RU2755602C1 - Method for threshold detection of optical signals - Google Patents

Method for threshold detection of optical signals Download PDF

Info

Publication number
RU2755602C1
RU2755602C1 RU2020138730A RU2020138730A RU2755602C1 RU 2755602 C1 RU2755602 C1 RU 2755602C1 RU 2020138730 A RU2020138730 A RU 2020138730A RU 2020138730 A RU2020138730 A RU 2020138730A RU 2755602 C1 RU2755602 C1 RU 2755602C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
threshold
frequency
noise
avalanche
photodiode
Prior art date
Application number
RU2020138730A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Григорьевич Вильнер
Михаил Михайлович Землянов
Евгений Викторович Кузнецов
Александр Ефремович Сафутин
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority to RU2020138730A priority Critical patent/RU2755602C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2755602C1 publication Critical patent/RU2755602C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/175—Indicating the instants of passage of current or voltage through a given value, e.g. passage through zero
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

FIELD: optical signal detection.
SUBSTANCE: invention relates to the technique of isolating signals from noise using avalanche photodiodes. A method for threshold detection of optical signals using an avalanche photodiode, including threshold signal processing and the formation of output pulses when the signal from the output of the photodiode exceeds the specified threshold of operation is presented. The frequency f0 of noise crossing the zero threshold and the frequency fop of noise triggers in the operating mode is predetermined, the avalanche-free mode of the photodiode offset is turned on, the trigger threshold U is set at a level corresponding to the frequency of noise triggers of the threshold device f<<f0, the threshold is increased, this threshold is fixed and such an avalanche multiplication coefficient M=Mopt is set, at which the frequency of fM noise exceeding the threshold UM becomes equal to the frequency f in the avalanche-free mode M=1 at the threshold U, when the fM frequency is reached, the achieved avalanche multiplication coefficient M=Mopt is fixed, the threshold is increased to the operating level and optical signals are received.
EFFECT: ensuring the maximum signal-to-noise ratio.
3 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности, к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных системах.The proposed invention relates to the reception of optical signals, in particular, to the technique of receiving signals using avalanche photodiodes, and can be used in location, communication and other photoelectronic systems.

Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [2].A known method of receiving optical signals using avalanche photodiodes [1]. There are also known methods for stabilizing the avalanche mode of a photodiode, for example, by thermal compensation of the operating point of the bias voltage [2].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ порогового обнаружения импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих при пороговой обработке смеси сигнала и шума [3].The closest to the proposed technical solution is a method for threshold detection of pulsed optical signals using an avalanche photodiode, the bias voltage of which is maintained by stabilizing the frequency of noise pulses arising during threshold processing of a mixture of signal and noise [3].

Недостатком этого способа является зависимость лавинного режима от выставленного порога срабатывания. Это приводит к неправильному выбору рабочей точки фотодиода и ухудшению пороговой чувствительности [4].The disadvantage of this method is the dependence of the avalanche mode on the set response threshold. This leads to the wrong choice of the operating point of the photodiode and deterioration of the threshold sensitivity [4].

Задачей изобретения является обеспечение оптимальной чувствительности во всех условиях эксплуатации при гарантированной вероятности ложных срабатываний и максимальном быстродействии.The objective of the invention is to provide optimal sensitivity in all operating conditions with a guaranteed probability of false alarms and maximum performance.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f0 пересечения шумом нулевого порога и частоту fpaб шумовых срабатываний в рабочем режиме, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства f<<f0, после этого увеличивают порог в

Figure 00000001
где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=Мα, этот порог
Figure 00000002
фиксируют и устанавливают такой коэффициент лавинного умножения М=Мопт, при котором частота fM шумовых превышений порога UM становится равной частоте f в безлавинном режиме М=1 при пороге U, по достижении частоты fM фиксируют достигнутый коэффициент лавинного умножения М=Мопт, увеличивают порог до рабочего уровня
Figure 00000003
и приступают к приему оптических сигналов.This problem is solved due to the fact that in the known method of threshold detection of optical signals using an avalanche photodiode, including threshold signal processing and the formation of output pulses using a threshold device when the signal from the output of the photodiode exceeds the specified response threshold, the frequency f 0 of crossing the zero noise threshold and frequency f pa of noise triggers in the operating mode, turn on the avalanche-free mode of the photodiode bias, set the trigger threshold U at a level corresponding to the frequency of noise triggering of the threshold device f << f 0 , then increase the threshold in
Figure 00000001
where α is the parameter of the avalanche multiplication noise factor F = М α , this threshold
Figure 00000002
fix and set such an avalanche multiplication coefficient M = M opt , at which the frequency f M of noise exceeding the threshold U M becomes equal to the frequency f in the avalanche-free mode M = 1 at the threshold U, upon reaching the frequency f M, the achieved avalanche multiplication coefficient M = M opt , increase the threshold to the working level
Figure 00000003
and begin to receive optical signals.

Частота f может выбираться из диапазона, нижняя граница которого определяется условием

Figure 00000004
то есть f>>1/Т, где Т - интервал усреднения датчиков, а верхняя граница - условием f<<f0.The frequency f can be selected from the range, the lower limit of which is determined by the condition
Figure 00000004
that is, f >> 1 / T, where T is the averaging interval of the sensors, and the upper limit is the condition f << f 0 .

Увеличение порога в

Figure 00000005
раз и
Figure 00000006
раз можно осуществить введением в усилительный тракт перед пороговой обработкой соответствующих коэффициентов ослабления.Threshold increase in
Figure 00000005
times and
Figure 00000006
times can be carried out by introducing appropriate attenuation coefficients into the amplifying path before thresholding.

На фиг. 1 представлена структурная схема аппаратуры, реализующей способ. Фиг. 2 представляет циклограмму способа. На фиг. 3 показана типичная зависимость квадрата отношения сигнал/шум от коэффициента лавинного умножения.FIG. 1 shows a block diagram of the equipment that implements the method. FIG. 2 is a sequence diagram of the method. FIG. 3 shows a typical dependence of the squared signal-to-noise ratio on the avalanche multiplication factor.

Возможный вариант приемника по предлагаемому способу (фиг. 1) содержит лавинный фотодиод 1, выход которого через согласующий усилитель 2 и управляемые аттенюаторы 3 и 4 подключен ко входу порогового формирователя импульсов 5. Выход последнего связан со входами датчиков частоты 6 и 7. Датчик 6 подключен к управляющему входу порогового формирователя 5, а датчик 7 - к источнику смещения фотодиода 8. Датчики 6 и 7 и аттенюаторы 3 и 4 подключены к блоку управления 9. На выходе порогового формирователя установлен ключ 10, связанный с блоком управления.A possible version of the receiver according to the proposed method (Fig. 1) contains an avalanche photodiode 1, the output of which through a matching amplifier 2 and controlled attenuators 3 and 4 is connected to the input of the threshold pulse shaper 5. The output of the latter is connected to the inputs of the frequency sensors 6 and 7. Sensor 6 is connected to the control input of the threshold shaper 5, and the sensor 7 to the bias source of the photodiode 8. Sensors 6 and 7 and attenuators 3 and 4 are connected to the control unit 9. At the output of the threshold shaper there is a key 10 connected to the control unit.

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

Предварительно (на этапе проектирования) устанавливают: частоту f0, определяемую полосой пропускания приемного тракта 1-4 до входа порогового формирователя; частоту f, удовлетворяющую оговоренным выше ограничениям и особенностям примененных аппаратных средств; частоту fpaб - по предъявляемым техническим требованиям; параметр а, определяемый конструкцией фотодиода; интервал усреднения Т датчика частоты.Preliminarily (at the design stage) set: frequency f 0 , determined by the bandwidth of the receiving path 1-4 to the entrance of the threshold shaper; frequency f, satisfying the above limitations and the characteristics of the applied hardware; frequency f pab - according to the technical requirements; parameter a, determined by the design of the photodiode; averaging interval T of the frequency sensor.

Перед приемом сигналов включают подготовительный режим, в течение которого устанавливают оптимальные параметры приемного тракта - коэффициент лавинного умножения фотодиода и порог срабатывания порогового устройства. С этой целью на первом этапе с помощью блока управления 9 открывают аттенюаторы 3 и 4 и устанавливают на источнике смещения 8 низкий уровень напряжения смещения, соответствующий коэффициенту лавинного умножения М=1. Одновременно устанавливают порог срабатывания U формирователя 5 так, чтобы частота f шумовых превышений порога была значительно ниже предельной частоты f0. Это необходимо для обеспечения широкого диапазона регулировки параметров приемника. Вместе с тем, частота шумовых срабатываний должна быть достаточно высокой, чтобы оценка частоты за период усреднения Т была достоверной. Этому требованию отвечает условие

Figure 00000007
Figure 00000008
означающее малое влияние среднеквадратического разброса
Figure 00000009
оценки на ее среднее значение fT [7]. Например, при fo=107 Гц и времени усреднения Т=0,1с этим условиям отвечает частота f в диапазоне от 102 до 106 Гц.Before receiving the signals, a preparatory mode is turned on, during which the optimal parameters of the receiving path are set - the avalanche multiplication coefficient of the photodiode and the threshold of the threshold device. To this end, at the first stage, using the control unit 9, the attenuators 3 and 4 are opened and a low bias voltage level is set at the bias source 8, corresponding to the avalanche multiplication factor M = 1. At the same time, the response threshold U of the shaper 5 is set so that the frequency f of noise thresholds exceeding the threshold is significantly lower than the limiting frequency f 0 . This is necessary to provide a wide range of adjustment of the receiver parameters. At the same time, the frequency of noise alarms must be high enough for the frequency estimate over the averaging period T to be reliable. This requirement is met by the condition
Figure 00000007
Figure 00000008
meaning little effect of rms spread
Figure 00000009
estimates for its mean value fT [7]. For example, with f o = 10 7 Hz and averaging time T = 0.1 s, these conditions are met by the frequency f in the range from 10 2 to 10 6 Hz.

По достижении установившегося значения порога U с помощью блока управления включают аттенюатор 3, вносящий ослабление

Figure 00000010
тем самым, поднимающий эквивалентный порог до уровня
Figure 00000011
Одновременно с помощью блока управления включают датчик частоты 7, управляющий коэффициентом лавинного умножения фотодиода путем подачи на него напряжения смещения, при котором частота шумовых срабатываний в лавинном режиме fM снова станет равна частоте f, установленной в безлавинном режиме.Upon reaching the steady-state value of the threshold U, the control unit turns on the attenuator 3, which introduces an attenuation
Figure 00000010
thereby raising the equivalent threshold to the level
Figure 00000011
At the same time, using the control unit, the frequency sensor 7 is turned on, which controls the avalanche multiplication factor of the photodiode by applying a bias voltage to it, at which the frequency of noise operations in the avalanche mode f M will again become equal to the frequency f set in the avalanche-free mode.

После выхода на режим fM=f, напряжение смещения фотодиода с помощью блока управления фиксируют на достигнутом уровне и командой с блока управления включают аттенюатор 4, вносящий ослабление

Figure 00000012
Одновременно открывают ключ 10, пропускающий выходные импульсы формирователя 5 на выход. Таким образом осуществляется переход в рабочий режим приема оптических сигналов. При этом частота шумовых срабатываний на выходе не превышает заданного допустимого значения fpaб, а коэффициент лавинного умножения фотодиода М=Мопт обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум.After reaching the mode f M = f, the bias voltage of the photodiode is fixed at the achieved level with the help of the control unit and the attenuator 4 is switched on by the command from the control unit, which introduces attenuation
Figure 00000012
At the same time, the key 10 is opened, which passes the output pulses of the shaper 5 to the output. Thus, the transition to the operating mode of receiving optical signals is carried out. In this case, the frequency of noise alarms at the output does not exceed the specified permissible value f pa , and the avalanche multiplication factor of the photodiode M = M opt provides the maximum signal-to-noise ratio.

На фиг 2 представлена циклограмма способа.Figure 2 shows a sequence diagram of the method.

T1 - длительность первого подготовительного режима - установка порога U.T 1 - duration of the first preparatory mode - setting the threshold U.

Т2 - длительность переходного процесса из первого во второй подготовительный режим, установка порога UM.T 2 - the duration of the transition process from the first to the second preparatory mode, setting the threshold U M.

Т3 - длительность второго подготовительного режима - установка оптимальной лавины.T 3 - the duration of the second preparatory mode - setting the optimal avalanche.

Т4 - длительность переходного процесса из второго подготовительного режима в рабочий режим - установка порога Upaб.T 4 - the duration of the transition process from the second preparatory mode to the operating mode - setting the threshold U pa .

Т5 - длительность рабочего режима.T 5 - the duration of the operating mode.

Известно [5-7], что в безлавинном режиме (М=1) квадрат среднеквадратического значения шума σ на выходе фотодиодаIt is known [5-7] that in the avalanche-free mode (M = 1) the square of the root-mean-square value of the noise σ at the output of the photodiode

Figure 00000013
Figure 00000013

где σ0 и σ1 - соответственно среднеквадратические значения неумножаемой (σ0) и умножаемой (σ1) составляющих шума.where σ 0 and σ 1 are the rms values of the non-multiplied (σ 0 ) and multiplied (σ 1 ) noise components, respectively.

Частота f пересечений порога U шумовыми выбросами в безлавинном режиме [7]Frequency f of crossing the threshold U by noise emissions in avalanche-free mode [7]

Figure 00000014
Figure 00000014

где

Figure 00000015
- частота пересечения шумом нулевого порога; R"(0) - вторая производная корреляционной функции шума на входе порогового устройства R(τ) при задержке τ=0. Зная частоты f и f0 из (2) можно определить отношение порог/шумwhere
Figure 00000015
- frequency of crossing the zero threshold by noise; R "(0) is the second derivative of the correlation function of the noise at the input of the threshold device R (τ) with a delay τ = 0. Knowing the frequencies f and f 0 from (2), one can determine the threshold / noise ratio

Figure 00000016
Figure 00000016

В лавинном режиме [4]In avalanche mode [4]

Figure 00000017
Figure 00000017

где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=Мα, определяемый материалом и структурой фотодиода [4-6]. Квадрат отношения сигнал/шумwhere α is the parameter of the avalanche multiplication noise factor F = M α , determined by the material and structure of the photodiode [4-6]. Squared signal-to-noise ratio

Figure 00000018
Figure 00000018

Обратная η2 величина (квадрат отношения шум/сигнал)Inverse η 2 (squared noise / signal ratio)

Figure 00000019
Figure 00000019

Производная этой величиныThe derivative of this quantity

Figure 00000020
Figure 00000020

Минимум отношения шум/сигнал обеспечивается при dW/dM=0.The minimum noise-to-signal ratio is provided at dW / dM = 0.

Figure 00000021
Figure 00000021

Условие (8) выполняется приCondition (8) is satisfied for

Figure 00000022
Figure 00000022

Частота шумовых превышений порога в лавинном режимеFrequency of noise exceeding the threshold in avalanche mode

Figure 00000023
Figure 00000023

Подстановка (9) в (10 дает выражение частоты шумовых превышений порога при М=Мопт. С учетом всегда имеющего место условия σ0 2 >> σ1 2 Substitution of (9) into (10) gives an expression for the frequency of noise exceeding the threshold at M = M opt. Taking into account the always present condition σ 0 2 >> σ 1 2

Figure 00000024
Figure 00000024

Из (2) и (11) получается отношение частот f(M=Mопт) и f(M=1).From (2) and (11), the ratio of frequencies f (M = M opt ) and f (M = 1) is obtained.

Figure 00000025
Figure 00000025

Подстановка (3) в (12) даетSubstitution of (3) into (12) gives

Figure 00000026
Figure 00000026

Как следует из (12) и (13), при постоянных значениях коэффициента а, зависящего от конструкции фотодиода, и U/σ, задаваемом частотой f, отношение f(Mопт)/f полностью определяется этими параметрами и также является постоянным параметром способа.As follows from (12) and (13), at constant values of the coefficient a, depending on the design of the photodiode, and U / σ, given by the frequency f, the ratio f (M opt ) / f is completely determined by these parameters and is also a constant parameter of the method.

В свою очередь, частота f(Morrr). соответствует оптимальной величине коэффициента лавинного умножения, обеспечивающего максимальное отношение сигнал/шум. Это методическое постоянство упрощает процедуру настройки как в процессе отладки приемника, так и в его рабочем режиме при подготовке к приему сигналов.In turn, the frequency is f (M orrr ). corresponds to the optimal value of the avalanche multiplication factor providing the maximum signal-to-noise ratio. This methodological constancy simplifies the tuning procedure both in the process of debugging the receiver and in its operating mode in preparation for receiving signals.

Из этого следует также, что частота f может быть любой в самом широком диапазоне при выполнении условийIt also follows from this that the frequency f can be any in the widest range under the conditions

Figure 00000027
Figure 00000027

Figure 00000028
Figure 00000028

Основное расчетное соотношение предлагаемого способа вытекает из (2) и (11).The main design ratio of the proposed method follows from (2) and (11).

Figure 00000029
Figure 00000029

Figure 00000030
Figure 00000030

Из равенства этих частот при

Figure 00000031
следуетFrom the equality of these frequencies at
Figure 00000031
should

Figure 00000032
откуда отношение порогов во втором и первом подготовительных режимах
Figure 00000032
whence the ratio of the thresholds in the second and first preparatory modes

Figure 00000033
Figure 00000033

Скачок порога из второго подготовительного режима в рабочий режим определяется применением выражения (3) при подстановке соответствующих параметровThe jump in the threshold from the second preparatory mode to the operating mode is determined by applying expression (3) when substituting the corresponding parameters

Figure 00000034
Figure 00000034

Особенность предлагаемого способа - постоянство параметров (16) и (17), выбираемых на этапе проектирования и неизменных в процессе эксплуатации во всех условиях. Вторая существенная особенность - одинаковая частота f в первом и втором подготовительных режимах позволяет выбирать ее в максимальной близости к предельной частоте f0, что дает возможность реализовать минимальное время выхода на рабочий режим и минимальные случайные колебания аппаратной оценки частоты при реализации способа. Третья важная особенность данного способа - в области оптимальной лавины имеет место слабая зависимость отношения сигнал/шум от коэффициента лавинного умножения. На фиг. 3 представлен типичный для этой зависимости график. При оптимальном значении коэффициента лавинного умножения Мопт=26 на границах широкого диапазона М от 18 до 46 происходит лишь пятипроцентное ухудшение отношения сигнал/шум.A feature of the proposed method is the constancy of parameters (16) and (17), selected at the design stage and unchanged during operation in all conditions. The second significant feature is that the same frequency f in the first and second preparatory modes allows you to select it as close as possible to the limiting frequency f 0 , which makes it possible to implement the minimum time to reach the operating mode and minimum random fluctuations in the hardware frequency estimation when implementing the method. The third important feature of this method is that in the region of the optimal avalanche there is a weak dependence of the signal-to-noise ratio on the avalanche multiplication coefficient. FIG. Figure 3 shows a graph typical of this dependence. With the optimal value of the avalanche multiplication coefficient M opt = 26 at the boundaries of a wide range of M from 18 to 46, only a 5% degradation of the signal-to-noise ratio occurs.

В свою очередь М слабо зависит от погрешности задания частоты f. Нетрудно показать, что двадцатипроцентная ошибка задания частоты f приводит к отклонению М всего на 10%. Это делает возможным достижение практически любой точности Мопт при минимальном значении параметра fT, в основном определяющем случайное отклонение f от номинального значения.In turn, М weakly depends on the error in setting the frequency f. It is easy to show that a 20% error in setting the frequency f leads to a deviation of M by only 10%. This makes it possible to achieve practically any accuracy M opt with a minimum value of the parameter fT, which basically determines the random deviation of f from the nominal value.

Пример 1Example 1

Исходные данные:Initial data:

(σ0/σ1)2=900; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f0=107 Гц; f=106 Гц; fpaб=10 Гц.(σ 0 / σ 1 ) 2 = 900; α = 0.5 (Si avalanche photodiode); f 0 = 10 7 Hz; f = 10 6 Hz; f pab = 10 Hz.

Figure 00000035
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000036

Figure 00000037
Figure 00000037

Пример 2 (то же при высокой температуре или при фоновой засветке, уменьшающих отношение σ0/σ1).Example 2 (the same at high temperature or with background illumination, reducing the ratio σ 0 / σ 1 ).

Исходные данные:Initial data:

(σ0/σ1)2=100; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f0=107 Гц; f=106 Гц; fpaб=10 Гц.(σ 0 / σ 1 ) 2 = 100; α = 0.5 (Si avalanche photodiode); f 0 = 10 7 Hz; f = 10 6 Hz; f pab = 10 Hz.

Figure 00000038
Figure 00000038

Figure 00000039
Figure 00000039

Figure 00000040
Figure 00000040

Время усреднения Т датчиков частоты выбирают из условия (14) при учете соотношения Т ~ Тr [7], где Тr - время выхода на режим.The averaging time T of the frequency sensors is selected from condition (14) taking into account the ratio T ~ T r [7], where T r is the time of reaching the mode.

Пример 3Example 3

Исходные данные:Initial data:

(σ0/σ1)2=900; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f0=107 Гц; f=106 Гц; fpаб=10 Гц.(σ0 / σ1) 2 = 900; α = 0.5 (Si avalanche photodiode); f0 = 10 7 Hz; f = 10 6 Hz; f pab = 10 Hz.

Figure 00000041
откуда Т=100/f=10-4 с.
Figure 00000041
whence T = 100 / f = 10 -4 s.

Время подготовки к работе Тn ~ 2 Т=2⋅10-4 с.Preparation time for work T n ~ 2 T = 2⋅10 -4 s.

В известном способе при тех же допущениях время Тn ~ 1-3 с [7], то есть выигрыш по сравнению с аналогом составляет четыре порядка, что позволяет использовать предлагаемый способ в быстродействующих частотных системах.In the known method, under the same assumptions, the time T n ~ 1-3 s [7], that is, the gain in comparison with the analogue is four orders of magnitude, which makes it possible to use the proposed method in high-speed frequency systems.

Пример 4Example 4

Исходные данные:Initial data:

fT=100. М=26.fT = 100. M = 26.

Относительное среднеквадратическое отклонение ошибки задания частоты f равно

Figure 00000042
При этом относительное среднеквадратическое отклонение σм коэффициента лавинного умножения от номинального значения составит 5%. То есть в стандартных пределах ± 3σм окажется диапазон М от 22 до 30, что, как видно из фиг. 3 может привести к ухудшению отношения сигнал/шум относительно потенциального значения не более чем на 1%.The relative standard deviation of the frequency setting error f is
Figure 00000042
The relative standard deviation σ m avalanche multiplication coefficient from the nominal value of 5%. That is, the range of M from 22 to 30 will be within the standard limits of ± 3σ m , which, as can be seen from Fig. 3 can lead to a degradation of the signal-to-noise ratio relative to the potential value by no more than 1%.

Таким образом, описанный способ решает поставленную задачу обеспечения оптимальной чувствительности во всех условиях эксплуатации при гарантированной вероятности ложных срабатываний и максимальном быстродействии.Thus, the described method solves the set problem of ensuring optimal sensitivity in all operating conditions with a guaranteed probability of false alarms and maximum speed.

Источники информацииSources of information

1. Росс М. Лазерные приемники. - М.: Мир., 1969. - 520 с.1. Ross M. Laser receivers. - M .: Mir., 1969 .-- 520 p.

2. Патент РФ №2248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г. 2. RF patent №2248670. A device for switching on an avalanche photodiode in an optical radiation receiver. 2005 year

3. US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.3. US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - prototype.

4. Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9, - С. 59.4. Vilner V.G., Leichenko Yu.A., Motenko B.N. Analysis of the input circuit of a photodetector with an avalanche photodiode and anti-noise correction. Optical and mechanical industry, 1981, No. 9, - P. 59.

5. Анисимова И.Д. и др. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. Под ред. В.И. Стафеева. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.5. Anisimova I. D. and others. Semiconductor photodetectors: Ultraviolet, visible and near infrared ranges of the spectrum. Ed. IN AND. Stafeeva. - M .: Radio and communication, 1984 .-- 216 p.

6. Филачев А.М., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. - М.: Физматкнига, 2011. - 448 с.6. Filachev A.M., Taubkin I.I., Trishenkov M.A. Solid-state photoelectronics. Photodiodes. - Moscow: Fizmatkniga, 2011 .-- 448 p.

7. Вильнер В. Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, С. 39-41.7. Vilner VG Design of threshold devices with noise threshold stabilization. - Optical and mechanical industry, 1984, No. 5, pp. 39-41.

Claims (3)

1. Способ порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что предварительно определяют частоту f0 пересечения шумом нулевого порога и частоту fpaб шумовых срабатываний в рабочем режиме, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства f << f0, увеличивают порог в
Figure 00000043
где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=Мα, этот порог
Figure 00000044
фиксируют и устанавливают такой коэффициент лавинного умножения М=Мопт, при котором частота fM шумовых превышений порога UM становится равной частоте f в безлавинном режиме М=1 при пороге U, по достижении частоты fM фиксируют достигнутый коэффициент лавинного умножения М=Мопт, увеличивают порог до рабочего уровня
Figure 00000045
и приступают к приему оптических сигналов.1. A method of threshold detection of optical signals using an avalanche photodiode, including threshold processing of signals and the formation of output signals when the signal from the output of the photodiode exceeds a predetermined response threshold, characterized in that the frequency f 0 of crossing the zero threshold noise and the frequency f pa of noise responses in the working mode, turn on the avalanche-free mode of the photodiode bias, set the triggering threshold U at a level corresponding to the frequency of noise triggering of the threshold device f << f 0 , increase the threshold in
Figure 00000043
where α is the parameter of the noise factor of the avalanche multiplication F = М α , this threshold
Figure 00000044
fix and set such an avalanche multiplication coefficient M = M opt , at which the frequency f M of noise exceeding the threshold U M becomes equal to the frequency f in the avalanche-free mode M = 1 at the threshold U, upon reaching the frequency f M, the achieved avalanche multiplication coefficient M = M opt , increase the threshold to the working level
Figure 00000045
and begin to receive optical signals. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту f выбирают из диапазона, нижняя граница которого определяется условием
Figure 00000046
где Т - интервал усреднения датчиков, а верхняя граница - условием f << f0.2. The method according to claim 1, characterized in that the frequency f is selected from the range, the lower limit of which is determined by the condition
Figure 00000046
where T is the averaging interval of the sensors, and the upper limit is the condition f << f 0 . 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что увеличение порога в
Figure 00000047
раз и
Figure 00000048
раз осуществляют включением в усилительный тракт перед пороговым устройством соответствующих коэффициентов ослабления с помощью управляемых аттенюаторов.3. The method according to claim 1, characterized in that the increase in the threshold in
Figure 00000047
times and
Figure 00000048
times, the corresponding attenuation coefficients are included in the amplifying path in front of the threshold device with the help of controlled attenuators.
RU2020138730A 2020-11-26 2020-11-26 Method for threshold detection of optical signals RU2755602C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138730A RU2755602C1 (en) 2020-11-26 2020-11-26 Method for threshold detection of optical signals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138730A RU2755602C1 (en) 2020-11-26 2020-11-26 Method for threshold detection of optical signals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2755602C1 true RU2755602C1 (en) 2021-09-17

Family

ID=77745832

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020138730A RU2755602C1 (en) 2020-11-26 2020-11-26 Method for threshold detection of optical signals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2755602C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2778047C1 (en) * 2021-11-30 2022-08-12 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for receiving optical signals

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4077718A (en) * 1976-03-01 1978-03-07 Raytheon Company Receiver for optical radar
WO1997047048A1 (en) * 1996-06-10 1997-12-11 Alcatel Alsthom Compagnie Generale D'electricite Avalanche photodiode optical receiver
RU2359226C1 (en) * 2007-10-10 2009-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method of incoherent accumulation of light-detecting signals
RU2511069C1 (en) * 2012-09-21 2014-04-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Pulsed optical radiation receiver
RU2718856C1 (en) * 2019-04-17 2020-04-15 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for automatic stabilization of threshold frequency crossing frequency by noise process emissions

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4077718A (en) * 1976-03-01 1978-03-07 Raytheon Company Receiver for optical radar
WO1997047048A1 (en) * 1996-06-10 1997-12-11 Alcatel Alsthom Compagnie Generale D'electricite Avalanche photodiode optical receiver
RU2359226C1 (en) * 2007-10-10 2009-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method of incoherent accumulation of light-detecting signals
RU2511069C1 (en) * 2012-09-21 2014-04-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Pulsed optical radiation receiver
RU2718856C1 (en) * 2019-04-17 2020-04-15 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for automatic stabilization of threshold frequency crossing frequency by noise process emissions

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2778629C1 (en) * 2021-11-22 2022-08-22 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for threshold detection of optical signals
RU2778976C1 (en) * 2021-11-22 2022-08-29 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for stabilizing the avalanche photodiode mode
RU2778047C1 (en) * 2021-11-30 2022-08-12 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for receiving optical signals
RU2788940C1 (en) * 2022-06-15 2023-01-26 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for incoherent accumulation of light-location signals
RU2797660C1 (en) * 2023-01-24 2023-06-07 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Threshold detection method for optical signals
RU2810710C1 (en) * 2023-10-11 2023-12-28 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for accumulating light-location signals
RU2810708C1 (en) * 2023-10-11 2023-12-28 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for detecting pulsed optical signals
RU2815330C1 (en) * 2023-10-11 2024-03-13 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for detecting optical signals using avalanche photodiode
RU2819303C1 (en) * 2023-10-11 2024-05-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method of receiving optical signals using an avalanche photodiode

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4464048A (en) Laser rangefinders
KR20080050447A (en) Optical receiver protection circuit
RU2755602C1 (en) Method for threshold detection of optical signals
EP0080927A2 (en) Receiver for a terrestrial environment probe
RU2797660C1 (en) Threshold detection method for optical signals
CN110794376B (en) Ultra-wideband impulse radar receiver sensitivity measuring technology
CN211348623U (en) Laser radar signal noise reduction device
US8879583B1 (en) Radio frequency conditioning unit
US20040165175A1 (en) Laser range finding apparatus
RU2755601C1 (en) Method for detecting optical signals
US5022752A (en) Echo cancelling circuit for use with laser
US4360928A (en) Non-interfering on-line receiver test system
EP3903078A1 (en) A method and apparatus for pulsed power measurement
RU2750442C1 (en) Method for receiving optical signals
RU2778045C1 (en) Method for stabilizing the avalanche mode of a photodiode
RU2778047C1 (en) Method for receiving optical signals
RU2791438C1 (en) Method for isolating optical pulses
US11057045B2 (en) Automatic gain control for analog to digital converters
RU2732005C1 (en) Pulse signal reception method
RU2778629C1 (en) Method for threshold detection of optical signals
RU2756384C1 (en) Method for threshold reception of optical signals
RU2393502C1 (en) Two-channel null radiometre
US3588894A (en) Automatic gain control system for high-range-resolution radar
Mytsenko et al. Pulse logarithmic amplifier with automatic gain control for the frequency range from 1 MHZ to 8 GHz
US2783466A (en) Radar receiver automatic noise leveling circuits