲光信号的检测。

Description

微弱脉冲光信号检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及一种背景噪声下的微弱脉冲光信号检测装置，特别是一种基于高速数字信号处理器(DSP)实现的、自动设置阈值与自适应脉宽的单光子甄别计数技术的微弱脉冲光信号检测装置和检测方法，可以在背景噪声情况下准确的检测和提取微弱的脉冲位置调制脉冲光信号，进而在此基础上对准确提取到的脉冲光信号进行正确的解调，并将解调结果实时输出显示和存储。

背景技术

随着脉冲激光器技术的不断发展，激光越来越广泛应用于自由空间激光通信领域，传输距离也在不断增加，应用场合也越来越多样化，与此同时随着激光传输距离的增加，传输信道所导致的脉冲畸变与衰减也越来越严重，接收能量达到了每微秒几个光子的水平甚至更低，接收脉冲的宽度也从上百纳秒～几十微秒甚至更长。通常自由空间激光通信大都采用脉冲位置调制方式，因而脉冲的畸变严重影响信号的正确解调，从而对光电检测技术也提出了越来越高的要求，传统的模拟光电探测技术已难以满足通信要求，单光子探测技术正在被越来越多的采用，相比较于传统的光电检测技术，单光子检测技术具有更高的灵敏度，可以用于探测微弱光信号。基于通信时信号的不确定和不可预知问题，对微弱光信号的接收提出了多方面要求：

①采用单光子探测技术，以满足超高灵敏度需求；

②能从背景噪声环境中提取信号，能根据不同应用场合、不同的背景噪声情形自动设置单光子甄别阈值，同时还能够抵抗一定的突发噪声；

③能够根据接收到的信号脉冲宽度情况自动调节匹配滤波的参数，准确的提取脉冲位置，并对提取的脉冲信号进行正确的解调，满足通信误码率性能要求；

④能够实时连续工作，装置集成化程度高，工作稳定可靠，成本低。

现有的单光子检测技术多采用国外进口的单光子计数卡，价格昂贵，开发灵活性差，无法满足特定需求，采用与单光子能量甄别的方案，主要解决高灵敏度的问题，然而对于实际的激光通信应用系统而言，通常处于背景光噪声中，同时随着应用场合的不同，背景噪声特性也会发生变化；此外传统的单光子检测技术通常采用固定脉宽周期内计数的方式对信号脉冲进行识别和提取，难于适应脉宽发生变化的场合，容易导致误码的产生。

发明内容

本发明要解决的问题在于克服上述传统光电检测技术和一般单光子检测技术在自由空间激光通信应用当中所遇到的难题，提供一种微弱脉冲光信号检测装置和检测方法，该装置可以解决在不同应用场合、背景噪声和脉冲畸变下的脉冲光信号检测和提取的难题，基于高速DSP芯片，成本低，集成度高，具有一定的智能、灵敏度高、抗噪能力强、误码率低、结构简单和重量轻，可用于自由空间激光通信中脉冲位置调制微弱脉冲光信号的检测。

本发明的技术解决方案如下：

一种微弱脉冲光信号检测装置，其特点是包括高灵敏度光电倍增管、前置放大器、高速数字信号处理器和计算机，所述的高速数字信号处理器划分为高速A/D单元、自动阈值设置单元、单光子甄别输出单元、自适应脉宽匹配滤波单元、脉冲提取与定位输出单元和解调单元，通过软件实现单光子甄别与通信信号处理。

利用上述的装置进行微弱激光脉冲激光信号的探测方法，包括如下步骤：

①准备工作：所述的高速数字信号处理器上电复位，由该高速数字信号处理器的晶振提供主时钟信号f₀、T₀，并通过内部分频器分频输出f₁、T₁作为高速A/D单元数据采集A/D的时钟信号，再由该时钟信号送可调计数器，初步设置计数值，向自适应脉宽匹配滤波单元提供初始匹配滤波脉冲宽度为T₂的时钟信号f₂、T₂；

②光电转换：高灵敏度光电倍增管将微弱光信号转换为电信号并通过小信号低噪声前置放大电路放大后送入所述的高速数字信号处理器的高速A/D单元，将模拟信号转换为数字信号；

③自适应阈值甄别：在所述的高速数字信号处理器工作状态稳定后，该高速数字信号处理器将自适应阈值设置单元所有寄存器清零，并首先工作在阈值模式，接收高速A/D单元输出的数字信号，并将1秒钟内的背景噪声统计平均得到

依据误码率性能的要求和背景噪声设置甄别阈值为： $D=Q*\sqrt{N_0},$ 其中Q为正整数，即甄别阈值为背景噪声的倍数，随之转入甄别模式，单光子甄别输出单元依次对高速A/D单元输出的数字信号进行甄别，确保在噪声情况下无输出，即输出为“0”，在有信号到达时，输出为“1”；

④自适应脉宽匹配滤波与最大似然检测：根据最大似然判决准则和匹配滤波的原理，确定初始似然判决门限N′，自适应脉宽匹配滤波单元在脉冲宽度T₂内，对单光子甄别输出单元的输出结果进行累加，并将累加结果N与初始似然判决门限N′比较，如果大于则认为是信号脉冲，进而统计此时的最长连“1”的个数，自动调节累加的脉冲宽度T₂和似然判决门限N′，确保对脉冲信号的准确匹配，并依据最大似然准则，依次对后续输入信号进行自适应脉宽匹配滤波与最大似然检测信号处理；

⑤脉冲提取与定位：脉冲提取与定位输出单元完成微弱脉冲信号的检测与定位；

⑥解调及结果显示：解调单元对脉冲提取与定位输出单元准确提取的脉冲位置信息进行实时解调，并将解调结果送后续计算机存储和显示，完成通信。

本发明的技术特点是：

1、通过基于高速DSP、软件实现的单光子甄别与信号处理模块中的高速A/D单元、自动阈值设置单元和自适应脉宽匹配滤波单元，可以根据背景噪声依据误码率性能要求自动设置判决门限、根据接收信号的脉宽自适应设置最佳脉宽，同时采用了最佳似然判决可以剔除突发噪声干扰，从背景噪声中准确地提取微弱脉冲光信号。

2、所述的基于高速DSP、软件实现的单光子甄别与信号处理模块中的高速A/D单元，可以将前置放大输出的模拟光信号以极高的速率转换为数字信号。

3、所述的自动阈值设置单元可以首先在没有信号的时候工作在阈值模式，并根据接收到的背景噪声情况依据误码率性能要求设置单光子判决门限。

4、所述的单光子甄别单元可以依据前述确定的单光子判决门限工作在甄别模式，确保背景噪声不被甄别为单光子输出，同时也使得有光信号时的光能量都能甄别出来。

5、所述的自适应脉宽匹配滤波单元可以基于预先计算的脉宽对输入信号进行匹配滤波进而再配合脉冲提取与定位输出单元根据接收到的信号脉宽通过可调计数器自适应调节设置到最佳匹配脉宽，从背景噪声中提取出微弱脉冲光信号。

6、所述的脉冲提取与定位输出单元可以配合前述自适应脉宽匹配滤波单元基于最大似然判决准则，依据匹配滤波输出设置似然判决门限，剔除突发噪声的影响，结合匹配滤波从接收到的光信号当中提取出有用的微弱脉冲光信号并对脉冲位置进行精确定位。

7、所述的解调单元可以依据前述准确提取的脉冲位置信息对接收到的脉冲位置调制信号进行实时解调，并将解调结果送后续计算机PC实时显示和存储；

8、所述的高速DSP的高频率稳定度、高频晶振作为本装置的主时钟f₀、T₀，并由该主时钟通过DSP内的分频器提供用于高速A/D的时钟f₁、T₁，再由该时钟经过DSP内的另一可调计数器提供用于匹配滤波的时钟f₂、T₂。

9、本发明通过所述的以高速数字信号处理器(DSP)为主器件的电路来实现，体积小，重量轻，集成度高，可靠性好，性价比高。

本发明的优点在于：

①本发明采用高速数字信号处理器(DSP)结合高速A/D来实现甄别阈值和脉宽的自适应设置，因此，装置体积小，重量轻，集成度高，性价比高；

②本发明采用了单光子计数探测技术，具有高探测灵敏度，可以达到单光子量级；

③本发明采用了自动设置甄别阈值的技术，可以在不同应用场合根据背景噪声强度和误码性能要求自动设置判决门限，降低了对接收信号信噪比的要求，拓宽了应用场合，减少了人工设置和调节环节；

④本发明采用了自适应脉宽的技术，可以在接收到的脉冲信号发生畸变的情况下，基于预设好的某个次佳脉宽根据实际脉宽调整到最佳脉宽，从而获得最佳的匹配滤波效果，确保脉冲位置的准确提取及后续正确解调，提高了系统的误码性能，同时由于基于最大似然判决，抗突发噪声能力也强；

⑤本发明解决了在不同应用场合、背景噪声和脉冲畸变的情况下准确提取微弱脉冲光信号的难题，并可基于发送端采取的调制方式对其进行准确的解调，满足通信性能要求，可广泛应用于自由空间激光通信中，具有广阔的应用前景，可以推动相关技术的不断实用，具有良好的市场前景。

附图说明

图1为本发明微弱脉冲光信号检测装置整体结构示意图；

图2为本发明微弱脉冲光信号检测装置中DSP3的内部逻辑功能单元划分示意图；

图3为本发明基于高速DSP实现的、自动设置阈值与自适应脉宽的单光子甄别计数技术的微弱脉冲光信号检测装置的时序图；

图4为本发明基于高速DSP实现的、自动设置阈值与自适应脉宽的单光子甄别计数技术的微弱脉冲光信号检测装置的流程图。

图中：1-高灵敏度光电倍增管、2-前置低噪声放大电路、3-高速数字信号处理器(DSP)、4-计算机、31-可调分频器、32-高速A/D单元、33-单光子甄别自动阈值设置单元、34-单光子甄别输出单元、35-自适应脉冲宽度匹配滤波单元、36-脉冲提取与定位输出单元、37-可设置计数器、38-解调单元。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明装置以某场合下的自由空间激光通信为实施例，采用脉冲位置调制方式，其预计接收到的信号脉冲宽度为250ns，信号强度小于1nw，误码率要求优于Pe＜＝10-5。

首先请参照图1和图2，图1为本发明微弱脉冲光信号检测装置整体结构示意图，图2为本发明微弱脉冲光信号检测装置中DSP3的内部逻辑功能单元划分示意图，由图可见，本发明微弱脉冲光信号检测装置，包括高灵敏度光电倍增管1、前置放大器2、高速数字信号处理器3和计算机4，所述的高速数字信号处理器3划分为高速A/D单元32、自动阈值设置单元33、单光子甄别输出单元34、自适应脉宽匹配滤波单元35、脉冲提取与定位输出单元36和解调单元38，通过软件实现的单光子甄别与通信信号处理。

请参照图3，图3为本发明微弱脉冲光信号检测装置及方法的时序图。由图3可知，本发明微弱脉冲光信号检测装置由DSP3内高频率稳定度160MHz高频晶振提供主时钟——频率为f₀、周期为T₀，再由该主时钟经内部可调分频器31设置为四分频后得到用于对待检侧信号进行40MHz高速A/D转换的时钟频率f₁、周期T₁，在周期T₁内对检测信号进行取样并在脉冲下降沿与判决门限进行判决，输出“1”或者“0”信号送数字缓冲区存储；此外由该时钟f₁经另一可调计数器37设置后得到用于进行匹配滤波的时钟频率f₂、周期T₂，对缓冲区周期T₂内的数字信号进行累加，经匹配滤波后检测和提取出脉冲信号，如果没有达到最佳匹配滤波效果，根据统计的最长连“1”个数自适应对该可调计数器进行调节，以达到最佳匹配效果，从而准确提取脉冲信号位置。

最后请参照图4，图4为本发明检测装置的DSP程序流程图。由图4可知，DSP上电复位后，首先通过置位31和37获得时钟f₁和f₂，通过置位35获得初始似然判决门限，接着启动高速A/D32对检测到的模拟信号进行模数转换，并由自动阈值设置单元33工作在阈值模式，根据背景噪声和性能要求自动设置单光子甄别阈值，然后由单光子甄别单元34根据设置好的阈值判决是否为单光子，并通过可调计数器37对其进行计数，随后自适应脉冲宽度匹配滤波单元35对该计数结果进行匹配滤波和最大似然判决，根据前面的判决结果脉冲提取与定位输出单元36提取出脉冲位置并送解调单元38进行解调，与此同时通过对最长连“1”个数的统计，修正可调计数器37参数，以达到最佳的匹配滤波效果，并由修正后的匹配滤波和似然检测完成后续输入信号的检测，最终解调单元38将根据接收到脉冲位置信息对接收信号进行正确的解调，并将该正确解调后的结果通过串口实时发送计算机4，最终该计算机4通过串口将接收到的信号实时存储和显示。

本实施例采用的具体器件为：所述高灵敏度光电检测器1为滨松(HAMAMATSU)光电倍增管；所述前置低噪声放大电路2为其专用小信号低噪声放大模块；计算机PC4为P4电脑，后续可调分频器31、高速A/D单元32、单光子甄别自动阈值设置单元33、单光子甄别输出单元34、自适应脉冲宽度匹配滤波单元35、脉冲提取与定位输出单元36、可调计数器37和解调单元38都由以TMS320VC5416-160定点高速DSP为主芯片、软件实现的单光子甄别与信号处理模块3实现，该160MHz高速DSP3为定点数运算方式，采用双总线结构，提供了许多多功能指令，采用流水线工作方式，并行运算能力强。其中40MHz高速A/D单元32将输入数据转换后送DSP数据端口，通过软件编程控制上述各项功能的实现；由片内160MHz高稳定度晶振提供主时钟f₀；主时钟经可设置分频器31作四分频得到f₁＝40MHz、周期为25ns，即A/D转换速率为40Mbps，A/D转换后得到的值与单光子判决门限对照，判决输出为“0”或者“1”；再由该时钟经可调计数器9初始计数分频后得到f₂＝4MHz、周期T₂为250ns，用作初始的匹配滤波脉冲宽度。

结合图1、图2、图3和图4，本发明实施例自动设置阈值与自适应脉宽的单光子甄别计数技术的微弱脉冲光信号检测的具体过程是：

①首先在信号到达之前开启本装置使各部件进入工作状态，并通过对可调分频器31和可调计数器37置位分别得到时钟f₁和f₂，此时没有信号到达，DSP3工作在阈值模式，即PMT1检测到的都是背景噪声n(t)，经前置放大2后该信号经40M高速A/D单元32转换后，单光子甄别自动阈值设置单元33在1S内对其做统计平均得到

并作为单光子甄别的阈值取值的参照；

②其次根据最佳判决准则，基于所要求的误码率性能判决阈值取为不小于背景噪声的2倍，原因在于基于“0”码和“1”码等概率的码流而言，最小误码率可以表示为：

$P_e=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_Q^{\∞}\exp (-x^2/2)\mathrm{dx}$

式中 $Q=D/\sqrt{N_0},$ 表示对“0”码进行判决时，判决门限D超过平均噪声的倍数，含有信噪比的概念，本发明实施例考虑到误码性能P_e＜＝10^-5的性能要求，参照上式甄别门限D取为背景噪声的4倍，即 $D=4*\sqrt{N_0},$ 相当于对接收信号的信噪比(SNR)要求为信噪比(SNR)＞＝4，相对于传统的光电检测，对于在同样的误码率性能的要求下信噪比(SNR)＞＝16的要求，降低了对接收信号的要求，即提高了接收灵敏度和接收性能。单光子甄别自动阈值设置单元33在根据背景噪声和误码率性能要求设置好甄别阈值后，DSP3转入甄别模式；

③此时微弱光信号经高灵敏度光电检测器1被转换为电信号并通过小信号低噪声放大电路2放大后即s(t)送后续电路处理，在由可设置分频器3设置的时间周期T₁＝25ns由高速A/D单元32对其进行40M高速A/D转换，并由单光子甄别输出单元34根据前述设置的甄别门限进行甄别，确保在噪声情况下无输出，即输出s(j)为“0”，在有信号到达时有输出，即输出s(j)为“1”；

④随后根据最大似然判决准则和匹配滤波的原理，由自适应脉冲宽度匹配滤波单元35在预设某一脉冲宽度T₂＝250ns的时间内对自动设置阈值判决输出结果进行累加，根据累加结果S₀(j)＝“N”依据最大似然准则，将累加结果N与初始似然判决门限N′对照，判断是否为真实光信号脉冲而非突发噪声，如果大于则认为为信号脉冲，进而统计此时的最长连“1”个数，配合脉冲提取与定位输出单元36据此控制可调计数器37自动调节累加的脉冲宽度T₂和似然判决门限N′，确保对脉冲信号的准确匹配，并依据最大似然准则，依次对后续输入信号进行自适应脉宽匹配滤波与最大似然检测信号处理。脉冲提取与定位输出单元36配合前述自适应脉宽匹配滤波单元基于最大似然判决准则，依据匹配滤波输出自适应设置似然判决门限N′并通过可调计数器反馈设置脉冲宽度T₂，与此同时基于匹配滤波和最大似然判决的结果可以准确的判断是否为真实光信号脉冲而非突发噪声，剔除突发噪声，从而在获得最大似然判决结果为“1”的时刻即为准确的脉冲信号位置，将该时刻存储并实时送后续解调解码处理，即从接收到的光信号当中提取出了有用的微弱脉冲光信号并对脉冲位置进行了精确定位，完成了微弱脉冲光信号的检测与定位。

采用匹配滤波的原因在于在白噪声环境下所有的线性滤波器中，匹配滤波器输出的信噪比最大。最佳匹配滤波器的响应函数h(j)是输入信号s(j)的镜像平移函数，理想情况下甄别判决后的脉冲为长度P的矩形系列，因此h(j)实际运用中取一个长度为P的单位矩形系列，则输出为：

$S_0\left(j\right)=s\left(j\right)*h\left(j\right)=\underset{i=0}{\overset{P-1}{\mathrm{\Σ}}}s(j-i)$

而就噪声而言输出噪声为：

$N_0\left(j\right)=\underset{i=0}{\mathrm{\Σ}}n(j-i)$

由于n(j)，n(j-1)，n(j-2)，……n(j-p+1)互不相关，N₀(j)不会得到相关增强，因此匹配滤波器输出的最大峰值信噪比将比原始输入的信噪比要高，从而更加有利于准确提取脉冲和找到脉冲位置。对于本发明而言，初始设置的脉冲长度为P＝10(即认为检测到的脉冲实际宽度接近T₂＝10×T₁＝250ns)的单位矩形进行匹配滤波，而后通过探测到的输出情形自动调节匹配滤波的时间长度为P＝14(即实际检测到的脉冲宽度T₂＝14×T₁＝350s)，从而达到一个最佳的匹配滤波。

⑤基于前面的步骤，脉冲提取与定位输出单元36可以在背景噪声情况下，剔除突发噪声、准确判断所接收信号是否为有用脉冲光信号，同时可以准确的提取脉冲的位置，并反馈控制可调计数器调节脉冲宽度，最后由解调单元38根据前述准确检测和提取出的脉冲位置信息对接收信号进行相应的解调，最终将解调结果通过串口实时发送到P4电脑4，由该P4电脑4通过串口接收、存储并实时显示，完成通信。

Claims (2)

1、一种微弱脉冲光信号检测装置，其特征在于包括高灵敏度光电倍增管(1)、前置放大器(2)、高速数字信号处理器(3)和计算机(4)，所述的高速数字信号处理器(3)划分为高速A/D单元(32)、自动阈值设置单元(33)、单光子甄别输出单元(34)、自适应脉宽匹配滤波单元(35)、脉冲提取与定位输出单元(36)和解调单元(38)，通过软件实现单光子甄别与通信信号处理。

2、利用权利要求1所述的装置进行微弱激光脉冲激光信号的探测方法，包括如下步骤：

①准备工作：所述的高速数字信号处理器(3)上电复位，由该高速数字信号处理器的晶振提供主时钟信号f₀、T₀，并通过内部分频器(31)分频输出f₁、T₁作为高速A/D单元(32)数据采集A/D的时钟信号，再由该时钟信号送可调计数器(37)，初步设置计数值，向自适应脉宽匹配滤波单元(35)提供初始匹配滤波脉冲宽度为T₂的时钟信号f₂、T₂；

②光电转换：通过高灵敏度光电倍增管(1)将微弱光信号转换为电信号并通过小信号低噪声前置放大电路(2)放大后送入所述的高速数字信号处理器(3)的高速A/D单元(32)，将模拟信号转换为数字信号；

③自适应阈值甄别：在所述的高速数字信号处理器(3)工作状态稳定后，该高速数字信号处理器(3)将自适应阈值设置单元(33)所有寄存器清零，并首先工作在阈值模式，接收高速A/D单元(32)输出的数字信号，并将1秒钟内的背景噪声统计平均得到

依据误码率性能的要求和背景噪声设置甄别阈值为： $D=Q*\sqrt{N_0},$ 其中Q为正整数，即甄别阈值为背景噪声的倍数，随之转入甄别模式，单光子甄别输出单元(34)依次对高速A/D单元(32)输出的数字信号进行甄别，确保在噪声情况下无输出，即输出为“0”，在有信号到达时，输出为“1”；

④自适应脉宽匹配滤波与最大似然检测：根据最大似然判决准则和匹配滤波的原理，确定初始似然判决门限N′，自适应脉宽匹配滤波单元(35)在脉冲宽度T₂内，对单光子甄别输出单元(34)的输出结果进行累加，并将累加结果N与初始似然判决门限N′比较，如果大于则认为是信号脉冲，进而统计此时的最长连“1”的个数，自动调节累加的脉冲宽度T₂和似然判决门限N′，确保对脉冲信号的准确匹配，并依据最大似然准则，依次对后续输入信号进行自适应脉宽匹配滤波与最大似然检测信号处理；

⑤脉冲提取与定位：脉冲提取与定位输出单元(36)完成微弱脉冲信号的检测与定位；

⑥解调及结果显示：解调单元(38)对脉冲提取与定位输出单元(36)准确提取的脉冲位置信息进行实时解调，并将解调结果送后续计算机(4)存储和显示，完成通信。

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