RU2778546C1 - Device and method for receiving optical signal reflected from sounding object - Google Patents
Device and method for receiving optical signal reflected from sounding object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778546C1 RU2778546C1 RU2021137360A RU2021137360A RU2778546C1 RU 2778546 C1 RU2778546 C1 RU 2778546C1 RU 2021137360 A RU2021137360 A RU 2021137360A RU 2021137360 A RU2021137360 A RU 2021137360A RU 2778546 C1 RU2778546 C1 RU 2778546C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- sensor
- sequence
- block
- optical
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical Effects 0.000 title claims abstract description 181
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 53
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 45
- 230000004301 light adaptation Effects 0.000 claims abstract description 45
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 230000001934 delay Effects 0.000 claims description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 abstract description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 47
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 46
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 46
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 25
- 240000007320 Pinus strobus Species 0.000 description 21
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 15
- 230000003044 adaptive Effects 0.000 description 10
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 9
- 241001442055 Vipera berus Species 0.000 description 7
- 230000003111 delayed Effects 0.000 description 6
- 229920003258 poly(methylsilmethylene) Polymers 0.000 description 6
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 5
- 229920000181 Ethylene propylene rubber Polymers 0.000 description 4
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 description 4
- 230000001052 transient Effects 0.000 description 4
- 230000001702 transmitter Effects 0.000 description 4
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 230000000737 periodic Effects 0.000 description 3
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 3
- 230000003750 conditioning Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000000306 recurrent Effects 0.000 description 2
- 230000000630 rising Effects 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 206010046306 Upper respiratory tract infection Diseases 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000002839 fiber optic waveguide Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000001960 triggered Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Данное изобретение относится к области приема оптических модулированных сигналов, в том числе сигналов, применяемых при измерении времени прохождения сигналом расстояния от источника излучения сигнала к устройству оптического приема сигнала, в устройствах связи с использованием псевдошумовых оптических сигналов, включающих в себя генератор тактового сигнала, оптическое приемное устройство, работающее в нелинейном режиме, блок согласованной фильтрации, модуль порогового обнаружения сигнала, и может быть использовано, например, в навигации, в лазерной локации, рефлектометрии, локации сложных протяженных объектов, имеющих множество составных элементов, и движущихся по отношению к приемнику сигнала, для синхронизации по времени оптических линий с синхронным детектированием оптического сигнала. This invention relates to the field of receiving optical modulated signals, including signals used in measuring the time it takes a signal to travel a distance from a signal emitting source to an optical signal receiving device, in communication devices using pseudonoise optical signals, including a clock signal generator, an optical receiver a device operating in a non-linear mode, a matched filtering unit, a threshold signal detection module, and can be used, for example, in navigation, in laser ranging, reflectometry, locating complex extended objects that have many constituent elements and moving relative to the signal receiver, for time synchronization of optical lines with synchronous detection of an optical signal.
В данном описании используются следующие термины.In this description, the following terms are used.
ЛИДАР (транслитерация LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging — световое обнаружение и определение дальности) — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Лидар, как прибор представляет собой, как минимум, активный дальномер оптического диапазона. Обычно в России подобные устройства называются лазерными дальномерами и лазерными локаторами. LIDAR (transliteration LIDAR English Light Identification Detection and Ranging - light detection and ranging) is a technology for obtaining and processing information about distant objects using active optical systems that use the phenomena of light reflection and its scattering in transparent and translucent media. Lidar, as a device, is at least an active optical range finder. Usually in Russia, such devices are called laser rangefinders and laser radars.
Оптическое излучение – электромагнитные волны, длины которых заключены в диапазоне с условными границами от 3000 µm до 0.25 µm. Optical radiation - electromagnetic waves, the lengths of which are in the range with conditional boundaries from 3000 µm to 0.25 µm.
ПШП, Псевдослучайные (псевдошумовые) последовательности — это полностью детерминированные цифровые последовательности, которые внешнему наблюдателю кажутся случайными. PWB , Pseudo-random (pseudo-noise) sequences are completely deterministic digital sequences that appear random to an external observer.
М-последовательности. M-последовательность – это рекуррентная последовательность порядка n по модулю p, где р – простое число, порождаемая уравнением: M-sequences . An M-sequence is a recurrent sequence of order n modulo p, where p is a prime generated by the equation:
Рекуррентная последовательность порядка n по модулю p при любом простом p и некоторых комбинациях принимает значения из интервала от 0 до p-1, имеет максимально возможный минимальный период равный . Recurrent sequence of order n modulo p for any prime p and some combinations takes values from the interval from 0 to p-1, has the maximum possible minimum period equal to .
Пример М-последовательности. An example of an M-sequence .
М-последовательность первого порядка по модулю 37, периода порождается уравнением M-sequence of the first order modulo 37, period generated by the equation
где, where,
Последовательность получена из первых 37 членов этой М-последовательности. Subsequence obtained from the first 37 members of this M-sequence.
β= {8; 3; 15; 1; 5; 25; 14; 33; 17; 11; 18; 16; 6; 30; 2; 10; 13; 28; 29; 34; 22; 36; 32; 12; 23; 4; 20; 26; 19; 21; 31; 7; 35; 27; 24; 9; 8}. β= {8; 3; fifteen; one; 5; 25; fourteen; 33; 17; eleven; eighteen; 16; 6; thirty; 2; ten; 13; 28; 29; 34; 22; 36; 32; 12; 23; four; twenty; 26; 19; 21; 31; 7; 35; 27; 24; 9; eight}.
Двоичные, позиционно модулированные (ПМ) последовательности. В иностранной литературе такие последовательности, называются - nonuniform trains, position modulated trains, non-uniformly spaced trains. Binary, position modulated (PM) sequences. In foreign literature, such sequences are called - nonuniform trains, position modulated trains, non-uniformly spaced trains.
Последовательности длины L в которой члены последовательности принимают значения 0 и 1 и только N членов последовательности принимают значение равное 1.Sequences length L in which the members of the sequence take the
Члены последовательности α с номерами ), где равны 1, а остальные члены последовательности α равны 0. Такие последовательности относятся к двоичным нерегулярным последовательностям. Последовательность длины N, назовем последовательностью модулирующих сдвигов, а последовательность - двоичной позиционно-модулированной последовательностью (ПМ). Примером последовательности может служить последовательность, приведенная выше, в качестве примера М-последовательности.Members of the sequence α with numbers ), where are equal to 1, and the remaining members of the sequence α are equal to 0. Such sequences are binary irregular sequences. Subsequence of length N, we will call the sequence of modulating shifts, and the sequence - binary position-modulated sequence (PM). Sequence example the sequence above may serve as an example of an M-sequence.
Продлим последовательность так, что при и , тогда ненормированная АКФ последовательности α Rα(i) принимает значение, равное N при , и не более K при . Такая последовательность называется последовательность со свойством «не более K совпадений».Let's extend the sequence so that at and , then the non-normalized ACF of the sequence α Rα( i ) takes on a value equal to N when , and no more than K at . Such a sequence is called a sequence with the property "no more than K matches".
Двоичные последовательности, у которых K=1, называются последовательностями со свойством «не более одного совпадения». Binary sequences that have K=1 are called sequences with the "no more than one match" property.
Для примеров, рассматриваемых в патенте, принято следующее: For the examples discussed in the patent, the following is accepted:
• Нумерация членов двоичной последовательности начинается с нулевого члена. • The numbering of members of a binary sequence starts from the zero member.
• Члены двоичной последовательности с номерами j, для которой верно равенство называются членами с четными номерами.• Members of the binary sequence with numbers j, for which the equality is true are called even-numbered terms.
• Члены двоичной последовательности с номерами j, для которой верно равенство называются членами с не четными номерами.• Members of the binary sequence with numbers j, for which the equality is true are called terms with odd numbers.
Если последовательность γ длины L со свойством «не более K совпадений» содержит члены равные «1», как с четными, так и нечетными номерами, разделить на две последовательности: If a sequence γ of length L with the property "no more than K matches" contains terms equal to "1", both with even and odd numbers, divide into two sequences:
, состоящую из членов последовательности γ с четными номерами и последовательность , consisting of even-numbered members of the sequence γ and the sequence
, состоящую из членов последовательности γ с нечетными номерами, то будет верно, что для последовательностей и так же выполняется свойство «не более K совпадений», т. е. уровень боковых лепестков ненормированной АКФ последовательностей и не будет принимать значения более K. , consisting of members of the sequence γ with odd numbers, then it will be true that for the sequences and the property “no more than K matches” is also satisfied, i.e. the level of side lobes of the unnormalized ACF of sequences and will not take values greater than K.
Пример формирования и согласованная фильтрация двоичной ПМ последовательности со свойством не более одного совпадения. An example of the formation and matched filtering of a binary PM sequence with the property of no more than one match.
Из модулирующей последовательности , длины , приведенной в примере (М-последовательности), сформируем последовательность длины .From the modulating sequence , length , given in the example ( M-sequence) , we form the sequence length .
, , , ,
Члены с номерами , где равны 1, а остальные члены равны 0. Последовательность обладает свойством «не более одного совпадения». Members with numbers , where are equal to 1, and the remaining terms are equal to 0. The sequence has the "no more than one match" property.
На фиг. 1 представлена схема формирования и последующей согласованной фильтрации ПМ-последовательности. Схема состоит из блока 1 формирования ПМ последовательности длины . Блок 1 содержит тридцать шесть последовательно включенных каскадов 1.1. In FIG. 1 shows the scheme of formation and subsequent matched filtering of the PM sequence. The scheme consists of
Первый вход каскада 1.1 является входом блока 1. The first input of cascade 1.1 is the input of
Второй выход каскада 1.1 блока 1 является выходом блока 1. The second output of stage 1.1 of
Первый вход каждого следующего каскада соединен с первым выходом предыдущего каскада, то есть вход блока 1.2 соединен с первым выходом блока 1.1 и т.д.The first input of each next stage is connected to the first output of the previous stage, that is, the input of block 1.2 is connected to the first output of block 1.1, etc.
Второй выход каждого каскада соединен с вторым входом предыдущего каскада, то есть второй выход бока 1.2 соединен с вторым входом блока 1.1 и так далее.The second output of each cascade is connected to the second input of the previous cascade, that is, the second output of side 1.2 is connected to the second input of block 1.1, and so on.
Первый выход последнего тридцать шестого каскада 1.36 соединен с вторым входом этого же каскада 1.36.The first output of the last thirty-sixth cascade 1.36 is connected to the second input of the same cascade 1.36.
Каждый каскад состоит из дискретной линии задержки (отмечены на схеме как позиции 1.1.2, 1.2.2, 1.3.2) и т. д. и одного элемента, выполняющего операцию дизъюнкции (или), отмечены на схеме как позиции 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, соединенных, как показано на схеме блока 1 на фиг. 1. Для формирования ПМ последовательности и ее последующей согласованной фильтрации на вход блока 1 подается последовательность, нулевой (в принятой нумерации) член которой равен 1, а остальные члены последовательности равны 0. Начиная с нулевого по такт работы устройства в точке соединения блоков 1 и 2 при помощи блока записи и отображения Т1 фиг. 1 зафиксируем последовательность . Двоичная последовательность поступает на вход блока 2 (блок согласованной фильтрации). Each stage consists of a discrete delay line (marked on the diagram as positions 1.1.2, 1.2.2, 1.3.2), etc., and one element that performs the disjunction operation (or), marked on the diagram as positions 1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, connected as shown in block diagram 1 in Fig. 1. To form the PM sequence and its subsequent matched filtering, the input of
На фигуре 1 обозначено: Figure 1 shows:
1 – блок формирования ПМ-последовательности длины 1 - block for the formation of the PM sequence length
2 – блок согласованной фильтрации2 - matched filtering unit
1.1, 1.2, 1.3 … 1.36 – каскады блока 1.1.1, 1.2, 1.3 ... 1.36 - cascades of
2.1, 2.2, 2.3, … 2.36 – каскады блока 2. 2.1, 2.2, 2.3, ... 2.36 - cascades of
Блок 2 (блок согласованной фильтрации) состоит из тридцати шести последовательно включенных каскадов 2.1, 2.2, … 2.36, соединенных аналогично, как в блоке 1. Каждый каскад блока 2 состоит из дискретной линии задержки (отмечены на схеме фиг.1 как 2.1.2, 2.2.2, 2.3.3, …2.36.2) и одного элемента, выполняющего сложение, соединенных как показано на фиг. 1 (отмечены на схеме фиг. 1 как 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1, …2.36.1) Block 2 (matched filtering unit) consists of thirty-six cascades connected in series 2.1, 2.2, ... 2.36, connected in the same way as in
Таблица 1. Формулы для определения задержек в линии задержки каскадов блоков 1 и 2 на фиг. 1. Table 1. Formulas for determining the delays in the delay line of the cascades of
На фигуре 2 (верхний график) приведен фрагмент отклика на выходе согласованного фильтра блока 2, зафиксированный блоком регистрации и отображения Т2 фиг. 1 при подаче на его вход последовательности зафиксированной блоком Т1 фиг. 1. (нижний график). Figure 2 (upper graph) shows a fragment of the response at the output of the matched filter of
Как видно, положение отсчета посл. с номером не равного нулю в последовательности на входе согласованного фильтра (вх. Блока 2) совпадает с (главным) пиком отклика на выходе согласованно фильтра, зафиксированного блоком Т2. Отсчеты, соседствующие с пиком отклика, будем называть боковыми лепестками (пика) отклика (в литературе встречается название боковые пики), а отношение их максимальной амплитуды к амплитуде пика отклика будем называть УБЛ уровнем боковых лепестков (отклика). В литературе так же используют термин уровень боковых пиков. As can be seen, the position of the reference with number not equal to zero in sequence at the input of the matched filter (input of block 2) coincides with the (main) peak of the response at the output of the matched filter fixed by block T2. The readings adjacent to the response peak will be called the response side lobes (peak) (there is a name in the literature side peaks), and the ratio of their maximum amplitude to the response peak amplitude will be called the UBL level of the side lobes (response). In the literature, the term side peak level is also used.
Модулирующая дискретная последовательность – последовательность конечной длины, номера членов которой приурочены к номерам временных позиций, на которых происходит испускание лидаром оптического импульса, если член модулирующей последовательности отличен от нуля. Modulating discrete sequence is a sequence of finite length, the numbers of members of which are confined to the numbers of time positions at which the lidar emits an optical pulse, if the member of the modulating sequence is different from zero.
– длительность временной позиции ПИМ сигнала – duration of the time position of the PIM signal
- частота модуляции испускаемого оптического сигнала. is the modulation frequency of the emitted optical signal.
Член модулирующей последовательности может быть, не только двоичной величиной, (0 – не испускание, 1 – испускание), но массивом данных, характеризующим форму, частоту, амплитуду и фазу испускаемого импульса, т. е. заданные характеристики оптического импульса. A member of the modulating sequence can be not only a binary value (0 - no emission, 1 - emission), but an array of data characterizing the shape, frequency, amplitude and phase of the emitted pulse, i.e., the specified characteristics of the optical pulse.
Позиционно-импульсная модуляция (ПИМ). Если модулирующая последовательность является двоичной ПМ последовательностью, то модулированная ей последовательность испускаемых оптических импульсов называется позиционно модулированной последовательностью (оптических) импульсов или позиционно-импульсно модулированной (ПИМ) последовательностью (оптических) импульсов (ПИМПОИ). Position-pulse modulation (PIM). If the modulating sequence is a binary PM sequence, then the sequence of emitted optical pulses modulated by it is called a position-modulated sequence of (optical) pulses or a position-pulse modulated ( PIM ) sequence of (optical) pulses ( PIMPOI ).
В иностранной литературе такие последовательности испускаемых импульсов называются «PPM sequence». В патенте США US 8072582 приведен близкий тип модуляции последовательностей импульсов, называемый «pulse timing sequence, with pseudo-random timing». In foreign literature, such sequences of emitted pulses are called " PPM sequence". US Pat. No. 8,072,582 describes a closely related type of pulse train modulation called "pulse timing sequence, with pseudo-random timing".
Зондирующий сигнал – модулированная последовательность оптичеких импульсов , испускаемя лидаром. The probing signal is a modulated sequence of optical pulses emitted by the lidar.
Квантовая эффективность ξ - вероятность генерации попадающим на оптический сенсор одиночным фотоном свободного носителя, который достигнет области высокого поля, достаточного для ударной ионизации или вероятность срабатывания сенсора при попадании на поверхность сенсора одиночного фотона. Quantum efficiency ξ is the probability of generation by a single photon of a free carrier hitting the optical sensor, which will reach the region of a high field sufficient for impact ionization or the probability of triggering the sensor when a single photon hits the sensor surface.
Динамическая квантовая эффективность – отношение прироста вероятности срабатывания сенсора на интервале времени при условии увеличения числа фотонов η попадающих на поверхность сенсора на интервале времени , на величину ∆η, к величине ∆η при ∆η/η менее 0,1. Dynamic quantum efficiency - the ratio of the increase in the probability of sensor operation over a time interval subject to an increase in the number of photons η falling on the sensor surface in the time interval , by the value of ∆η, to the value of ∆η at ∆η/η less than 0.1.
Динамический коэффициент преобразования (динамическая чувствительность) фототок/мощность. Для оптических сенсоров, работающих в режиме преобразования мощность в фототок, динамический коэффициент преобразования. Dynamic conversion factor (dynamic sensitivity) photocurrent/power. For optical sensors operating in the power-to-photocurrent conversion mode, the dynamic conversion factor.
, где фототок, мощность излучения, попадающая на сенсор. , where photocurrent, radiation power reaching the sensor.
Примером такого оптического сенсора служит матричный кремниевый фотоумножитель, в зарубежной литературе именуемый SiPM. An example of such an optical sensor is a matrix silicon photomultiplier, referred to in foreign literature as SiPM.
Динамический коэффициент преобразования фототок/мощность так же снижается при увеличении мощности излучения поступающего на поверхность сенсора. The dynamic photocurrent/power conversion ratio also decreases with an increase in the radiation power coming to the sensor surface.
Режим детектирования квантовым оптическим сенсором оптического сигнала, при котором показатель «динамическая квантовая эффективность» снижается в два и более или раз, или режим детектирования оптическим сенсором, работающим в режиме преобразования мощность в фототок, при котором динамический коэффициент преобразования фототок/мощность снижается в два или более раз, будем называть режимом работы сенсора в режиме насыщения или ограничения. The mode of detecting an optical signal by a quantum optical sensor, in which the “dynamic quantum efficiency” index is reduced by two or more or times, or the detection mode by an optical sensor operating in the power-to-photocurrent conversion mode, in which the dynamic photocurrent/power conversion coefficient is reduced by two or more more times, we will call the mode of operation of the sensor in the mode of saturation or limitation.
Порог насыщения – минимальная мощность излучения или среднее число фотонов за заданный интервал времени, поступающие на сенсор при которой сенсор работает в режиме насыщения (ограничения). Saturation threshold - the minimum radiation power or the average number of photons for a given time interval arriving at the sensor at which the sensor operates in saturation (limitation) mode.
Разрешаемый объект – объект или элемент/сегмент объекта, попадающий в створ луча, в котором сосредоточено оптическое излучение, испускаемое передатчиком лидара и в створ луча, в котором сосредоточено отраженное излучение, попадающее на поверхность оптического сенсора приемника лидара. A resolvable object is an object or element/segment of an object that enters the beam target, in which the optical radiation emitted by the lidar transmitter is concentrated and into the beam target, in which the reflected radiation is concentrated, falling on the surface of the optical sensor of the lidar receiver.
ЭПР (эффективная поверхность рассеяния) – является количественной мерой свойства разрешаемого объекта рассеивать часть оптического излучения по направлению к приемному сенсору. Энергия отраженного зондирующего сигнала, поступающая на оптический сенсор, пропорциональна ЭПР разрешаемого объекта. ESR (Effective Scattering Surface) is a quantitative measure of the property of a resolvable object to scatter part of the optical radiation towards the receiving sensor. The energy of the reflected probing signal arriving at the optical sensor is proportional to the RCS of the resolved object.
Принимаемый сигнал – представляет собой, поступающую на поверхность оптического сенсора или сенсоров, если оптический сенсор содержит несколько приемных элементов, суперпозицию отраженных зондирующих сигналов от объекта/-ов расстояние, до которого/-ых измеряется, так и отраженных зондирующих сигналов от других (объектов) и шумового излучения. The received signal is a superposition of the reflected probing signals from the object/s, the distance to which/s is measured, and the reflected probing signals from other (objects) arriving at the surface of the optical sensor or sensors, if the optical sensor contains several receiving elements and noise emission.
В этой суперпозиции отраженные оптические сигналы поступающие на поверхность сенсора могут различаться по интенсивности, в том числе сигналы интенсивность которых недостаточна для разрешения объекта методом с которым производится сравнение, назовем «слабыми», сигналы интенсивности которых на поверхности сенсора превышают порог насыщения назовем «сильными» (т.е. к сильным сигналам относятся те сигналы в которых одиночные оптические импульсы поступающие на поверхность сенсора приводят к его срабатыванию с вероятностью близкой к 1.0) , а сигналы, интенсивности которых на поверхности сенсора не превышают порог насыщения сенсора, и при этом разрешаемые с использованием метода с которым производится сравнение назовем «ординарными». In this superposition, the reflected optical signals arriving at the sensor surface can differ in intensity, including signals whose intensity is insufficient to resolve the object by the method with which the comparison is made, we will call "weak", the intensity signals of which on the sensor surface exceed the saturation threshold, we will call "strong" ( i.e. strong signals include those signals in which single optical pulses arriving at the sensor surface lead to its operation with a probability close to 1.0), and signals whose intensities on the sensor surface do not exceed the saturation threshold of the sensor, and at the same time are resolved using the method with which the comparison is made will be called "ordinary".
Аналогично назовем и ЭПР объектов, и сами объекты, порождающие отраженные сигналы, как «слабые», «сильные», «ординарные». Similarly, we will call the EPR of objects, and the objects themselves, generating reflected signals, as "weak", "strong", "ordinary".
Селективность - способность лидара разрешать (достоверно определять дальность до зондируемого объекта при помощи порогового обнаружителя) зондируемый объект или сегмент протяженного зондируемого объекта, попадающего в створ луча при наличии в створе луча других расположенных рядом объектов (элементов составного объекта) с большими ЭПР и шумового излучения, попадающего на поверхность приемного сенсора. Можно говорить, о том, что если пик отклика или пики откликов от зондируемого объекта/объектов, или элемента/элементов объекта/объектов четко выделяются на рефлектограмме над уровнем шума, боковых лепестков откликов, то лидар, использующий способ или устройство, приводящее к получению настоящей рефлектограммы, использует способ, который селективно разрешает объекты (элементы объектов) и порождает разрешаемые пики откликов на вторичной рефлектограмме. Selectivity - the ability of a lidar to resolve (reliably determine the range to a probed object using a threshold detector) a probed object or a segment of an extended probed object falling into the beam target if there are other nearby objects (elements of a composite object) with large RCS and noise radiation in the beam target, hitting the surface of the receiving sensor. It can be said that if the peak of the response or peaks of the responses from the probed object/objects, or the element/elements of the object/objects are clearly distinguished on the reflectogram above the noise level, side lobes of the responses, then a lidar using a method or device that leads to obtaining a real trace uses a method that selectively resolves objects (elements of objects) and generates resolvable response peaks on the secondary trace.
Оптические сенсоры, работающие в режиме счетчика ГейгераOptical sensors operating in Geiger counter mode
Известны сенсоры (оптические приемные элементы) для регистрации оптического излучения SSPD (Superconducting Single-Photon Detector) или сверхпроводниковые однофотонные детекторы, работающие при температурах близких к абсолютному нулю и применяемые для регистрации единичных фотонов и работающие в режиме счетчика Гейгера в диапазоне длин волн от 250 до 3000 nm. Примером такого сенсора может служить сенсор, описанный в патенте RU 2346357, опубликован в 2009 г., на основе тонкопленочных сверхпроводниковых структур. Подобного рода сенсоры характеризуются квантовой эффективностью до 80-90%, временным разрешение до 25 ps. На основе подобных приемников создаются интегральные системы регистрации, имеющие десятки каналов (пикселов). Недостатком использования SSPD сенсоров является, необходимость охлаждения сенсора до температур близких к абсолютному нулю. Known sensors (optical receiving elements) for detecting optical radiation SSPD (Superconducting Single-Photon Detector) or superconducting single-photon detectors operating at temperatures close to absolute zero and used to detect single photons and operating in the Geiger counter mode in the wavelength range from 250 to 3000 nm. An example of such a sensor is the sensor described in patent RU 2346357, published in 2009, based on thin-film superconducting structures. Such sensors are characterized by quantum efficiency up to 80-90%, time resolution up to 25 ps. On the basis of such receivers, integrated registration systems are created with dozens of channels (pixels). The disadvantage of using SSPD sensors is the need to cool the sensor to temperatures close to absolute zero.
Известны сенсоры регистрации оптического излучения InGaAs /InP SPAD (Indium Gallium Arsenide / Indium Phosphide Single-Photon Avalanche Diode ) или Арсенид гааллий-ииндиевые однофотонные лавинные диоды на основе, применяемые для регистрации единичных фотонов, работающих в режиме счетчика Гейгера в диапазоне длин волн от 900 до 1700 nm. По сравнению со сверхпроводящими однофотонными детекторами они не требуют дорогостоящих криогенных охладителей. Основным недостатком SPAD сенсоров является высокая вероятность повторного срабатывания сенсора после приема оптического импульса в интервале времени до 100 ns, для компенсации этого недостатка используют, особый режим работы SPAD, называемы быстрое стробирование.Known sensors for detecting optical radiation InGaAs / InP SPAD (Indium Gallium Arsenide / Indium Phosphide Single-Photon Avalanche Diode) or Arsenide Gaallium-Indium single-photon avalanche diodes based on, used to detect single photons operating in the Geiger counter mode in the wavelength range from 900 up to 1700 nm. Compared to superconducting single photon detectors, they do not require expensive cryogenic coolers. The main disadvantage of SPAD sensors is the high probability of repeated triggering of the sensor after receiving an optical pulse in a time interval of up to 100 ns; to compensate for this disadvantage, a special SPAD operating mode is used, called fast gating.
Быстрое стробирование (Ultra-short gating, extremely short gating) - режим работы оптического сенсора при котором сенсор на очень короткие интервалы времени, составляющие 100-200 ps, переключают в режим счетчика Гейгера. Быстрое стробирование позволяет снизить время, в течение которого сенсор не готов к работе, за счет протекающих в нем переходных процессов, возникающих в следствии приема оптического излучения в режиме счетчика Гейгера и снизить вероятность повторного срабатывания сенсора (afterpulsing probability) при последующих после приема оптического излучения быстрых стробированиях оптического сенсора. Fast gating (Ultra-short gating, extremely short gating) is an optical sensor operating mode in which the sensor is switched to the Geiger counter mode for very short time intervals of 100-200 ps. Fast gating allows to reduce the time during which the sensor is not ready for operation due to the transient processes occurring in it that occur as a result of receiving optical radiation in the Geiger counter mode and to reduce the probability of the sensor re-triggering (afterpulsing probability) during subsequent fast pulses after receiving optical radiation. gating of the optical sensor.
Быстрое стробирование может быть осуществлено различными способами. В патенте США US 7705284 предложен способ и устройство стробирования в котором на анод диода подается сумма напряжения смещения стробирующего синусоидального сигнала. В течении каждого периода стробирующего сигнала фотон может быть обнаружен на интервалне времении, в котором напряжение на аноде диода превышает напряжение пробоя и диод находится в активном состоянии (готов к приему фотона). С сопротивления в цепи катода диода снимается сигнал, представляющий суперпозицию лавинного сигнала и синусоидального сигнала. Лавинный сигнал отделяется от синосоидального на режекторном фильтре, подавляющем первую гармонику частоты стробирования. К недостаткам этого способа можно отнести то, что мгновенная эффективность приема фотона на интервале времении, в котором напряжение на аноде превышает напряжения пробоя непостоянна и определяется формой напряжения на аноде изменяемой по синусоидальному закону. Инревал времени стробирования зависит от частоты стробирования и амплитуд напряжения смещения синусоидального сигнала и самого синусоидального сигнала . Fast gating can be done in a variety of ways. US Pat. No. 7,705,284 proposes a gating method and apparatus in which the sum of the bias voltage of the gating sinusoidal signal is applied to the anode of the diode. During each period of the strobe signal, a photon can be detected at the time interval in which the voltage at the anode of the diode exceeds the breakdown voltage and the diode is in an active state (ready to receive a photon). A signal representing a superposition of an avalanche signal and a sinusoidal signal is taken from the resistance in the diode cathode circuit. The avalanche signal is separated from the sinusoidal signal by a notch filter that suppresses the first harmonic of the sampling frequency. The disadvantages of this method include the fact that the instantaneous efficiency of photon reception in the time interval in which the voltage at the anode exceeds the breakdown voltage is not constant and is determined by the shape of the voltage at the anode, which changes according to a sinusoidal law. The gate time interval depends on the gate frequency and amplitudes of the bias voltage of the sinusoidal signal and the sinusoidal signal itself.
В патенте США US 9012860 описан способ и устройство для однофотонного приема в режиме быстрого стробирования. Устройство содержит два идентичных ЛПД диода, на которые через делитель сигнала на катоды диодов подается стробирующий сигнал в виде меандра и положительное напряжения смещения. Первый ЛПД диод адоптирован, как приемник излучения, а второй является холостым и используется в качестве источника, идентичного в первом емкостного переходного процесса, возникающего на первом ЛПД при подаче на него стробирующего сигнала в виде меандра. Лавинный сигнал с первого ЛПД выделяется путем вычитания из него переходного процесса, формируемого на втором ЛПД. За счет использования меандра в качестве сигнала стробирования квантовая эффективность на интервале времени, когда напряжение на диоде превышает напряжение пробоя, примерно постоянна. Интервал времени, в котором диод находится в состоянии приема фотона почти, не зависит от амплитуды меандра и напряжения смещения. Это способ приема является наиболее приемлемым для использования в описываемом изобретении, но не ограничивает его. US Pat. No. 9,012,860 describes a method and apparatus for single photon reception in fast gating mode. The device contains two identical LTD diodes, to which, through a signal divider, a strobe signal in the form of a meander and a positive bias voltage are supplied to the cathodes of the diodes. The first APD diode is adopted as a radiation receiver, and the second one is idle and is used as a source, identical in the first capacitive transient, which occurs on the first APD when a strobe signal in the form of a meander is applied to it. The avalanche signal from the first LTD is extracted by subtracting from it the transient process formed on the second LTD. Due to the use of a square wave as a gating signal, the quantum efficiency in the time interval when the diode voltage exceeds the breakdown voltage is approximately constant. The time interval in which the diode is in the state of receiving a photon is almost independent of the meander amplitude and bias voltage. This method of reception is the most suitable for use in the described invention, but does not limit it.
Быстрое стробирование позволяет принять сенсором оптическое излучение, поступающее на сенсор только на интервалах стробирования. Fast gating allows the sensor to receive optical radiation that enters the sensor only at gating intervals.
Оптический сенсор. Под оптическим сенсором понимаем одиночный оптический сенсор, работающий в режиме быстрого стробирования или группу сенсоров, работающих в режиме быстрого стробирования. Optical sensor. By optical sensor we mean a single optical sensor operating in the fast gating mode or a group of sensors operating in the fast gating mode.
Принятый оптический сигнал, рефлектограммы. Под принятым сигналом понимаем конечную дискретную последовательность, формируемую в процессе приема оптического сигнала. Каждый член этой последовательности формируется по результатам работы сенсора (или группы оптических сенсоров) на соответствующем временном интервале Received optical signal, reflectograms. Under the received signal we mean the final discrete sequence formed in the process of receiving the optical signal. Each member of this sequence is formed based on the results of the operation of a sensor (or a group of optical sensors) in the corresponding time interval
В нашем случае такой сигнал также называется первичной рефлектограммой или сигналом (последовательностью) двоичного детектирования.In our case, such a signal is also called the primary reflectogram or binary detection signal (sequence).
Под вторичной рефлектограммой понимается обработанная методом согласованной фильтрации первичная рефлектограмма. Вторичная рефлектограмма применяется для вычисления временных задержек оптического сигнала, отраженного или порождаемого зондируемым объектом.The secondary reflectogram is understood as the primary reflectogram processed by the matched filtering method. The secondary reflectogram is used to calculate the time delays of the optical signal reflected or generated by the probed object.
ПК - компьютер с программным обеспечением и интерфейсными модулями предназначенный для управление стендом, имитирующим работу лидара и для обработки первичных рефлектограмм, формируемых стендом, для формирования вспомогательных последовательностей загружаемых в память блоков стенда. PC - a computer with software and interface modules designed to control the bench that simulates the operation of the lidar and to process the primary reflectograms generated by the bench to form auxiliary sequences of the bench blocks loaded into the memory.
Цели изобретенияObjectives of the invention
Очевидным способом увеличения эффективности разрешения элементов цели со «слабыми» ЭПР является увеличение энергии зондирующих оптических импульсов, что позволяет увеличить соотношение сигнал/шум на поверхности оптического сенсора. Но часто увеличение энергии требует значительных материальных затрат или технически, на данном уровне техники, не реализуемо. В тоже время известны относительно доступные способы генерации оптического излучения, имеющие ограничения по пиковой мощности, и источники, например такие как лазерные диоды, оптико-терагерцовые преобразователи, например использующие эффект Дембера [ DOI: 10.1364/OL.428599 ]. An obvious way to increase the resolution efficiency of target elements with "weak" EPR is to increase the energy of the probing optical pulses, which makes it possible to increase the signal-to-noise ratio on the surface of the optical sensor. But often an increase in energy requires significant material costs or technically, at this level of technology, is not feasible. At the same time, relatively accessible methods for generating optical radiation are known, which have limitations in terms of peak power, and sources, such as laser diodes, optical-terahertz converters, for example, using the Dember effect [DOI: 10.1364/OL.428599].
Использование подобных источников импульсного терагерцового излучения совместно с приемниками терагерцового излучения (см., например, SSPD) в режиме быстрого стробирования с применением технических решений, описанных в настоящем патенте, позволяет создавать сканеры (лидары) для дистанционного обнаружения металлических предметов и определения их формы, например, в людской толпе, в зарослях при наличии тумана, для дистанционного определения малых концентраций газов в атмосфере и т.д. The use of such sources of pulsed terahertz radiation in conjunction with terahertz radiation receivers (see, for example, SSPD) in fast gating mode using the technical solutions described in this patent makes it possible to create scanners (lidars) for remote detection of metal objects and determining their shape, for example , in a crowd of people, in thickets in the presence of fog, for remote determination of low concentrations of gases in the atmosphere, etc.
Цель данного изобретения состоит в том, чтобы обеспечить обнаружение всех элементов зондируемого объекта в том случае, когда энергия испускаемых оптических импульсов является недостаточной для обеспечения надежного разрешения, зондируемых объектов и при этом есть ограничения по времени, отводимом на разрешение указанных объектов. Предпочтительно, чтобы время, необходимое для разрешения не превышало одного цикла зондирования. The purpose of this invention is to ensure the detection of all elements of the probed object in the case when the energy of the emitted optical pulses is insufficient to provide reliable resolution of the probed objects and there are time limits for resolving these objects. Preferably, the time required for resolution does not exceed one probing cycle.
Или, иными словами, ставится задача - улучшение селективности разрешения зондируемых объектов при ограниченной мощности зондирующего сигнала и/или длительности зондирующего сигнала. Or, in other words, the task is to improve the selectivity of the resolution of probed objects with limited probing signal power and/or probing signal duration.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить устройство для приема оптического сигнала, включающее в себя генератор тактового сигнала, соединенный с оптическим приемным устройством, работающим в нелинейном режиме, блоком согласованной фильтрации, модулем порогового обнаружения сигнала, позволяющее, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно обеспечить обнаружение всех элементов зондируемого объекта в том случае, когда энергия испускаемых оптических импульсов является недостаточной для обеспечения надежного разрешения, зондируемых объектов известными методами и при этом есть ограничения по времени зондирования, что и является поставленной технической задачей настоящего изобретения.Based on this original observation, the present invention mainly aims to provide an apparatus for receiving an optical signal, including a clock signal generator connected to an optical receiver operating in a non-linear mode, a matched filtering unit, a signal threshold detection module, allowing, by at least smooth out at least one of the above disadvantages, namely, to ensure the detection of all elements of the probed object in the case when the energy of the emitted optical pulses is insufficient to ensure reliable resolution of the probed objects by known methods and there are restrictions on the probing time , which is the technical problem of the present invention.
Для достижения этой цели устройство включает в себя узел регулировки квантовой эффективности по средней частоте срабатываний сенсора и блок формирования сигнала адаптации стробирования.To achieve this goal, the device includes a node for adjusting the quantum efficiency by the average frequency of sensor responses and a block for generating a gating adaptation signal.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность сократить время осуществления зондирования, осуществлять зондирование всех элементов зондируемого объекта, попадающих в створ зондирующего луча одновременно.Due to these advantageous characteristics, it becomes possible to reduce the time of probing, to carry out probing of all elements of the probed object that fall into the target of the probing beam at the same time.
Также изобретение относится к способам приема оптического сигнала, при котором генерируют тактовый сигнал, принимают отраженный от разрешаемого объекта сигнал оптическим приемным устройством, работающем в нелинейном режиме, имеющим блок согласованной фильтрации и модуль порогового обнаружения сигнала. The invention also relates to methods for receiving an optical signal, in which a clock signal is generated, a signal reflected from a resolvable object is received by an optical receiver operating in a nonlinear mode, having a matched filtering unit and a signal threshold detection module.
Для того, чтобы обеспечить обнаружение всех элементов зондируемого объекта в том случае, когда энергия испускаемых оптических импульсов является недостаточной для обеспечения надежного разрешения, зондируемых объектов и при этом есть ограничения по времени зондирования предлагается, согласно изобретению, добавить этап, при котором адаптируют стробирующий сигнал, регулируют квантовую эффективность по частоте срабатываний сенсора.In order to ensure the detection of all elements of the probed object in the case when the energy of the emitted optical pulses is insufficient to ensure reliable resolution of the probed objects and there are restrictions on the probing time, it is proposed, according to the invention, to add a step in which the strobe signal is adapted, regulate the quantum efficiency by the frequency of sensor activations.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность сократить время осуществления зондирования, осуществлять зондирование всех элементов зондируемого объекта, попадающих в створ зондирующего луча одновременно.Due to these advantageous characteristics, it becomes possible to reduce the time of probing, to carry out probing of all elements of the probed object that fall into the target of the probing beam at the same time.
Существует вариант изобретения, в котором формирование сигнала адаптации стробирования осуществляется в процессе зондирования по результатам согласованной фильтрации фрагмента зондирующей ПИМ последовательности или отдельного зондирующего пилот-сигнала, позволяющего оценить временные задержки отраженно сигнала от элементов зондируемого объекта с «сильными» ЭПР.There is a variant of the invention in which the formation of the gating adaptation signal is carried out in the process of probing based on the results of matched filtering of a fragment of the probing PIM sequence or a separate probing pilot signal, which makes it possible to estimate the time delays of the reflected signal from the elements of the probed object with “strong” RCS.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность отказаться от использования дополнительного оптического тракта необходимого для формирования сигнала адаптации стробирования.Thanks to these advantageous characteristics, it becomes possible to refuse the use of an additional optical path necessary for the formation of the gating adaptation signal.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:Other features and advantages of the present invention will clearly appear from the description below, by way of illustration and without being restrictive, with reference to the accompanying figures, in which:
Фигура 1 показывает схему блока формирования ПИМ последовательности и ее согласованной фильтрации. Figure 1 shows the block diagram of the PIM sequencer and its matched filtering.
Фигура 2 изображает фрагменты дискретных последовательностей, зафиксированных и отображаемых блоками Т2 (верхний график) и Т1 (нижний график). По абсциссе отложены такты работы устройства фиг. 1. Figure 2 depicts fragments of discrete sequences captured and displayed by blocks T2 (upper graph) and T1 (lower graph). The abscissa indicates the operation cycles of the device of FIG. one.
Фигура 3 изображает график, поясняющий способ формирования импульсного сигнала стробирования.Figure 3 is a graph explaining a method for generating a gate pulse signal.
Фигура 4 показывает варианты возможного временного положения стробов (стробирующих импульсов), относительно принимаемой ПИМ последовательности (оптических) импульсов.Figure 4 shows options for the possible timing of the strobes (strobe pulses) relative to the received PIM sequence of (optical) pulses.
- график А - схематически изображает два фрагмента, принимаемого ПИМ сигнала, содержащий четыре временные позиции сигнала, четные временные позиции отмечены знаком «0», нечетные знаком «1». - graph A - schematically depicts two fragments of the received PIM signal, containing four signal time positions, even time positions are marked with a "0" sign, odd ones with a "1" sign.
- графики B, C, D, E схематически отображают периодические сигналы стробирования, отличающиеся только своим положением во времени относительно начала четных временных позиций сигнала.- plots B, C, D, E schematically display periodic gating signals, differing only in their position in time relative to the beginning of even signal time positions.
Фигура 5 показывает график, где по абсциссе графиков B, C, D, E отложены номера отсчетов двоичной последовательности, полученной рассматриваемым в примере методом. На ординатах графиков B, C, D, E отложены амплитуды отсчетов, двоичной последовательности, полученной рассматриваемым в примере методом, отличающиеся положением сигналов стробирования, варианты которых приведены на графиках B, C, D, E на фигуре 4. Figure 5 shows a graph, where the abscissa of graphs B, C, D, E plotted the numbers of samples of the binary sequence obtained by the method considered in the example. On the ordinates of the graphs B, C, D, E, the amplitudes of the samples are plotted, the binary sequence obtained by the method considered in the example, differing in the position of the gating signals, the variants of which are shown in the graphs B, C, D, E in figure 4.
Фигура 6 показывает схему формирования и последующей согласованной фильтрации ПИМ последовательности.Figure 6 shows a diagram of the generation and subsequent matched filtering of the PIM sequence.
Фигура 7 изображает фрагмент отклика фильтра (от такта 74000 до такта 76750) на выходе согласованного в точке Т2 фиг.6 (на устройстве регистрации и отображении Т2) и на выходе режекторного фильтра в точке Т3 фиг 6 (на устройстве регистрации и отображении Т3). Figure 7 depicts a fragment of the filter response (from clock 74000 to clock 76750) at the output matched at point T2 of Figure 6 (on the recording device and display T2) and at the output of the notch filter at point T3 of Figure 6 (on the recording device and display T3).
Фигура 8 изображает функциональную схему стенда имитации приемного и передающего тракта лидара, без функциональных блоков обработки рефлектограмм, реализуемых программно в ПК.Figure 8 depicts a functional diagram of the stand for imitation of the receiving and transmitting paths of the lidar, without the functional blocks for processing reflectograms implemented programmatically in a PC.
Фигура 9 изображает роботу блока формирования модулирующей двоичной ПМ последовательности.Figure 9 depicts the robot of the block for the formation of the modulating binary PM sequence.
Фигура 10 изображает работу блока формирования сигнала адаптации сигнала стробирования.Figure 10 depicts the operation of the gating signal adaptation signal conditioning unit.
Фигура 11 схематически изображает устройство блока имитации сложного зондируемого объекта (БИЗО).Figure 11 schematically depicts the device of the block for simulating a complex probed object (CISO).
Фигура 12 схематически отображает связь отсчетов в последовательности двоичного детектирования (график E на фиг.13) с временными интервалами стробирования (график D) и временного положения тактовых импульсов (график B). Figure 12 schematically depicts the relationship of samples in the binary detection sequence (plot E in Fig. 13) with gate time intervals (plot D) and clock timing (plot B).
Фигура 13 показывает функциональную схема обработки и формирования сигналов, реализованную программно на ПК. Figure 13 shows a functional diagram of signal processing and generation implemented in software on a PC.
Фигуры 14 и 15 показывают фрагменты рефлектограммы Z, полученные после обработки первичных рефлектограмм путем согласованной фильтрацией и соответствующие им фрагменты вспомогательной последовательности 5*Y.Figures 14 and 15 show fragments of the Z trace obtained after processing the primary traces by matched filtering and the corresponding fragments of the 5*Y auxiliary sequence.
На фиг. 16 представлена возможная схема оптического тракта устройства формирования сигнала адаптации стробирования. In FIG. 16 shows a possible diagram of the optical path of the gating adaptation signal generator.
Осуществление изобретения.Implementation of the invention.
Покажем, как происходит управление квантовой эффективностью ξ сенсора в режиме быстрого стробирования. Вероятность срабатывания оптического сенсора за от числа фотонов с пуассоновским распределение по времени по материалам [DOI: 10.1049/el:19840411] можно представить в виде простого уравнения (1) Let us show how the quantum efficiency ξ of the sensor is controlled in the fast gating mode. Optical sensor triggering probability for on the number of photons with a Poisson time distribution over materials [DOI: 10.1049/el:19840411] can be represented as a simple equation (1)
(1) , где (one) , where
– вероятность срабатывания сенсора при отсутствии излучения на пов. сенсора за интервал времени (dark count probability), is the probability of triggering the sensor in the absence of radiation on the surface. sensor per time interval (dark count probability),
ξ - квантовая эффективность, - среднее число фотонов, попадающее на сенсор за интервал времени .ξ - quantum efficiency, is the average number of photons that hit the sensor over a time interval .
Уравнение (1) удобно представить в виде (2)Equation (1) can be conveniently represented as (2)
(2) , где (2) , where
При практическом применения этого уравнения число фотонов , попадающее на поверхность сенсора за время стробирования состоит из фотонов шумовой составляющей (нижний индекс N) и собственно сигнальной (нижний индекс S)In the practical application of this equation, the number of photons falling on the sensor surface during the gating time consists of photons of the noise component (subscript N ) and the actual signal component (subscript S )
(3) (3)
С практической точки зрения, самопроизвольное срабатывание сенсора, выражаемое переменной можно рассматривать, как элемент шумовой составляющей в детектируемом сигнале несмотря на то, что он связан с внутренней природой сенсора. From a practical point of view, the spontaneous operation of the sensor, expressed by the variable can be considered as an element of the noise component in the detected signal, despite the fact that it is associated with the internal nature of the sensor.
Известно, что и соответственно в режиме скоростного стробирования увеличивается при уличении показателя путем увеличения напряжения смещения на ЛПД, работающем в режиме счетчика Гейгера, увеличения рабочей температуры сенсора и сокращения времени прошедшего от момента предшествующего срабатывания сенсора до момента начала нового стробирования. It is known that and correspondingly in high-speed gating mode increases when the indicator is detected by increasing the bias voltage on the LPD operating in the Geiger counter mode, increasing the operating temperature of the sensor and reducing the time elapsed from the moment of the previous sensor operation until the start of a new strobing.
На практике, под шумовой составляющей понимают собственно сумму среднего числа шумовых фотонов, попадающих на поверхность сенсора за время стробирования обозначаемую здесь как и величины , характеризующей собственный шум сенсора. - эквивалентное число шумовых фотонов. In practice, under the noise component understand the actual sum of the average number of noise photons that hit the sensor surface during the gating time, denoted here as and quantities , which characterizes the intrinsic noise of the sensor. is the equivalent number of noise photons.
(4) (four)
Вероятность срабатывания сенсора за время стробирования при отсутствии попадания на поверхность сенсора сигнального оптического импульса можно выразить уравнением:The probability of sensor operation during the gating time in the absence of a signal optical pulse hitting the sensor surface can be expressed by the equation:
(5) (5)
Вероятность срабатывания сенсора за время стробирования при попадании на поверхность сенсора сигнального оптического импульса можно выразить уравнением:The probability of sensor operation during the gating time when a signal optical pulse hits the sensor surface can be expressed by the equation:
, где = /. , where = / .
Прирост вероятности срабатывания сенсора при попадании на поверхность сенсора оптического сигнала можно определить как The increase in the probability of sensor operation when an optical signal hits the sensor surface can be defined as
Наличие прироста позволяет выделить из детектированного оптического сигнала путем согласованной фильтрации, информацию о времени начала поступления на оптический сенсор ПИМПОИ, например, отраженной от элемента зондируемого объекта.The presence of the gain allows you to extract from the detected optical signal by matched filtering, information about the time of the start of arrival at the optical sensor of the PIMPOI, for example, reflected from the element of the probed object.
При согласованной фильтрации одной ПИМ последовательности соотношение в отсчете – пике отклика на выходе дискретного согласованного фильтра будет увеличено по сравнению с соотношением при условиях детектирования. With matched filtering of one PIM sequence, the relation in the sample-peak response at the output of the discrete matched filter will be increased compared to the ratio under the detection conditions.
Обозначим соотношение при условиях детектирования, как Denote the ratio under detection conditions as
Сигнальную составляющую отклика на выходе согласованно фильтра ПИМ последовательности можно оценить, как математическое ожидание величины отсчета пика отклика на выходе согласованно фильтра равное M, где M число оптических импульсов принимаемых в режиме стробирования и вносящих вклад в формирование пика отклика согласованной фильтрации, а шумовую, как среднеквадратическое отклонение выходных отсчетов согласованного фильтра при подаче на его вход последовательности, получаемой при детектировании только шумовой составляющей .The signal component of the response at the output of the matched PIM sequence filter can be estimated as the mathematical expectation of the response peak count value at the output of the matched filter equal to M , where M is the number of optical pulses received in the gating mode and contributing to the formation of the matched filtering response peak, and the noise pulse, as the standard deviation output samples of the matched filter when applying to its input the sequence obtained by detecting only the noise component .
(7) .(7) .
на для пика отклика на выходе согласованно фильтра можно записать как, for the peak response at the output of the matched filter can be written as,
(8) (eight)
Максимум по достигается если выполняется условие Maximum per is achieved if the condition is met
(9) , при и(9) , at and
(10) при . (ten) at .
Из уравнения (10) следует, что при и заданном при оптимальной квантовой эффективности квантовой эффективности, при которой показатель максимален, вероятность срабатывания сенсора от шумовой составляющей на интервале времени составит ≈ 0,63 ≈ , а с увеличением соотношения должна убывать обратно пропорционально и при ≈ .From equation (10) it follows that at and given at the optimal quantum efficiency quantum efficiency, at which the exponent maximum, the probability of the sensor triggering from the noise component in the time interval will be ≈ 0.63 , and with an increase in the ratio must decrease inversely and at ≈ .
Пример оценки средней частоты срабатываний сенсораAn example of estimating the average frequency of sensor activations
ПИМПОИ содержит N ≈ 500 оптических импульсов из этих импульсов только часть в количестве M=200 по времени достижения поверхности сенсора совпадает с временными интервалами скоростного стробирования сенсора. Длительность ПИМПОИ составляет 20000/, где – частота стробирования сенсора. Среднее число фотонов в каждом оптическом импульсе, поступающем на поверхность сенсора равно 1. 1, Соотношение сингал/шум определяемое, как отношение среднего числа фотонов в оптическом импульсе, поступающем на интервале стробирования на поверхность сенсора к эквивалентному среднему числу шумовых фотонов, поступающих на интервале стробирования на поверхность сенсора = 1,0. PIMPOI contains N ≈ 500 optical pulses of these pulses, only a part in the amount of M=200 in time to reach the sensor surface coincides with the time intervals of high-speed gating of the sensor. PIMPOI duration is 20000/ , where – sensor strobe frequency. The average number of photons in each optical pulse arriving at the sensor surface is 1. 1, Singal/noise ratio defined as the ratio of the average number of photons in the optical pulse arriving at the sensor surface during the gating interval to the equivalent average number of noise photons arriving at the sensor surface during the gating interval = 1.0.
Тогда, согласно уравнения (9) необходимо установить сенсора равный или не выше 0,69/1 = 69%, устанавливаем = 25% , как максимально достижимый для данного типа сенсоров.Then, according to equation (9), it is necessary to establish sensor equal to or not higher than 0.69 / 1 = 69%, set = 25%, as the maximum achievable for this type of sensors.
Для = 25% получим, что For = 25% we get that
= 0,42 = 0.42
= 0,17/0,42 = 0,42 •14,14 = 5,87 = 0.17/0.42 = 0.42 •14.14 = 5.87
при этом средняя частота срабатываний сенсора составит while the average frequency of sensor activations will be
= ( (20000-M)/20000 + M/20000) =( (20000-M)/20000+ M/20000)
= (0,22*(20000-M)/20000 +0,39*M/20000) ≈ 0,22* = (0.22*(20000-M)/20000 +0.39*M/20000) ≈ 0.22*
Как видно из приведенного выше примера средняя частота срабатываний сенсора определяется в основном величиной , определяемой шумовой составляющей, а она в свою очередь определяется по уравнению (5) произведением . С повышением соотношения , величина снижается, что требует большего времени для оценки средней частоты срабатываний сенсора , поэтому применение метода целесообразно использовать при не более 5, предпочтительно не более 3. As can be seen from the above example, the average frequency of sensor responses is determined mainly by the value determined by the noise component, and it, in turn, is determined by equation (5) by the product . With increasing ratio , value decreases, which requires more time to evaluate the average frequency of sensor triggers , therefore, it is advisable to use the method when no more than 5, preferably no more than 3.
Таким образом, при заданных: уровне шума на сенсоре и минимальном рабочем соотношении для оптимизации на выходе согласованного фильтра необходимо поддерживать фиксированную среднюю за время частоту срабатываний сенсора, путем регулирования квантовой эффективности сенсора. Такое регулирование можно реализовать, например, при помощи контура регулирования амплитуды напряжения смещения , подаваемого в сумме с прямоугольным сигналом стробирования на ЛПД диод, эксплуатируемый в режиме счетчика Гейгера или непосредственно регулируя напряжение стробирования. Поясняющая способ формирования сигнала стробирования фигура приведена на фиг. 3.Thus, for given: noise level on sensor and minimum working ratio for optimization at the output of the matched filter, it is necessary to maintain a fixed average over time the frequency of sensor activations, by adjusting the quantum efficiency of the sensor. Such regulation can be implemented, for example, using a bias voltage amplitude regulation loop , supplied in total with a rectangular gating signal to the LPD diode, operated in the Geiger counter mode or directly regulating the gating voltage. A figure explaining the method of generating the strobe signal is shown in FIG. 3.
Таблица 2 Обозначения на фиг. 3Table 2 3
На фиг.3 = Amplitudes of the positive and negative half-wave of the bipolar gating signal, which is a square wave with a frequency and a strobing half-wave interval equal to
In Fig.3 =
где The duration of the gating interval. In FIG. 3
where
Время τ определяется как время, достаточное для определения средней относительной частоты срабатываний сенсора с допустимой погрешностью. Поскольку средняя относительная частота срабатываний сенсора определяется квантовой эффективностью сенсора, то при увеличении время τ будут снижаться и колебания квантовой эффективности сенсора. Фактически, контур регулирования поддерживает близкой к уставке регулирования среднюю частоту срабатываний сенсора через управляющее воздействие на квантовую эффективность сенсора, но изменения управляющего воздействия должны быть плавными и обеспечивать минимальное относительное колебание квантовой эффективности в процессе регулирования. Относительные колебания в установившемся режиме регулирования в пределах ±5 % от среднего установившегося значения, не оказывает существенно влияния на технические характеристики приемного тракта лидара или иного устройства, использующего рассматриваемый метод. The time τ is defined as the time sufficient to determine the average relative frequency of sensor responses with an acceptable error. Since the average relative frequency of sensor triggering is determined by the quantum efficiency of the sensor, as the time τ increases, the fluctuations in the quantum efficiency of the sensor will also decrease. In fact, the control loop maintains the average frequency of sensor responses close to the control setpoint through the control action on the quantum efficiency of the sensor, but the changes in the control action must be smooth and provide a minimum relative fluctuation of the quantum efficiency during the control process. Relative fluctuations in the steady-state control mode within ±5% of the average steady-state value, does not significantly affect the technical characteristics of the receiving path of the lidar or other device using the method under consideration.
Данный контур регулирования можно использовать при скоростном стробировании оптического сенсора, например, по способу, описанному в патенте США US 9012860. This control loop can be used for high speed gating of an optical sensor, for example, as described in US Pat. No. 9,012,860.
Адаптация стробирования сенсоров.Sensor gating adaptation.
Адаптивное стробирование можно использовать для снижения уровня ложных срабатываний сенсора, связанных с эффектом, известным как «after-pulsing probability» (APP) описанным, например, в [DOI: 10.1155/2018/9585931]. Adaptive gating can be used to reduce sensor false alarms associated with an effect known as "after-pulsing probability" (APP) described for example in [DOI: 10.1155/2018/9585931].
Действительно, существует проблема, заключающаяся в том, что увеличение ξ сенсора путем увеличения амплитуды напряжения в моменты работы сенсора в режиме счетчика Гейгера приводит к увеличению т. н. ложных срабатываний сенсора, как постоянно, так и дополнительно на интервале времени, необходимом для полного восстановления параметров сенсора. Indeed, there is a problem that an increase in sensor ξ by increasing the voltage amplitude at the moments of sensor operation in the Geiger counter mode leads to an increase in the so-called. false positives of the sensor, both permanently and additionally at the time interval necessary for the complete restoration of the sensor parameters.
Число ложных срабатываний, индуцированное приемом оптических импульсов от «сильных» и «ординарных» или «сильных» сигналов, можно снизить путем выключения сенсора из режима счетчика Гейгера в моменты предполагаемого попадания на поверхность сенсора оптических импульсов, отраженных от объектов с сильными и ординарными ЭПР (сильных и ординарных сигналов).The number of false alarms induced by the reception of optical pulses from "strong" and "ordinary" or "strong" signals can be reduced by turning off the sensor from the Geiger counter mode at the moments when optical pulses, reflected from objects with strong and ordinary EPR, are expected to hit the sensor surface ( strong and ordinary signals).
Стробирующий сигнал, подаваемый на сенсор, может быть адаптирован на основании априорной информации о моментах поступления на поверхность сенсора оптических «сильных» и «ординарных» оптических импульсов. The strobe signal applied to the sensor can be adapted based on a priori information about the moments when optical "strong" and "ordinary" optical pulses arrive at the sensor surface.
Очевидным применением адаптивного стробирования является отключение приемного сенсора в интервалы времени, задержанные относительно интервалов времени испускания оптического импульса на время, необходимое для прохождения оптического импульса от передатчика оптических импульсов к поверхности сенсора. Например, это востребовано в тех случаях, когда сенсор и передатчик оптических импульсов используют общий приемо-передающий оптический тракт. В данном случае адаптивное стробирование может быть реализовано адаптацией сигнала путем выполнения операции конъюнкции над сигналом стробирования («1» - есть стробирование сенсора, «0» - нет стробирования сенсора) и инверсированным сигналом испуская оптических импульсов («1» - нет испускания оптического импульса на интервале стробирования, «0» – есть испускание оптического импульса на интервале стробирования). An obvious application of adaptive gating is to turn off the receiving sensor at time intervals delayed from the optical pulse emission time intervals by the time required for the optical pulse to travel from the optical pulse transmitter to the sensor surface. For example, this is required in cases where the sensor and the transmitter of optical pulses use a common transmit-receive optical path. In this case, adaptive gating can be implemented by adapting the signal by performing a conjunction operation on the gating signal (“1” - there is a sensor gating, “0” - there is no sensor gating) and the inverted signal emitting optical pulses (“1” - there is no emission of an optical pulse on gating interval, "0" - is the emission of an optical pulse at the gating interval).
Пример №1
Представим ПИМ сигнал, который модулирован ПМ-последовательностью α из примера: «Пример формирования и согласованная фильтрация двоичной ПМ-последовательности со свойством не более одного совпадения». Число членов, отличных от нуля, с четными номерами членов в последовательности α близко к числу членов с нечетными номерами.Imagine PIM signal that is modulated by the PM sequence α from the example: "An example of the formation and matched filtering of a binary PM sequence with the property of no more than one match." The number of non-zero terms with even-numbered terms in the sequence α is close to the number of odd-numbered terms.
Длительность импульсов в ПИМ сигнале .Pulse duration in PIM signal .
Частота модуляции ПИМ сигнала PIM modulation frequency
Период модуляции ПИМ сигнала PIM modulation period
Данный ПИМ сигнал поступает на устройство синхронного детектирования, на которое также подается периодический сигнал импульсов стробирования с периодом . (частота сигнала стробирования = ). Длительность импульсов стробирования (стробов) , что соответствует ½ периода стробирования увеличенного ½ длительности импульсов в детектируемом ПИМ сигнале. This PIM signal is fed to the synchronous detection device, which is also supplied with a periodic signal of strobe pulses with a period . (gate signal frequency = ). The duration of the strobing pulses (strobes) , which corresponds to ½ of the gate period of the increased ½ pulse duration in the detected PIM signal.
Устройство синхронного детектирования работает по следующему принципу:The synchronous detection device works according to the following principle:
- при совпадении во времени хотя бы одного импульса ПИМ последовательности или его фрагмента длительностью не менее ½ от длительности оптического импульса и импульса стробирования (строба) по заднему фронту строба формируется логическая единица длительностью 200 ps и следом за ней логический «нуль», длительностью 200ps;- if at least one pulse of the PIM sequence or its fragment with a duration of at least ½ of the duration of the optical pulse and the strobe (strobe) pulse coincides in time, a logical unit with a duration of 200 ps is formed along the trailing edge of the strobe, followed by a logical "zero", with a duration of 200 ps;
- в противном случае (если нет совпадения или совпадение во времени строба и оптического импульса составляет менее ½ от длительности импульса ПИМ сигнала) по заднему фронту строба формируются два логических нуля длительностью 200 ps. Таким образом, формируется двоичная последовательность, с временем тактового перехода 200 ps. - otherwise (if there is no coincidence or the coincidence in time of the strobe and the optical pulse is less than ½ of the duration of the PIM signal pulse), two logical zeros with a duration of 200 ps are formed on the trailing edge of the strobe. Thus, a binary sequence is formed, with a clock transition time of 200 ps.
Назовем, подобный способ приема двоичным детектированием сигнала. Let's call this method of receiving binary signal detection.
Сформированная описанным образом последовательность потактно подается на согласованный фильтр - блок 2, который изображен на фиг. 1.The sequence formed in the described way is fed in cycles to the matched filter -
Специалисту очевидно, что поскольку каждый второй отсчет в обрабатываемой последовательности — это сигнал «0», то при обработке сигнала число операций сложения можно снизить вдвое и вдвое снизить частоту выполнения поточных операций, необходимых для осуществления согласованной фильтрации. Однако, поскольку целью настоящего патента не является сокращение операций сложения при согласованной фильтрации, в описании использовано упрощенное описание устройств фильтрации. It is obvious to the specialist that since every second sample in the processed sequence is a “0” signal, then when processing the signal, the number of addition operations can be halved and the frequency of performing streaming operations necessary to implement matched filtering can be halved. However, since the purpose of this patent is not to reduce the addition operations in matched filtering, a simplified description of the filtering devices is used in the description.
На фиг. 4 схематически показано, как времéнное положение стробов относительно начала четных временных позиций импульсов ПИМ сигнала влияет на форму выходной двоичной последовательности (сигнала двоичного детектирования). Под четными времéнными позициями понимаем времéнные позиции, которые приурочены к четным членам последовательности α, под нечётными, которые приурочены к нечетным членам последовательности α.In FIG. 4 schematically shows how the time position of the gates relative to the start of the even time positions of the PIM signal pulses affects the shape of the output binary sequence (binary detection signal). By even time positions we mean time positions that are confined to even members of the sequence α, by odd ones, which are confined to odd members of the sequence α.
На фиг. 4 (график А) схематически отображен фрагмент принимаемого ПИМ сигнала, содержащий четыре времéнные позиции импульсов (нулевую (четную), первую (нечетную), вторую (четную) и j-тую (нечётную)). На месте нулевой (четной) и j-той (нечетной) времéнной позиции импульсов отображены принимаемые импульсы, на месте первой (нечетной) и второй (четной) позиции отображено отсутствие принимаемого импульса. In FIG. 4 (graph A) schematically shows a fragment of the received PIM signal containing four time positions of the pulses (zero (even), first (odd), second (even) and j-th (odd)). The received pulses are displayed in place of the zero (even) and j-th (odd) time positions of the pulses, and the absence of the received pulse is displayed in the place of the first (odd) and second (even) positions.
На фиг. 4 (графики B, C, D, E) схематически отображены периодические сигналы стробирования, отличающиеся только своим положением во времени относительно начала четных временных позиций импульсов. Так, сигнал стробирования «B» обеспечивает стробирование только четных времéнных позиций импульсов, а сигнал стробирования «Е» - только нечётных позиций импульсов. Сигнал «С» обеспечивает стробирование четных позиций и частично нечетных. Сигнал «D» обеспечивает стробирование нечетных позиций и частично четных.In FIG. 4 (plots B, C, D, E) are schematic representations of periodic gating signals, differing only in their position in time relative to the start of the even time positions of the pulses. Thus, the gate signal "B" ensures the gate of only even time positions of the pulses, and the gate signal "E" - only the odd positions of the pulses. Signal "C" provides gating of even positions and partially odd ones. The "D" signal provides gating for odd positions and partially even ones.
На фиг. 5. представлены сигналы (фрагменты дискретных последовательностей - рефлектограмм) на выходе рассматриваемого в примере согласованного фильтра - блок 2, который изображен на фиг. 1 с импульсной х-кой , полученные при подаче на его вход дискретных последовательностей, полученных при двоичном детектировании ПИМ сигнала, рассматриваемого в настоящем примере, при вариантах положения стробов относительно временных позиций кода (B, C, D, E), приведенных на фиг. 4.In FIG. 5. shows the signals (fragments of discrete sequences - reflectograms) at the output of the matched filter considered in the example -
Обозначения вариантов относительного положения стробов на фиг. (B, C, D, E) соответствуют обозначениям полученных на выходе согласованного фильтра фрагментам дискретных последовательностей. Designations of variants of the relative position of the gates in Fig. (B, C, D, E) correspond to the notation obtained at the output of the matched filter fragments of discrete sequences.
Как видно из фиг. 5 - рефлектограммы B и E позволяют определить времéнное положение ПИМ последовательности (положение заднего фронта последнего импульса в принимаемой ПИМ последовательности) с точностью до ±100 ps, а рефлектограммы C и D позволяют определить положение с точностью до ±200 ps. As can be seen from FIG. 5 - traces B and E allow determining the time position of the PIM sequence (the position of the trailing edge of the last pulse in the received PIM sequence) with an accuracy of ±100 ps, and traces C and D allow determining the position with an accuracy of ±200 ps.
Таким образом, для применения в измерениях дальности точность определения расстояния до зондируемого объекта не будет превышать ±30 nm. Thus, for use in range measurements, the accuracy of determining the distance to the probed object will not exceed ±30 nm.
Практика применения ПИМ сигналов The practice of using PIM signals
Известно, что при зондировании объектов, применяются ПИМ последовательности импульсов, в том числе, полученные путем позиционно импульсной модуляции с использованием в качестве модулирующей последовательности двоичной, ПМ последовательности со свойством «не более одного совпадения». [«High resolution waveforms suitable for a multiple target environment»/ Resnick, Joel B/ Thesis (M.S.) --MIT, Dept. of Electrical Engineering, 1962. URI: http://hdl.handle.net/1721.1/11436]. It is known that when probing objects, PIM pulse sequences are used, including those obtained by position-pulse modulation using a binary, PM sequence with the property "no more than one match" as a modulating sequence. [“High resolution waveforms suitable for a multiple target environment”/ Resnick, Joel B/ Thesis (M.S.) --MIT, Dept. of Electrical Engineering, 1962. URI: http://hdl.handle.net/1721.1/11436].
Применение, таким образом, модулированных зондирующих сигналов позволяет, улучшить селективность разрешения зондируемых объектов после согласованной фильтрации детектированного сигнала за счет низкого уровня боковых лепестков нормированной АКФ (не более1/N), где N - число позиций в модулирующей двоичной последовательности отличных от 0 и одновременно с этим минимизировать потери в соотношении сигнал/шум для «ординарных» сигналов, выделяемых путем согласованной фильтрации, если для их приема используется приемник сигнала, работающий в режиме ограничения (limiting receiver) и на вход этого приемника поступает суперпозиция принятых детектированных сигналов от различных разрешаемых объектов. [Proc. IEEE vol. 54, p. 438-439 (1966) / DOI: 10.1109/PROC.1966.4745]. The use of modulated probing signals in this way makes it possible to improve the selectivity of the resolution of the probed objects after matched filtering of the detected signal due to the low level of side lobes of the normalized ACF (no more than 1/N), where N is the number of positions in the modulating binary sequence different from 0 and simultaneously with This minimizes the loss in the signal-to-noise ratio for “ordinary” signals extracted by matched filtering, if a signal receiver operating in the limiting receiver is used to receive them, and a superposition of the received detected signals from various resolvable objects is fed to the input of this receiver. [Proc. IEEE vol. 54, p. 438-439 (1966) / DOI: 10.1109/PROC.1966.4745].
Недостаткам использования зондирующих сигналов со свойством модулирующей последовательности «не более одного совпадения» является то, длительность зондирующего сигнала квадратично зависит от N - число ненулевых позиций в двоичной модулирующей последовательности. Согласно сведениям, приведенным в монографии [“Оптимальные дискретные сигналы”/ М.Б.Свердик / “Сов. Радио” 1975]. Длительность зондируемого сигнала , где L – число членов в двоичной модулирующей последовательности, длительность временной позиции ПИМ сигнала.The disadvantages of using probing signals with the property of the modulating sequence "no more than one match" is that the duration of the probing signal depends quadratically on N - the number of non-zero positions in the binary modulating sequence. According to the information given in the monograph [“Optimal discrete signals”/ M.B. Sverdik / “Sov. Radio” 1975]. Probe signal duration , where L is the number of terms in the binary modulating sequence, the duration of the time position of the PIM signal.
Этот недостаток приведет к увеличению времени зондирования и длительности зондирующего сигнала и не решает задачи сокращения времени зондирования при условии ограничения по максимальной излучаемой мощности (энергии импульса) импульсного излучателя. Дополнительно, в случае зондирования скоростной цели, существует и ограничение по длительности зондирующего сигнала, связанные с его допплеровским «растягиванием» или «сжатием» в зависимости оттого, удаляется или приближается к сенсору зондируемый объект. Условия, ограничивающие рамки применения «доплеровской» модели, следующие: где, C - скорость света, L– число членов в двоичной модулирующей последовательности, - скорость модуля радиус-вектора цели. К примеру, если = 6000 m/c, то . Этот недостаток можно преодолеть. Так, например, пусть групповая цель движется по направлению к приемнику (сенсору), при этом отраженные сигналы от элементов цели поступающие на сенсор от элементов цели «сжимается». Для компенсации этого «сжатия»/ «растяжения» необходимо всего лишь увеличить/уменьшить частоту синхроимпусов стробирования сенсоров. Новая частота синхроимпульсов стробирования будет определяться следующим образом: где частота стробирования без поправки на радиальную скорость.This shortcoming will lead to an increase in the probing time and the duration of the probing signal and does not solve the problem of reducing the probing time, provided that the maximum radiated power (pulse energy) of the pulsed emitter is limited. Additionally, in the case of probing a high-speed target, there is also a limitation on the duration of the probing signal associated with its Doppler “stretching” or “compression”, depending on whether the probed object is moving away or approaching the sensor. The conditions limiting the scope of the application of the "Doppler" model are as follows: where, C is the speed of light, L is the number of terms in the binary modulating sequence, - velocity of the radius-vector modulus of the target. For example, if = 6000 m/s, then . This shortcoming can be overcome. So, for example, let a group target move towards the receiver (sensor), while the reflected signals from the target elements arriving at the sensor from the target elements are “compressed”. To compensate for this "squeezing" / "stretching", it is only necessary to increase / decrease the frequency of the strobe clock of the sensors. The new gate clock frequency will be determined as follows: where gating frequency without radial velocity correction.
Для компенсации доплеровского эффекта, в блок-схеме лидара или иного приемного устройства должен быть предусмотрен блок формирования синхроимпульсов с частотой (блок формирования синхроимпульсов приема). To compensate for the Doppler effect, the block diagram of the lidar or other receiving device must include a block for generating sync pulses with a frequency (block for generating clock reception).
Сократить длительность зондируемого сигнала можно если отказаться от использования ПИМ последовательностей со свойством «не более одного совпадения», заменим их последовательностями со свойством не более «K совпадений». Это позволит сократить длительность зондируемого сигнала примерно в K раз, но при этом увеличивается уровень боковых лепестков АКФ функции зондируемых сигналов в К раз, следовательно, объекты с малыми ЭПР отклики от которых на рефлектограмме (отклике на выходе согласованного фильтра) меньше или соразмерены с уровнем боковых лепестков, от откликов от объектов с «сильными» ЭПР и не будут разрешены. It is possible to reduce the duration of the probed signal if we refuse to use PIM sequences with the property “no more than one match”, we will replace them with sequences with the property no more than “K matches”. This will reduce the duration of the probed signal by about K times, but at the same time, the level of side lobes of the ACF of the function of the probed signals will increase by K times; lobes, from responses from objects with "strong" EPR and will not be allowed.
Пример №2
На фиг. 6 представлена схема формирования и последующей согласованной фильтрации ПИМ последовательности. In FIG. 6 shows a diagram of the formation and subsequent matched filtering of the PIM sequence.
Блок 3 формирования ПИМ последовательности длины L=L1+L2-1=2017+74629-1=76645 состоит из двух последовательно включенных блоков формирования ПИМ последовательностей, 3.1 и 3.2, где
блок 3.1 формирует последовательность длины , а block 3.1 generates a length sequence , a
блок 3.2 формирует последовательность длины . block 3.2 generates a length sequence .
, , , ,
, , , ,
Блок 4 согласованной фильтрации ПИМ последовательности длины L состоит из последовательно включенных блоков 4.1 и 4.2 согласованной фильтрации,
блок 4.1 - для последовательности длины , block 4.1 - for sequence length ,
блок 4.2 - для последовательности длины . block 4.2 - for sequence length .
При последовательном включении получается согласованный фильтр для ПИМ последовательности длины L=L1+L2-1=2017+74629-1=76645.When connected in series, a matched filter is obtained for a PIM sequence of length L=L 1 +L 2 -1=2017+74629-1=76645.
Каждый из блоков формирования ПИМ последовательности 3.1 и 3.2 и блоков согласованной фильтрации 4.1 и 4.2 состоят из тридцати шести каскадов, аналогичных тем, что изображены на фигуре 1.Each of the blocks for the formation of PIM sequences 3.1 and 3.2 and blocks of matched filtering 4.1 and 4.2 consist of thirty-six stages, similar to those shown in figure 1.
Формулы для вычисления числа тактов задержки ЛЗ каждого каскада приведено в таблице 3. The formulas for calculating the number of DL delay cycles for each stage are given in Table 3.
Таблица 3 Формулы вычисления числа тактов задержки в ЛЗ первого и второго блоков формирования ПИМ последовательностей и третьего и четвертого блоков Table 3 Formulas for calculating the number of delay cycles in the DL of the first and second blocks for the formation of PIM sequences and the third and fourth blocks
Дополнительно в схему на фигуре 6 введен дискретный режекторный фильтр 5, состоящий из Additionally, a
- ограничителя сигнала по амплитуде 5.1, - amplitude limiter 5.1,
- ФНЧ (фильтра нижних частот) 5.2 первого порядка с коэффициентом усиления по постоянной составляющей сигнала равной 1, - LPF (low-pass filter) 5.2 of the first order with a gain in the constant component of the signal equal to 1,
- усилителя 5.3 с коэффициентом усиления 10–50, - amplifier 5.3 with a gain of 10–50,
- элемента 5.4, производящего вычитание сигнала с выхода усилителя поз. 5.3 из сигнала (последовательности, отклика), поступающего на вход режекторного фильтра 5 и - element 5.4, subtracting the signal from the output of the amplifier pos. 5.3 from the signal (sequence, response) input to the
- дополнительного элемента 5.5, производящего вычитание из сигнала с выхода элемента 5.4 сигнала с выхода ФНЧ 5.2. - an additional element 5.5, which subtracts from the signal from the output of the element 5.4 the signal from the output of the LPF 5.2.
Далее в примерах, используется аналогичный режекторный фильтр 5. Further in the examples, a
Подадим на вход схемы фиг. 6 последовательность длины , где в которой член с номером 0, равен 1, а остальные члены равны 0. Let us apply to the input of the circuit of Fig. 6 length sequence , where in which
В точке Т1 будет зафиксирована последовательность той же длины, первые L членов которой являются ПИМ последовательностью, согласованной с фильтром ПИМ последовательности 4 фиг 6. At point T1, a sequence of the same length will be fixed, the first L members of which are a PIM sequence matched with the
В точке T2 будет зафиксирован отклик согласованного фильтра на подачу на его вход (вход блока 3) согласованной ПИМ последовательности. На 76644-м такте (нумерация тактов начинается с нулевого такта) в точке Т2 будет зафиксирован пик отклика с амплитудой K= N2 =1369. Этому же такту соответствует последний член ПИМ последовательности, равный 1, подаваемый на вход согласованного фильтра 4 фиг 6, состоящий из последовательно включенных блоков 4.1 и 4.2. фиг 6.At point T2, the response of the matched filter to the input to its input (input of block 3) of the matched PIM sequence will be fixed. At the 76644th cycle (the numbering of cycles starts from the zero cycle), at the point T2, a response peak with an amplitude of K= N2 =1369 will be recorded. The same cycle corresponds to the last member of the PIM sequence, equal to 1, supplied to the input of the matched
Амплитуда других членов отклика (боковых лепестков) на выходе согласованного фильтра (выход блока 4.1) не будет превышать 60. Для снижения уровня боковых лепестков, примыкающих к пику отклика, используется режекторный фильтр 5 фиг 6 .. Благодаря чему амплитуда боковых лепестков снижается с до 30, что можно наблюдать по фрагменту рефлектограммы зафиксированному в точке Т3. The amplitude of the other response members (side lobes) at the output of the matched filter (output of block 4.1) will not exceed 60. To reduce the level of side lobes adjacent to the response peak, a
При использовании подобного (с добавлением режекторного фильтра 5 к блокам 4.1 и 4.2) согласованного фильтра при обработке сигналов, полученных двоичным детектированием оптического сигнала, важно отметить, что режекторный фильтр 5 так же подавляет постоянную составляющую, вызванную т. н. фоновой засветкой, «бэкграунд лайт», подающей на сенсор вместе с оптическим сигналом. Нелинейный элемент 5.1 ограничитель амплитуды поступающих на полосовой фильтр отсчетов снижает амплитуду переходных процессов при поступлении на вход режекторного фильтра 5 пика отклика. Режекторный фильтр 5 с нелинейным элементом необходимо размещать после согласованного фильтра. When using a similar (with the addition of a
Отклик, зафиксированный в точке Т2, в настоящем примере дает информацию о потерях в энергии первого сигнала (точнее числе непринятых импульсов первого сигнала) при совместном приеме со вторым сигналом, являющимся репликой первого сигнала, задержанной или опережающий первый сигнал на число тактов W, если результирующий сигнал получен дизъюнкцией первого и второго сигнала (дизъюнкция аналог совместного приема двух сингалов пороговым устройством). Для оценки числа непринятых импульсов необходимо число тактов задержки/опережения W отложить по оси Х (оси тактов/времени) от пика отклика, при этом амплитуда бокового лепестка, соответствующая расстоянию W от пика отклика, определяет число импульсов в первом сигнале, которое не будет принято т. к. сенсор будет срабатывать от импульсов второго сигнала. Таким образом, показатель УБЛ, вычисленный по рефлектограмме, зафиксированной в точке Т2 дает представление о доле потерянных отсчетов сигналом 1 если он принимается двоичным детектированием с сигналом 2, являющимся задержанной на W тактов репликой сигнала 1. The response recorded at point T2, in this example, provides information about the energy loss of the first signal (more precisely, the number of missed pulses of the first signal) when received jointly with the second signal, which is a replica of the first signal, delayed or ahead of the first signal by the number of cycles W, if the resulting the signal is obtained by disjunction of the first and second signals (disjunction is analogous to the joint reception of two singals by a threshold device). To estimate the number of missed pulses, it is necessary to plot the number of delay/advance cycles W along the X axis (clock/time axis) from the response peak, while the sidelobe amplitude corresponding to the distance W from the response peak determines the number of impulses in the first signal that will not be received since the sensor will be triggered by the pulses of the second signal. Thus, the NBL indicator calculated from the reflectogram recorded at point T2 gives an idea of the proportion of lost samples by
На фиг. 7 фрагмент отклика фильтра (от такта 74000 до такта 76750) на выходе согласованного в точке Т2 (на устройстве регистрации и отображении Т2) и в точке Т3 (на выходе режкторного фильтра 5). По оси абсцисс фиг. 7 отложено число тактов умноженное на . Сформированная на выходе блока 3 ПИМ последовательность не является минимаксной в смысле минимальности уровня боковых лепестков АКФ двоичной ПИМ последовательности при заданных L и N, но описание способа ее получения и согласованной фильтрации наиболее просто и позволяет сократить описание настоящего патента. In FIG. 7 is a fragment of the filter response (from cycle 74000 to cycle 76750) at the output matched at point T2 (at the recording and display device T2) and at point T3 (at the output of notch filter 5). Along the abscissa of Fig. 7 postponed the number of cycles multiplied by . The PIM sequence generated at the output of
В данном примере мы отошли от правила «не более одного совпадения», что привело к сокращению длительности последовательно =76645 против ожидаемой , т.е. длительность последовательности, а следовательно, и время испускания зондирующего сигнала сократилось в 17÷20 раз, но при этом в 60 раз увеличился уровень боковых лепестков АКФ ПИМ сигнала, используемого при зондировании. В данном примере сигнал не оптимизирован по уровню боковых лепестков АКФ и используется в примере для упрощения и сокращения описания, т. к. целью настоящего изобретения не является сокращения уровня боковых лепестков АКФ ПИМ сигнала.In this example, we deviated from the “no more than one match” rule, which led to a reduction in the duration of successively =76645 vs expected , i.e. the duration of the sequence, and hence the time of emission of the probing signal, decreased by 17–20 times, but at the same time, the level of side lobes of the ACF of the PIM signal used in probing increased by a factor of 60. In this example, the signal is not optimized for the level of ACF sidelobes and is used in the example to simplify and shorten the description, since the purpose of the present invention is not to reduce the sidelobe level of the PIM ACF signal.
Стенд имитации работы лидараStand for imitation of lidar operation
На фиг. 8 представлена функциональная схема стенда имитации приемного и передающего тракта лидара, без функциональных блоков обработки рефлектограмм, реализуемых на ПК. Первичные рефлектограммы, представляющие собой двоичные последовательности, регистрируются блоком Т4, см. фиг.8 и далее считываются, и передаются на ПК для формирования вторичных рефлектограмм.In FIG. Fig. 8 shows a functional diagram of the stand for imitation of the receiving and transmitting paths of the lidar, without the functional blocks for processing reflectograms implemented on a PC. Primary reflectograms, which are binary sequences, are recorded by the T4 block, see Fig.8 and then read out and transferred to a PC to form secondary reflectograms.
101- Блок формирования синхроимпульса начала цикла зондирования.101- Block for the formation of a sync pulse at the beginning of the probing cycle.
102 - Блок формирования тактового сигнала.102 - Clock signal generation unit.
103 - Блок формирования модулирующей двоичной ПИМ последовательности (посл. µ).103 - Block for the formation of the modulating binary PIM sequence (seq. µ).
103–1 - Вход на блок 103.103–1 -
103–2 - Вход для передачи на блок 103 модулирующей последовательности с ПК.103–2 - Input for transmission to block 103 of the modulating sequence from the PC.
105 - Блок формирования сигнала адаптации сигнала стробирования. 105 - Signal conditioning unit for adapting the gating signal.
105–1 – Вход на блок 105.105–1 - Entrance to block 105.
105–2 - Вход для передачи с ПК на блок 105 последовательности адаптации стробирования 105-2 - Input for transmission from PC to 105 gate adaptation sequencer
106 - Блок адаптации сигнала стробирования.106 - Strobe signal adaptation block.
106–3 – вход на блок 106 и блок 106–1106–3 - entrance to block 106 and block 106–1
106–5 – вход на блок 106, 106–5 - entrance to block 106,
106–4 – вход (инверсионный) на блок 106–1 106–4 - input (inverted) to block 106–1
106–1- Элемент, выполняющий операцию конъюнкции над операндом с входа 106–3 и инверсионным значением операнда со входа 106–4. 106-1- An element that performs the conjunction operation on the operand from input 106-3 and the inverse value of the operand from input 106-4.
«0» - Задатчик логического нуля блока 106"0" - Logic zero
106–2 - Ключ на два положения, переключающий вход 106–4 элемента 106–1 либо к выходу задатчика логического нуля «0» (первое положение ключа - «нет адаптации стробирования»), либо к выходу 105-3 блока 105 (второе положение ключа - «адаптация стробирования»). Ключ управляется с ПК.106–2 - A two-position key that switches
107 - Блок имитации сложного зондируемого объекта (БИЗО).107 - Block of imitation of a complex probed object (BISO).
108 - Блок оптического приема с контуром регулирования.108 - Optical reception unit with control loop.
108–4 - Оптический вход блока 108. 108–4 - Optical input of
108–5 - Вход логического сигнала стробирования. 108–5 - Gate logic input.
108–1 - Блок осуществления стробирования сенсора. Блок формирует сигнал определяющий, текущее состояние сенсора (режим работы) и его квантовую эффективность. Блок имеет два входа. На первый вход подается логический сигнал стробирования с блока 106.108–1 - Sensor gating implementation block. The block generates a signal that determines the current state of the sensor (operation mode) and its quantum efficiency. The block has two entrances. The first input is a gate logic signal from
108-1-1 вход (второй) блока 108–1 через который с блока 108–2 подается сигнал, определяющий квантовую эффективность сенсора блока 108-3. 108-1-1 is the (second) input of block 108-1 through which a signal is supplied from block 108-2 that determines the quantum efficiency of the sensor of block 108-3.
108–2 - Контур регулирования сигнала управляющего квантовой эффективностью сенсора. 108–2 - Control circuit of the signal controlling the quantum efficiency of the sensor.
108–3 - Оптический сенсор и схема формирования сигнала двоичного детектирования. Оптический сигнал подается на блок 108–3 через вход 108–4 (первый), на второй вход (108-3-1) блока 108–3 подается управляющий сенсором сигнал с блока 108–1 108–3 - Optical sensor and binary detection signal generation circuit. The optical signal is fed to block 108-3 through input 108-4 (first), the second input (108-3-1) of block 108-3 is supplied with a sensor control signal from block 108-1
108-3-1 – второй вход блока 108–3, через который подается управляющий сенсором сигнал.108-3-1 is the second input of block 108-3, through which the signal controlling the sensor is supplied.
SP1 - Задатчик уставки априорной амплитуды напряжения смещения сенсора блока 108–3 или задатчик априорной квантовой эффективности сенсора блока 108–3, т.к. квантовая эффективность сенсора определяется напряжением смещения. Уставка передается в задатчик с ПК (порт для передачи уставки в задатчик на фиг.8 не указан).SP1 - Setpoint of the a priori amplitude of the sensor bias voltage of
SP2 - Задатчик уставки средней нормированной частоты срабатываний сенсора блока 108–3. Уставка передается в задатчик с ПК (порт для передачи уставки в задатчик не указан). SP2 - Setpoint adjuster for the average normalized frequency of operation of the
SP3 – Задатчик (уставки) фиксированного напряжения смещения с амплитудой , определяющего квантовую эффективность сенсора блока 108–3 или задатчик квантовой эффективности сенсора блока 108–3. Уставка передается в задатчик с ПК (порт для передачи уставки в задатчик фиг.8 не указан). SP3 - Fixed bias voltage generator (setpoints) with amplitude , which determines the quantum efficiency of the sensor of
108-2-1 - Формирователь разностного сигнала. (Элемент, производящий операцию вычитания из уставки регулирования нормированной частоты срабатываний сенсора блока 108–3 сигнала двоичного детектирования с блока 108–3)108-2-1 - Differential signal generator. (The element that performs the operation of subtracting the signal of binary detection from block 108-3 from the regulation setpoint of the normalized frequency of the sensor actuations of
108-2-2 - Интегратор разностного сигнала. 108-2-2 - Difference signal integrator.
108-2-3 - Элемент, производящий операцию прибавления к сигналу на выходе интегратора 108-2-2 первоначального (априорного) напряжения смещения (или иного сигнала, определяющего априорную квантовую эффективностью сенсора). 108-2-3 - An element that performs the operation of adding to the signal at the output of the integrator 108-2-2 the initial (a priori) bias voltage (or another signal that determines the a priori quantum efficiency of the sensor).
108-2-4 - Ключ на два положения, переключающий вход блока 108-2-5 либо к выходу задатчика SP3 (первое положение ключа – «заданная квантовая эффективность сенсора»), либо к выходу сумматора 108-2-3 (второе положение ключа – «регулирование (подстройка) квантовой эффективности сенсора» блока 108–3). Положение ключа управляется с ПК. 108-2-4 - A two-position switch that switches the input of block 108-2-5 either to the output of the master SP3 (the first position of the key is “given quantum efficiency of the sensor”), or to the output of the adder 108-2-3 (the second position of the key - "regulation (tuning) of the quantum efficiency of the sensor" block 108-3). Key position is controlled by PC.
108-2-5 - Ограничитель напряжения смещения ограничивающий диапазон регулирующего сигнала с блока 108–2 диапазоном [÷] (или иного сигнала, регулирующего квантовую эффективностью сенсора). 108-2-5 - Bias voltage limiter limiting the range of the control signal from block 108-2 range [ ÷ ] (or another signal that regulates the quantum efficiency of the sensor).
Т4 - Блок регистрации и считывания первичной рефлектограммы.T4 - Block of registration and reading of the primary reflectogram.
Стенд состоит из блока 101 формирования синхроимпульса начала цикла зондирования, соединенного с блоком 102 формирования тактового сигнала, соединенного с входами блоков 106 (Блок адаптации сигнала стробирования), 105 (Блок формирования сигнала адаптации сигнала стробирования) и 103 (Блок формирования модулирующей двоичной ПИМ последовательности)The stand consists of a
Выход блока 105 соединен через второй вход 106–5 блока 106 со входом 108-5 блока 108 (Блок приема оптического сигнала в режиме быстрого стробирования). The output of
Выход блока 103, соединен с входом блока 107 (БИЗО) оптический выход которого соединен с оптическим входом 108–4 блока 108.The output of
К выходу блока 108 присоединен блок регистрации и считывания первичной рефлектограммы поз. T4.To the output of
Блок 103 Формирует ПИМ последовательность импульсов.
Блок 105 формирует сигнал адаптации стробирования, инициирующий отключение сенсора в интервалы времени поступления на сенсор «сильных» и «ординарных» или «сильных» оптических импульсов.
Блок 107 имитирует отраженный оптический сигнал от сложной цели.
Блок 106 адаптирует логический сигнал стробирования, по существу являющийся тактовым сигналом блока 108 так, чтобы в моменты поступления на оптический сенсор «сильных» и «ординарных» или «сильных» оптических импульсов сенсор блока 108–3 не находился в режиме счетчика Гейгера.
Блок 108 осуществляет двоичный прием оптических импульсов, поступающих на поверхность приемного сенсора в моменты его стробирования (нахождения в режиме счетчика Гейгера) и формирует логический сигнал двоичного детектирования.
Описание принципов работы и назначения блоков стендаDescription of the principles of operation and purpose of the stand blocks
Блок 101. Формирует импульс начала цикла зондирования.
По импульсу начала цикла зондирования начинается отсчет тактовых импульсов цикла зондирования, по которым осуществляется:By the pulse of the beginning of the probing cycle, the counting of the clock pulses of the probing cycle begins, according to which:
1) запись сигналов блоком регистрации и считывания (передачи) первичной рефлектограммы (Т4). Такт записи составляет 400 ;1) recording of signals by the block of registration and reading (transmission) of the primary reflectogram (T4). The recording cycle is 400 ;
2) формирование ПИМ последовательности блоком 103;2) the formation of the
3) формирование блоком 105 сигнала адаптации стробирования. 3) generation by
Блок 102. Блок формирует двоичную последовательность из периодически сменяющихся логических нулей и единиц. Частота перехода от единицы к нулю составляет 2,5 ГГц. Частота тактового перехода 5 ГГц.
Сигнал логической единицы на выходе блока 102 по переднему фронту - Logical unit signal at the output of
1) на входе 106–3 блока 106–1 при условии, что сигнал на входе 106–4 блока 106-1 есть логический ноль, инициирует перевод сенсора в блоке 108 в режим счетчика Гейгера;1) at input 106-3 of block 106-1, provided that the signal at input 106-4 of block 106-1 is a logical zero, initiates the transfer of the sensor in
2) на входе 105–1 блока 105 инициирует считывание с блока 105 одного бита сигнала адаптации стробирования на вход 106–5 блока 106.2) at
3) на входе 103–1 блока 103 инициирует считывание двух членов ПИМ последовательности из последовательной памяти блока 103 для последующего формирования блоком ПИМ последовательности импульсов, подаваемых на блок БИЗО 107.3) at the
Блок 103. Формирует ПИМ последовательность импульсов, подаваемую на блок 107 (БИЗО). Блок представляет собой устройство последовательного считывания двухбитного кода, которым представлена модулирующая последовательность. Считывание производится по переднему фронту импульса логической единицы с блока 102. Четные члены ПМ последовательности представлены первым битом кода, а нечетные вторым битом кода. После считывания двухбитного кода по тактовому переходу (генератор тактовых импульсов на функциональной схеме не указан) к логическому нулю происходит формирование четного импульса ПИМ последовательности, если первый бит кода равен «1», и с задержкой в 200 на следующем тактовом переходе (от нуля к единице) от происходит формирование нечетного импульса ПИМ последовательности импульсов, при условии, если второй бит кода равен «1». Если биты кода равны «0» формирование импульсов не осуществляется. Таким образом формируется ПИМ последовательность импульсов с частотой модуляции 5 ГГц, равной частоте тактовых импульсов. Интервал тактовых импульсов равен 200 и обозначается символом .
Фигура 9 изображает работу блока 103Figure 9 depicts the operation of
9A - Схематическое изображение посл. тактовых импульсов и их нумерация9A - Schematic representation of the last. clock pulses and their numbering
9B - Схематическое изображение последовательности лог. единиц и нулей, формируемых блоком 102 фиг 8 стенда, и их нумерация.9B - Schematic representation of the log sequence. ones and zeros generated by
9C - Значения двоичной модулирующая дискретная последовательностьв двоичном коде и ее формальное представление в виде индексированной последовательности длины 9C - Values of the binary modulating discrete sequence in binary code and its formal representation as an indexed sequence length
9D - Сформированная ПИМ последовательность импульсов ее формальное представление в виде двоичной индексированной последовательности 9D - Formed PIM pulse sequence its formal representation as a binary indexed sequence
длины. Временные позиции, соответствующие отсчетам равным нулю отмечены точками, временные позиции отсчетов равных единице отмечены вертикальными чертами. length . Time positions corresponding to counts equal to zero are marked with dots, time positions of counts equal to one are marked with vertical lines.
Блок 105 формирует логический сигнал адаптации сигнала стробирования.
Сигнал представляет собой двоичный логический сигнал, формируемый на основании двоичной последовательности, считываемой из устройства последовательной памяти блока 105.The signal is a binary logic signal generated based on the binary sequence read from the
Считывание производится по тактовому переходу из логической единицы в логический ноль в двоичном сигнале с блока 102. Если считывается логическая единица, то на следующем переходе из логического нуля в единицу на выходе блока 105 формируется логическая единица, существующая до тактового перехода в двоичном сигнале с блока 102 с нуля в единицу. И иначе, если считывается логически ноль, то формируется логический ноль, существующий до следующего формирования логической единицы при ее считывании. Логическая единица в сигнале, как правило, приурочена к событию поступления на поверхность сенсора в блоке 108 на временном интервале стробирования длительности «сильного» или «ординарного» оптического импульса. Если ключ на два положения 106–2 находится в положении «адаптация стробирования», то сигнал логической единицы с блока 105 отменяет стробирование сенсора в блоке 108. The reading is performed on a clock transition from a logical one to a logical zero in a binary signal from
Фигура 10 изображает работу блока 105 и блока 106, и программного модуля 307 Figure 10 depicts the operation of
15А – Схематическое изображение посл. тактовых импульсов и их нумерация 15A - Schematic representation of the last. clock pulses and their numbering
15В – Схематическое изображение последовательности лог. единиц и нулей, формируемых блоком 102 стенда, и их нумерация.15B - Schematic representation of the log sequence. units and zeros generated by the
15С – Значения двоичной последовательности, считываемой из памяти блока 105 δ и ее формальное представление в виде индексированной последовательности {δ (0), δ (1), δ (2) ……} длины N.15C - Values of the binary sequence read from the memory of
15D – Сформированный блоком 105 сигнал адаптации стробирования,15D - Gating adaptation signal generated by
15E– адаптированный блоком 106 сигнал стробирования.15E - gate signal adapted by
15G – формируемая программным модулем 307 двоичная последовательность при имитации адаптивного стробирования с целью вычисления вспомогательной последовательности Y. 15G is the binary sequence generated by the
Блок 106 – адаптирует логический сигнал стробирования, поступающий на вход 106-3 блока 106 c блока 102 путем исключения из последовательности логических нулей и единиц, логических единиц, временные позиции которых приурочены к временными позициями логических единиц в последовательности сигнала адаптации стробирования, поступающего с блока 105 на вход 106-5 блока 106. Функционально блок осуществляет операцию конъюнкции сигнала стробирования и инверсионного (в котором лог. единицы заменены нулями и наоборот) сигнала адаптации стробирования. Блок дополнен ключом на два положения позиция 106–2 на фиг.8 (положения ключа «адаптация стробирования» и «нет адаптации стробирования»), положение которого управляется программой, установленной на ПК. При положении ключа «нет адаптации стробирования» адаптация сигнала стробирования не осуществляется, на вход 106–4 блока 106-1 подается логический ноль с задатчика логического нуля, обозначенного на фиг. 8 значком «0». Block 106 - adapts the logical gate signal supplied to the input 106-3 of
Блок 107. Блок имитации сигнала от зондируемого объекта (БИЗО).
Схема блока 107 представлена на фиг. 11Block diagram 107 is shown in FIG. eleven
На фигуре 11 обозначено: Figure 11 shows:
201 - формирователь оптического зондирующего сигнала и задержки сигнала. 201 - shaper of the optical probing signal and signal delay.
202 - оптический делитель сигнала (сплиттер), разделяющий сигнал на девять равных потоков.202 - optical signal splitter (splitter), dividing the signal into nine equal streams.
2031 -2039 - линии задержки оптического сигнала,2031 -2039 - optical signal delay lines,
204 - оптический сумматор,204 - optical adder,
2051–2053 - аттенюаторы сигнала,2051–2053 - signal attenuators,
207 - линии формирования сигнала, имитирующего сигнал помехи.207 - signal generation lines simulating an interference signal.
Блок 201 состоит из блока формирования импульсного питания лазерного диода (2011) , лазерного диода (2012) формирующего короткие импульсы длительностью до 100 , оптического аттенюатора (2013) и линию задержки в виде оптоволоконного волновода (2014) имитирующей задержку отраженного сигнала от сложного объекта.
Девять линий задержки оптического сигнала (2031, 2032, … 2039), представляющих собой оптоволоконные волноводы, задерживающих оптический сигнал на соответствующее число долей и имитирующих задержку отраженных сигналов от отражающих элементов сложного зондируемого объекта.Nine optical signal delay lines (2031, 2032, ... 2039), which are fiber optic waveguides that delay the optical signal by the appropriate number of shares and simulating the delay of reflected signals from the reflecting elements of a complex probed object.
Таблица 4. Спецификация на оптические линии задержки (ЛЗ) Table 4. Specification for optical delay lines (DL)
К первым шести входам сумматора 204 подключены линии задержки, в порядке, перечисленном в таблице 4.Delay lines are connected to the first six inputs of
Сигналы с линий задержки 2037 и 2038, и 2039 подключены к седьмому, восьмому и девятому входам сумматора 204 через аттенюаторы 2051, 2052, 2053.The signals from the
Линии формирования сигнала, имитирующего сигнал помехи 207, подключенная к десятому входу сумматора 204 состоит из формирователя напряжения питания лазерного диода 2071, лазерного диода 2072, аттенюатора сигнала 2073, соединительного оптического волновода 2074.The signal generation line simulating an
Лазерные диоды (2012 и 2072) и сенсор блока 108 адаптированы для работы на длине волны 1550 . Лазерный диод 2012 по сигналу с блока 103 формирует короткие импульсы длительностью до 100 . Последовательность оптических импульсов с лазерного диода 2012, имитирующая зондирующий сигнал, через аттенюатор 2013 и оптический волновод 2014 подается на вход оптического делителя сигнала 202. Через линии задержки и аттенюаторы суммируется на сумматоре 204 и смешивается на сумматоре 204 с шумовой составляющей с 207 и через дополнительный аттенюатор и оптический волновод (не указаны на фиг. 12) через вход 108-4 (фиг.8) поступают на сенсор оптического сигнала в блоке 108. Laser diodes (2012 and 2072) and
Сигналы с линий задержки 2031–2036 имитируют «сильные» отраженные сигналы от элементов зондируемого объекта.Signals from
Сигналы с линий задержки 2038–2039 имитируют «слабые» отраженные сигналы от элементов зондируемого объекта.Signals from
Сигналы с линии задержки 2037 имитирует «ординарный» отраженный сигнал от элементов зондируемого объекта. Signals from the
Блок 108. Блок приема оптического сигнала в режиме быстрого стробирования, включая сенсор. Схема блока 108 приема с контуром регулирования приведена на фиг. 8.
Блок 108–1. Блок осуществления стробирования сенсора.
Сигнал, управляющий стробированием сенсора блока 108-3 подается на вход 108-3-1 блока 108-3 формируется блоком 108–1, на основании логического сигнала стробирования подаваемого на вход 108-5 и сигнала задающего квантовую эффективность сенсора блока 108-3 и подаваемого на вход 108-1-1 и представляет собой суперпозицию напряжения постоянного смещения с амплитудой и прямоугольного сигнала стробирования с периодом и длительностью импульсов стробирования и амплитудами положительной и отрицательной полуволны соответственно и . Суммарная амплитуда = определяет квантовую эффективность сенсора на интервале стробирования длительности . При этом для осуществления стробирования должно выполняться условие = (см. фиг. 3 и таблицу 2). Сигнал стробирования - прямоугольный сигнал с заданными амплитудами и и длительностью импульсов стробирования формируется в этом же блоке на основании сигнала, поступающего на вход 108–5 блока 108. Времéнное положение переднего фронта импульсов стробирования совпадает с положением переднего фронта логических единиц в логическом сигнале стробирования на входе 108–5 блока 108.The signal that controls the gating of the sensor of block 108-3 is fed to the input 108-3-1 of block 108-3 is formed by block 108-1, based on the logical gate signal applied to input 108-5 and the signal that specifies the quantum efficiency of the sensor of block 108-3 and supplied to input 108-1-1 and is a superposition of DC bias voltage with amplitude and a rectangular gate signal with a period and the duration of the strobing pulses and the amplitudes of the positive and negative half-waves, respectively and . Total amplitude = determines the quantum efficiency of the sensor on the gating interval of the duration. In this case, for the implementation of gating, the condition = (see Fig. 3 and table 2). Gating signal - a rectangular signal with specified amplitudes and and the duration of the strobing pulses is formed in the same block based on the
Блок 108–2. Контур регулирования сигнала управляющего квантовой эффективностью сенсора.
Регулирование средней частоты срабатывания сенсора осуществляется контуром регулирования 108–2, который The regulation of the average frequency of the sensor response is carried out by the control loop 108-2, which
1) при снижении средней, нормированной на (частота неадаптированного сигнала стробирования) частоты срабатываний сенсора (здесь и далее нормированные частоты обозначаются заглавной буквой ) ниже уставки средней частоты срабатываний сенсора или диапазона регулирования нормированных частот [ ÷ ] увеличивает амплитуду напряжения стробирования на интервалах стробирования (сигнала стробирования формируемого блоком 108-1 и подаваемого на сенсор блока 108-3 через вход 108-3-1 ) , так чтобы текущая средняя нормированная частота срабатываний сенсора находилась в заданном диапазоне уставок регулирования [ ÷ ] или была по крайней мере максимально приближена к заданному диапазону или уставке регулирования , но таким образом чтобы не превышало максимально допустимого рабочим диапазоном напряжений стробирования , 1) with a decrease in the average, normalized to (frequency of non-adapted gating signal) sensor actuation rates (hereinafter, the normalized frequencies are denoted by a capital letter) below the sensor average frequency setting or regulation range of normalized frequencies [ ÷ ] increases the gate voltage amplitude at the strobing intervals (strobe signal generated by block 108-1 and supplied to the sensor of block 108-3 through input 108-3-1), so that the current average normalized sensor actuation frequency is within the specified range of control settings [ ÷ ] or was at least as close as possible to the specified range or control setpoint, but in such a way that did not exceed the maximum allowable gating voltage operating range ,
2) при увеличении средней нормированной частоты срабатываний сенсора , ниже уставки или границы диапазона регулирования [ ÷ ], снижает амплитуду напряжения стробирования на интервалах стробирования, 2) with an increase in the average normalized frequency of sensor responses , below the setpointor control range limits [ ÷ ], reduces the amplitude of the gating voltage at gating intervals,
так чтобы текущая средняя нормированная частота срабатываний сенсора находилась в заданном диапазоне уставок регулирования [ ÷ ] или была по крайней мере максимально приближена к заданному диапазону или уставке регулирования , но таким образом, чтобы не опускалось ниже . so that the current average normalized frequency of sensor operation is within the specified range of control settings [ ÷ ] or was at least as close as possible to the specified range or control setpoint, but in such a way that did not fall below.
Такой контур регулирования можно выполнить, например, в виде стандартного контура регулирования, состоящего из интегрирующего регулятора (I-регулятора) сигнал на выходе которого может изменяться в диапазоне допустимых значений определяющих диапазон изменения напряжения стробирования или напряжения смещения или квантовой эффективности сенсора, а на вход подается сигнал, представляющий собой разность уставки регулирования и двоичного сигнал с выхода блока 8-3. Постоянная составляющая сигнала на выходе блока 8–3 пропорциональна нормированной частоте срабатываний сенсора. Уставка регулирования нормированной средней частоты срабатываний сенсора () формируется задатчиком SP2, по значению записываемому в него (в задатчик) из ПК. Such a control loop can be implemented, for example, in the form of a standard control loop, consisting of an integrating controller (I-controller), the output signal of which can vary in the range of acceptable values that determine the range of change in the gating voltage or bias voltage or the quantum efficiency of the sensor, and the input is signal representing the difference of the control setpoint and a binary signal from the output of block 8-3. The constant component of the signal at the output of
Предпочтительная величина уставки регулирования лежит в диапазоне [0,2 ÷ 0,6]. Разница уставки регулирования нормированной средней частоты срабатываний сенсора и сигнала с выхода блока 108-3 (сигнал можно представить, как сумму постоянной составляющей сигнала и переменной) с элемента 108-2-1 подается на интегратор 108-2-2, который увеличивает сигнал на своем выходе, только если разница между уставкой и постоянной составляющей сигнала положительна и, наоборот, уменьшает, если разница отрицательна и ничего не изменяет если разница нулевая. Переменная же, составляющая сигнала, максимально подавляется интегратором 108-2-2 и не влияет на процесс регулирования. Весовой коэффициент интегрирования, выполняемого интегратором 108-2-2 обратно пропорционален постоянной τ контура регулирования. Весовой коэффициент интегрирования подбирается так, чтобы обеспечить, достаточную относительную погрешность регулирования средней нормированной частоты срабатываний сенсора и относительные колебания ξ в установившемся режиме регулирования. Для ускорения регулирования возможно динамическое изменение весового коэффициент интегрирования, так если амплитуда разностного сигнала на выходе блока 8-2-1 достаточно велика, то весовой коэффициент можно увеличить в 2–3 раза, но по мере снижения амплитуды разностного сигнала его необходимо уменьшать до начального значения. Preferred control setpoint lies in the range [0.2 ÷ 0.6]. Adjustment setpoint difference of the normalized average sensor actuation frequency and the signal from the output of block 108-3 (the signal can be represented as the sum of the constant component of the signal and the variable) from element 108-2-1 is fed to the integrator 108-2-2, which increases the signal at its output only if the difference between the setpoint and the constant component of the signal is positive and, conversely, reduces if the difference is negative and does not change anything if the difference is zero. The variable component of the signal is maximally suppressed by the integrator 108-2-2 and does not affect the regulation process. The weighting factor for the integration performed by the integrator 108-2-2 is inversely proportional to the control loop constant τ. The weighting coefficient of integration is selected so as to provide a sufficient relative error in the regulation of the average normalized frequency of sensor responses and relative fluctuations ξ in the steady state control mode. To speed up the regulation, it is possible to dynamically change the weighting coefficient of integration, so if the amplitude of the difference signal at the output of block 8-2-1 is large enough, then the weighting factor can be increased by 2–3 times, but as the amplitude of the difference signal decreases, it must be reduced to the initial value .
Для ускорения процесса регулирования (подстройки квантовой эффективности сенсора) дополнительно к сигналу на выходе интегратора (108-2-2 фиг. 8) блоком 108-2-3 прибавляется уставка, формируемая задатчиком SP1. Эта уставка задает значение априорной (ожидаемой) квантовой эффективности на интервалах стробирования сенсора блока 108–3. To speed up the regulation process (tuning the quantum efficiency of the sensor), in addition to the signal at the output of the integrator (108-2-2 of Fig. 8), block 108-2-3 adds a setpoint generated by the SP1 generator. This setting sets the value of the a priori (expected) quantum efficiency at the gating intervals of the
В сравнительных примерах блок 108–2 также может и работать и в режиме выдачи на вход 108-1-1 блока 108–1 фиксированного сигнала, амплитуда которого определяет фиксированную квантовую эффективность на интервалах стробирования сенсора блока 108–3. Этот режим используется для сравнения приема с регулированием (подстройкой) средней частоты срабатываний с приемом сигнала с постоянной квантовой эффективностью сенсора. Для переключения в этот режим используется ключ на два положения 108-2-4, в режиме фиксации квантовой эффективности на вход 108-1-1 блока 108–1 подается с задатчика сигнала SP3 сигнал уставки, амплитуда которого определяет заданную квантовую эффективность сенсора блока 108-3. Блок 108-2-5 это ограничитель регулирующего сигнала определяющий диапазон изменения напряжения смещения и/или напряжения стробирования и/или квантовой эффективности сенсора блока 108-3 In comparative examples, block 108-2 can also operate in the mode of issuing a fixed signal to input 108-1-1 of block 108-1, the amplitude of which determines the fixed quantum efficiency at the gating intervals of the block 108-3 sensor. This mode is used to compare the reception with the regulation (adjustment) of the average frequency of operations with the reception of a signal with a constant quantum efficiency of the sensor. To switch to this mode, a two-position switch 108-2-4 is used; in the mode of fixing the quantum efficiency, a setpoint signal is supplied to the input 108-1-1 of
Блок 108–3. Оптический сенсор и схема формирования сигнала (последовательности) двоичного детектирования.
На выходе блока 108–3 формируется сигнал двоичного детектирования, представляющий собой последовательность из логических нулей и единиц. Логическая единица соответствует событию срабатывания сенсора на интервале стробирования, логический нуль, отсутствию срабатывания сенсора на интервале стробирования. Логический сигнал со скоростью передачи информации 2.5 из блока 108–3 поступает на блок регистрации и считывания поз. Т4. At the output of block 108-3, a binary detection signal is generated, which is a sequence of logical zeros and ones. The logical unit corresponds to the event of the sensor operation at the gating interval, logical zero, the absence of sensor operation at the gating interval. Logic signal with baud rate 2.5 from
Блоком Т4 первый член дискетной последовательности двоичного детектирования заносится в ячейку с номером , второй в ячейку с номером и так далее. Последний член последовательности двоичного детектирования заносится в ячейку , где число членов последовательности двоичного детектирования. Так формируется последовательность двоичного детектирования By block T4, the first member of the binary detection diskette sequence is entered in the cell with the number , the second to the cell with the number and so on. The last member of the binary detection sequence is entered in the cell , where the number of members of the binary detection sequence. This is how the binary detection sequence is formed
µ(i) длины =40000, – номер члена последовательности двоичного детектирования.µ(i) lengths =40000, – number of the member of the binary detection sequence.
На фиг. 12 схематически отображена связь отсчетов в последовательности двоичного детектирования (график E на фиг.13) с временными интервалами стробирования (график D) и временного положения тактовых импульсов (график B). In FIG. 12 schematically shows the relationship of samples in the binary detection sequence (plot E in FIG. 13) with gate time intervals (plot D) and clock timing (plot B).
Фиг 12:Fig 12:
13A – нумерация тактовых импульсов, 13A - numbering of clock pulses,
13В – схематическое изображение последовательности тактовых импульсов),13B - schematic representation of the sequence of clock pulses),
13С – схематическое изображение оптических импульсов, поступающих на сенсор, 13C is a schematic representation of the optical pulses arriving at the sensor,
13D – схематическое изображение сигнала стробирования, 13D is a schematic representation of the gate signal,
13E - формируемый блоком 108 логический сигнал двоичного детектирования,13E - binary detection logic generated by
13F – нумерация отсчетов логического сигнала. 13F - numbering of samples of the logical signal.
13J – последовательность двоичного детектирования μ13J – binary detection sequence μ
Средняя нормированная частота срабатываний сенсора суть оценка вероятности срабатывания сенсора на интервале .Average normalized sensor actuation frequency the essence of the evaluation of the probability of sensor operation on the interval .
Величина сигнала может быть измерена путем измерения амплитуды постоянной составляющей сигнала на выходе блока 108–3. Приведем поясняющий пример. Пусть амплитуда логической единицы на выходе блока 108–3 равна 1,0, а амплитуда логического нуля 0,0 , а средняя частота срабатываний сенсора нормированная на частоту стробирования составляет 0,4 тогда амплитуда постоянной составляющей сигнала на выходе блока 108-3 составит 0,4*1 = 0,4 . Для поддержания на постоянном уровне частоты срабатываний сенсора нужно подать с задатчика уставки SP2 уставку равную 0,4 . Value signal can be measured by measuring the amplitude of the DC component of the signal at the output of block 108-3. Let's give an explanatory example. Let the amplitude of the logical unit at the output of
Функциональные схемы симуляции блоков обработки сигнала двоичного детектирования, блоков формирования сигнала адаптации стробирования, блоков формирования модулирующей ПИМ последовательности. Functional diagrams for simulation of binary detection signal processing units, gating adaptation signal generation units, modulating PIM sequence generation units.
Часть блоков, реализуемых в практическом лидаре, на стендовой установке реализована их программной симуляций. Программной симуляцией осуществляется:Some of the blocks implemented in a practical lidar were implemented on a bench installation by their software simulation. Software simulation is carried out:
1) На цикле симуляции 1: Формирование модулирующей ПИМ последовательности в формате удобном для записи в массив памяти блока 103 стенда. 1) On simulation cycle 1: Formation of the modulating PIM sequence in a format convenient for writing to the memory array of
2) На цикле симуляции 2: обработка считанной с блока Т4 стенда первичной рефлектограммы или накопленной первичной рефлектограммы с получением вторичной рефлектограммы в виде массива отсчетов Z.2) On simulation cycle 2: processing of the primary reflectogram read from the T4 block of the stand or the accumulated primary reflectogram to obtain a secondary reflectogram in the form of an array of readings Z.
3) На цикле симуляции 3:3) On simulation loop 3:
3.1) формирование последовательности адаптации стробирования δ в виде массива двоичных отсчетов в формате удобном для записи в блок 105 стенда. 3.1) formation of a strobing adaptation sequence δ in the form of an array of binary samples in a format convenient for writing to block 105 of the stand.
3.2) формирование вспомогательной последовательности отсчетов Y. Член последовательности равен числу интервалов стробирования, на которых происходил прием сигнала в режиме стробирования, вносящих вклад в формирование соответствующего отсчета вторичной рефлектограммы . Т. е. если = 1500, то, следовательно, отсчет вторичной рефлектограммы с номером 100, получен путем обработки 1500 информационных (см. определение далее по тексту) отсчетов первичной рефлектограммы. 3.2) formation of an auxiliary sequence of readings Y. Member of the sequence is equal to the number of gating intervals at which the signal was received in the gating mode, contributing to the formation of the corresponding reading of the secondary reflectogram . i.e. if = 1500, then, consequently, the reading of the secondary reflectogram number 100 was obtained by processing 1500 information (see the definition below) readings of the primary reflectogram.
Дополнительно, в программе реализованы интерфейсные модули, осуществляющие считывание/запись двоичных последовательностей из/в стенд имитации и блоки визуализации полученных в ходе работы стенда данных. Additionally, the program implements interface modules that read / write binary sequences from / to the simulation stand and visualization units of the data obtained during the work of the stand.
Функциональная схема обработки первичной рефлектограммы с получением вторичной рефлектограммы и формирования сигнала адаптации стробирования) реализованная программно имитирует (за исключением интерфейсных блоков, отвечающих за считывание/запись сигналов стенда) поблочную схему обработки первичной рефлектограммы в режиме реального времени, т.е. позволяет вычислять отсчеты вторичных рефлектограмм по мере поступления на вход схемы обработки отсчетов первичной рефлектограммы. The functional scheme for processing the primary reflectogram with obtaining a secondary reflectogram and generating a gating adaptation signal) implemented in software imitates (with the exception of interface blocks responsible for reading / writing test bench signals) a block diagram for processing the primary reflectogram in real time, i.e. allows you to calculate the readings of secondary reflectograms as they arrive at the input of the circuit for processing the readings of the primary reflectogram.
На фиг. 13 представлена функциональная схема обработки и формирования сигналов. На схеме программные модули, имитирующие функциональные блоки лидара и работающие при симуляции в едином цикле обведены прямоугольниками нарисованным пунктирной линией. In FIG. 13 shows a functional diagram of signal processing and generation. In the diagram, the software modules that imitate the functional blocks of the lidar and work during the simulation in a single cycle are circled with rectangles drawn by a dotted line.
Спецификация к схеме фиг. 13Specification for the diagram of Fig. 13
ИМ1 (Интерфейсный модуль1) – предназначен для считывания первичной рефлектограммы со стенда на ПК в область памяти поз. П-1.IM1 (Interface module1) - designed to read the primary reflectogram from the stand on a PC into the memory area pos. P-1.
П-1 - массив ячеек памяти для записи, хранения, накопления и считывания первичной рефлектограммы.P-1 - an array of memory cells for recording, storing, accumulating and reading the primary reflectogram.
301 - Модуль формирования первичной рефлектограммы к виду, адаптированному для обработки согласованной фильтрацией.301 - Module for generating a primary reflectogram to a form adapted for processing by matched filtering.
302 - Модуль согласованной фильтрации предназначен для вычисления вторичной рефлектограммы.302 - The matched filtering module is designed to calculate the secondary reflectogram.
П-2 - массив ячеек памяти для записи, хранения и считывания вторичной рефлектограммы.P-2 - an array of memory cells for recording, storing and reading the secondary reflectogram.
303 - Модуль формирования вторичной рефлектограммы в виде, адаптированном для последующей обработки. 303 - Module for generating a secondary reflectogram in a form adapted for further processing.
304 - Модуль порогового обнаружения. 304 - Threshold detection module.
305 - Модуль формирования последовательности адаптации стробирования.305 - Strobe adaptation sequencing module.
306 - Модуль приведения последовательности адаптации стробирования виду удобному для записи в модуль памяти блока 105 стенда.306 - Module for making the strobing adaptation sequence convenient for writing to the memory module of the
П-3 - массив ячеек памяти для записи, хранения и считывания последовательности адаптации стробирования.P-3 - an array of memory cells for writing, storing and reading the strobing adaptation sequence.
ИМ2 - (Интерфейсный модуль 2) – предназначен для передачи последовательности адаптации стробирования для ее последующей записи в модуль памяти блока 105 стенда. IM2 - (Interface module 2) - is designed to transfer the strobing adaptation sequence for its subsequent recording to the memory module of
307 - Модуль формирования последовательности, являющейся аналогом адаптированного логического сигнала стробирования.307 - A module for generating a sequence that is analogous to an adapted gate logic signal.
308 - Модуль формирования вспомогательной последовательности отсчетов .308 - Module for the formation of an auxiliary sequence of readings .
П-4 - массив ячеек памяти для записи, хранения и считывания для визуализации вспомогательной последовательности .P-4 - an array of memory cells for writing, storing and reading to visualize the auxiliary sequence .
309 - Модуль формирования входной последовательности для модуля 310. 309 - Input sequencing module for
310 - Модуль формирования модулирующей ПИМ последовательности.310 - Module for the formation of the modulating PIM sequence.
311 - Модуль приведения модулирующей последовательности к виду удобному для записи в модуль памяти блока 103. 311 - Module for bringing the modulating sequence to a form convenient for writing to the memory module of
П-5 - Область памяти для записи, хранения, считывания модулирующей ПИМ последовательности.P-5 - Memory area for recording, storing, reading the modulating PIM sequence.
ИМ3 - (Интерфейсный модуль 3) – предназначен для передачи модулирующей последовательности, для последующей записи в модуль памяти блока 103 стенда. IM3 - (Interface module 3) - designed to transmit the modulating sequence, for subsequent recording in the memory module of
Интерфейсный модуль ИМ1Interface module IM1
Модуль ИМ1 предназначен для считывания первичной рефлектограммы в массив ячеек памяти П-1 в ПК. The IM1 module is designed to read the primary reflectogram into the array of memory cells P-1 in a PC.
По команде с блока управления производится активация рабочего цикла стенда (цикла имитации зондирования), в котором имитируется испускание и прием оптического сигнала в виде двоичной последовательности (первичной рефлектограммы), записываемой в блок памяти блока Т4 стенда. По завершении рабочего цикла стенда интерфейсный блок ИМ1 (по команде с блока управления) считывает с блока стенда Т4 первичную рефлектограмму . . On command from the control unit, the operating cycle of the stand (probing simulation cycle) is activated, in which the emission and reception of an optical signal is simulated in the form of a binary sequence (primary reflectogram) recorded in the memory block of the T4 block of the stand. Upon completion of the working cycle of the stand, the interface block IM1 (on command from the control unit) reads the primary reflectogram from the block of the stand T4 . .
Далее интерфейсный блок ИМ1 считывает из ячеек памяти П-1 в ПК ранее записанную в нее рефлектограмму (или нулевые значения, заносимые в ячейки памяти П-1 перед проведением первого цикла зондирования ) и почленно прибавляет к ней считанную первичную рефлектограмму и почленно записывает результат прибавления в ячейки памяти П-1. Нумерация ячеек памяти П-1 соответствует порядку нумерации отсчетов первичной рефлектограммы. Указанная выше последовательность операций (рабочий цикл стенда – считывание – сложение - запись) осуществляется необходимое число раз от 1 до K. Next, the IM1 interface unit reads from the P-1 memory cells in the PC the previously recorded reflectogram (or zero values entered into the P-1 memory cells before the first probing cycle) and adds the read primary reflectogram to it term by term and writes the result of the addition to the memory cells P-1 term by term. The numbering of memory cells P-1 corresponds to the order of numbering of readings of the primary reflectogram. The sequence of operations indicated above (working cycle of the stand - reading - addition - writing) is carried out the required number of times from 1 to K.
В результате проведенных операций в массиве ячеек памяти П-1 формируется наколенная первичная рефлектограмма , где индекс K обозначает число просуммированных первичных рефлектограмм. . As a result of the operations performed in the array of memory cells P-1, a knee-length primary reflectogram is formed , where index K denotes the number of summed primary reflectograms. .
Необходимость накопления первичной рефлектограммы обусловлена ограничением памяти для записи первичной рефлектограммы в стенде. Поэтому один продолжительный цикл имитации зондирования заменен K циклами с накоплением первичной рефлектограммы. В рассматриваемых примерах K=5 при снижении мощности оптического шумового сигнала, имитируемого на стенде лазерным диодом 2072 достаточно было бы и одного цикла работы стенда, но суть примеров показать, как работает лидар, в условиях сильных помех, для чего необходимы ПИМ последовательности большей длительности (увеличенной в К раз), что имитируется накоплением рефлектограмм. The need to accumulate the primary reflectogram is due to the limited memory for recording the primary reflectogram in the stand. Therefore, one long cycle of sounding simulation is replaced by K cycles with the accumulation of the primary reflectogram. In the examples under consideration, K = 5, with a decrease in the power of the optical noise signal simulated on the bench by the 2072 laser diode, one cycle of the bench would be enough, but the essence of the examples is to show how the lidar works under conditions of strong interference, which requires PIM sequences of longer duration ( magnified by K times), which is simulated by the accumulation of reflectograms.
Интерфейсный модуль ИМ2 Interface module IM2
Модуль предназначен для считывания из массива ячеек памяти П-3 и передачи на стенд для записи в ячейки памяти блока 105, последовательности адаптации стробирования . The module is designed to read from the array of memory cells P-3 and transfer to the stand for writing to the memory cells of
Интерфейсный модуль ИМ3 Interface module IM3
Модуль предназначен для считывания из массива ячеек памяти П-5 и передачи на стенд для записи в ячейки памяти блока 103 модулирующей последовательности в двухбитном формате , . The module is designed to read from the array of memory cells P-5 and transfer to the stand for writing to the memory cells of
Формирование модулирующей ПИМ последовательностью (Операции в цикле 1) Formation of the modulating PIM sequence (Operations in cycle 1)
Формирование модулирующей ПИМ последовательности осуществляется в цикле 1. Переменная - счетчик цикла, если четное и иначе если нечетное. – число членов модулирующей ПИМ последовательности.The formation of the modulating PIM sequence is carried out in
В качестве модулирующей ПИМ последовательности используется последовательность длины = 76645.As a modulating PIM sequence, a sequence of length is used = 76645.
Операция 309 – формирование члена входной последовательности для модуля 310. Сформированное значение присваивается переменной A. Номер члена входной последовательности для модуля 310 определяется значением переменной . Если переменная - счетчик цикла = 0, то переменная A=1, во всех остальных случаях переменная A = 0.
Операция 310 осуществляется программным модулем 310. Модуль при каждом обращении к нему имитирует один такт работы блока 3 фиг 6 формирования ПИМ последовательности длинны Номер такта работы имитатора блока 3 (программный модуль 310) соответствует значению переменной . На каждом цикле на вход модуля 310 подается переменная A и переменная . Если , то значение вычислений, имитирующих один такт работы блока 3, присваивается переменной C, а если , то значение отсчета, полученное в результате вычислений, присваивается переменной B,
Операция 311 - приведение модулирующей последовательности к формату удобному для записи на блок стенда 103 осуществляется программным модулем 311. Суть операции: если для переменной выполняется условие , то в массив ячеек памяти П-5 в ячейку с номером заносится двухбитный код, первый бит которого принимает значение равное значению переменной С, а второй бит принимает значение равное значению переменной B. Таким образом, в массиве ячеек памяти П-5 формируется двоичная модулирующая дискретная последовательность ύ в формате удобном для записи в блок 103 стенда. Operation 311 - bringing the modulating sequence to a format convenient for writing to the block of the
Формирование вторичной рефлектограммы. (Операции в цикле 2) Formation of a secondary reflectogram. (Operations in cycle 2)
Перед началом выполнения формирования вторичной рефлектограммы должна быть передана со стенда и накоплена с сохранением в ячейках памяти П-1 первичная накопленная рефлектограмма [0; N-1].Before starting the formation of a secondary reflectogram, the primary accumulated reflectogram must be transferred from the test bench and accumulated in memory cells P-1 [0; N-1].
Симуляция работы блока согласованной фильтрации осуществляется в цикле. Переменная - счетчик цикла обозначается , .Simulation of the operation of the matched filtering unit is carried out in a loop. Variable - loop counter denoted , .
Каждый цикл моделирования приурочен к определенному временному интервалу работы стенда в цикле имитации зондирования, так переменной - счетчику цикла , если четное, соответствует временной интервал [ ; ] т.е. это интервал на котором происходит стробирование сенсора, если оно не отменено сигналом адаптации стробирования (примечание: отсчет времени на стенде ведется от переднего фронта нулевого тактового импульса, формируемого на стендовой установки при имитации цикла зондирования). Each simulation cycle is timed to a certain time interval of the stand operation in the probing simulation cycle, so the variable is the cycle counter , if even, corresponds to the time interval [ ; ] i.e. this is the interval at which the sensor gating occurs, if it is not canceled by the gating adaptation signal (note: the time on the bench is counted from the rising edge of the zero clock pulse generated on the bench when simulating a probing cycle).
Если нечетное, то временной интервал [( + ; ( ] это интервал времени, на котором сенсор всегда выключен. If a odd, then the time interval [( + ; ( ] is the time interval in which the sensor is always off.
Таким образом, номер переменной цикла i приурочен к номеру тактового импульса i ( график А на рис 10) синхронизирующего работу сенсора, работающего в режиме счетчика Гейгера с быстрым стробированием. Thus, the number of the cycle variable i is timed to the number of the clock pulse i (plot A in Fig. 10) synchronizing the operation of the sensor operating in the Geiger counter mode with fast gating.
Для простоты изложения, поскольку интервалы и примерно равны. Будем считать, что каждому циклу имитационного моделирования, соответствует в реальном времени интервал равный 200 . For simplicity of presentation, since the intervals and approximately equal. We assume that each simulation cycle corresponds to a real-time interval equal to 200 .
Операция 301 (формирование отсчета первичной рефлектограммы)Operation 301 (formation of primary reflectogram reading)
Операция 301 выполняется модулем 301, который формирует последовательность двоичного детектирования в форме удобной для обработки (согласованной фильтрации) длины , ∈ [0; ].
Формирование последовательности μm, как и вся обработка, происходит в цикле обработки сигнала, где переменная i - счетчик цикла обработки последовательности двоичного детектирования (цикла имитационного моделирования обработки) приурочена к номеру члена последовательности μm The formation of the sequence μ m , like all processing, occurs in the signal processing cycle, where the variable i - the counter of the processing cycle of the binary detection sequence (processing simulation cycle) is timed to the number of the sequence member μ m
Отсчеты которые соответствуют интервалам времени, на которых сенсор был включен, назовем «информационными» они могут быть равны либо нулю, либо единице, а остальные отсчеты всегда равны нулю. countdowns which correspond to the time intervals at which the sensor was turned on, let's call them "informational", they can be equal to either zero or one, and the remaining readings are always equal to zero.
При согласованной фильтрации только информационные отсчеты формируют отклик на вторичной рефлектограмме. With matched filtering, only information samples form a response on the secondary reflectogram.
Формирование последовательности μm осуществляется следующим образом: The formation of the sequence μ m is carried out as follows:
если переменная принимает четное значение, то на выходе модуля формируется отсчет путем считывания из ячейки памяти П-1 с номером отсчета ;if variable takes an even value, then a count is formed at the output of the module by reading from the memory cell P-1 with the number reference ;
если переменная принимает нечетное значение, то на выходе модуля формируется нулевой отсчет, т. е. if variable takes an odd value, then a zero count is formed at the output of the module, i.e.
На цикле с номером ( ∈ [ 0;] ) модулем 301 формируется член последовательности и подается на выполнение операции 302 выполняемой модулем 302 симуляции согласованной фильтрации ПИМ последовательности длины . On the cycle with number ( ∈ [ 0; ] )
Операция 302 (формирование отсчета вторичной рефлектограммы) Operation 302 (formation of secondary reflectogram reading)
Операция 302 выполняется модулем 302 (модуль согласованной фильтрации 302). Модуль 302 имитирует работу согласованного фильтра с режекторным фильтром (последовательно соединенные блоки 4 и 5 на фиг. 6). На каждом цикле обработки с номером (переменная - счетчик цикла изменяется от 0 до 2N-1 ) на вход модуля 302 подается сформированный в модуле 301 отсчет и в том же цикле, начиная с цикла с номером отсчеты вычисленные в модуле 302 заносятся в ячейки памяти П-2, так что в ячейке памяти с номером будет отсчет вычисленный на цикле, а в ячейке памяти будет отсчет? вычисленный на цикле и так далее. Таким образом, в ячейках памяти П-2 будет записан массив длины 2N-L рассматриваемый нами, как вторичная рефлектограмма .
Так, в ячейке памяти с номером 0, будет размещаться отсчет рефлектограммы , соответствующий временному интервалу [0; ], в ячейке с номером 1 отсчет соответствующий временному интервалу [; 2] и так далее.So, in the memory cell with
Здесь речь идет об интервалах по оси задержки отраженного от разрешаемого объекта оптического сигнала. Here we are talking about intervals along the delay axis of the optical signal reflected from the resolvable object.
Полученная, таким образом, последовательность может отображаться на экране ПК в виде рефлектограммы при помощи функционального модуля визуализации (модуль не отображен на фигурах). The sequence thus obtained can be displayed on the PC screen as a reflectogram using the visualization functional module (the module is not shown in the figures).
Формирование последовательности адаптации стробирования (Операции в цикле 3) Generating the Gating Adaptation Sequence (Operations in Cycle 3)
Формирование последовательности δ для адаптации стробирования (имитационное моделирование) и вычисление функции Y, позволяющей оценить потери сигнала при приеме в режиме адаптивного стробирования для каждого отсчета на вторичной рефлектограмме.Formation of the sequence δ for gating adaptation (simulation modeling) and calculation of the Y function, which makes it possible to estimate the signal loss when receiving in the adaptive gating mode for each sample on the secondary reflectogram.
Формирование двоичной последовательности δ используемой в качестве сигнала адаптации стробирования с блока стенда 105 осуществляется в третьем цикле обработки. Последовательность δ формируется в формате, удобном для записи ее блок стенда 105, The formation of a binary sequence δ used as a gating adaptation signal from the block of the
Дополнительно также в третьем цикле обработки вычисляется и последовательность Y. Суть ее состоит в следующем: член последовательности с индексом k дает сумму числа интервалов стробирования, приём сигнала на которых внес вклад в формирование отсчета вторичной рефлектограммы. Поскольку в примерах используется накопленная первичная рефлектограмма Additionally, the sequence Y is also calculated in the third processing cycle. Its essence is as follows: the member of the sequence with index k gives the sum of the number of gating intervals, the signal reception at which contributed to the formation of the sample secondary reflectogram. Since the examples use the accumulated primary trace
Формирование обеих последовательностей и осуществляется в третьем цикле обработки после выполнения операций второго цикла на основании вторичной рефлектограммы записанной в массиве ячеек памяти П-2 Formation of both sequences and carried out in the third processing cycle after performing the operations of the second cycle based on the secondary reflectogram recorded in the array of memory cells P-2
При формировании последовательности выполняются следующие операции. (На каждом цикле вычисления k – переменная счетчик цикла изменяется от 0 до 2N-1).When forming a sequence the following operations are performed. (On each cycle of calculation k - the variable cycle counter changes from 0 to 2N-1).
Операция 303 (модуль 303 формирования вторичной рефлектограммы в виде, адаптированном для последующей обработки): Operation 303 (
Если переменная счетчик цикла , то отсчет, формируемый в результате выполнения операции 303 равен содержимому ячейки памяти с номером k из массива ячеек памяти П-2. If the loop counter variable , then the count generated as a result of
Операция 304 (модуль 304 порогового обнаружения): Operation 304 (threshold detection module 304):
На цикле результат операции 303 сравнивается с уровнем порога обнаружения - если отсчет, полученный в результате операции 3 превышает или равен уровню порогового обнаружения то формируется логический отсчет «1» и «0» если иначе. On cycle the result of
Операция 305 (Модуль 305 формирования последовательности адаптации стробирования) Step 305 (Gating Adaptation Sequencing Unit 305)
Модуль 305 на каждом цикле выполняет, те же вычисления, что и блок (поз. 3 на фиг. 6) формирования ПИМ последовательности длины на каждом такте его работы. Т. е. такт работы эквивалентен одному циклу вычисления.
Операция 306. (модуль 306 децимации)
Отчет, формируемый на операции 305 на цикле вычисления k записывается в ячейку памяти поз. П -3 с номером k/2 если k четное, и наоборот, если k - нечетное, то записи не производится. The report generated at
Таким образом, в ячейках памяти с номерами от 0 до N– 1 (примечание: N четное число) будет записана последовательность δ длины N передаваемая (записываемая) на блок 105. Thus, in the memory cells with numbers from 0 to N–1 (note: N is an even number), a sequence δ of length N will be written, transmitted (written) to block 105.
Отбрасывание каждого второго отсчета в формируемой последовательности производится т.к. номера отбрасываемых отсчетов приурочены к номерам тактовых импульсов (нечетных), по которым не происходит формирование сигнала стробирования сенсора, работающего в режиме быстрого стробирования. The rejection of every second sample in the generated sequence is performed because the numbers of discarded readings are timed to the numbers of clock pulses (odd), on which the gating signal of the sensor operating in the fast gating mode is not generated.
Операция 307 (модуль 307 формирования последовательности, являющейся аналогом адаптированного сигнала стробирования формирования) Operation 307 (
Операция 307, как и операция 306 выполняется после операции 305
Суть операции 307 формирование последовательности (график 15G. См. фиг. 10) являющейся аналогом адаптированного сигнала стробирования (график 15E. См. фиг. 10).The essence of
Последовательность формируется следующим образом: если значение переменной k счетчик цикла четное и отсчет, вычисленный модулем 305 (операция 305) равен 0, то результатом операции будет «1», во всех остальных случаях результатом операции является «0». The sequence is formed as follows: if the value of the variable k loop counter is even and the count calculated by module 305 (operation 305) is 0, then the result of the operation will be "1", in all other cases the result of the operation is "0".
Операция 308. (Модуль 308 формирования вспомогательной последовательности отсчетов Y)
Модуль позволяет оценить потери энергии принимаемых сигналов (ПИМ последовательностей оптических импульсов, связанные с тем, что сенсор принимает оптический сигнал включается только на интервалах стробирования, за счет чего часть оптических импульсов, поступающая на поверхность сенсора не будет принята. The module allows you to estimate the energy loss of the received signals (PIM of optical pulse sequences, due to the fact that the sensor receives an optical signal, it turns on only at gating intervals, due to which a part of the optical pulses arriving at the sensor surface will not be accepted.
Модуль вычисляет последовательность отсчетов позволяющую оценить потери энергии для каждого отсчета вызванные тем, что прием оптического сигнала ведется только на интервалах стробирования сенсора. Так отсчет будет равен числу информационных отсчетов первичной рефлектограммы суммирование которых с весовыми коэффициентами отличными от нуля в процессе в отсчете было использовано. Поскольку обработке подвергается первичная накопленная рефлектограмма, то значения увеличиваются в K раз, где K - число циклов формирования накопленной рефлектограммы. В примерах K=5 и поэтому фиг 14 и 15 по ординате отложены значения .The module calculates a sequence of readings allowing to estimate the energy loss for each reading caused by the fact that the reception of the optical signal is carried out only at the sampling intervals of the sensor. So countdown will be equal to the number of information samples of the primary reflectogram summation of which with non-zero weight coefficients in the process in the reference has been used. Since the primary accumulated reflectogram is processed, the values increase by K times, where K is the number of cycles of formation of the accumulated reflectogram. In the examples K=5 and therefore Figs 14 and 15 the values are plotted along the ordinate .
Модуль 308 имитирует работу согласованного фильтра блок 4 фиг. 6. На каждом цикле обработки с номером ( счетчик цикла изменяется от 0 до ) на вход модуля 308 подается сформированный в модуле 307 (график 15G. фиг. 10) отсчет и в том же цикле, начиная с цикла с номером отсчеты вычисленные в модуле 308 заносятся в массив ячеек памяти П-4, так что в ячейке памяти с номером будет отсчет вычисленный на цикле, а в ячейке памяти будет отсчет вычисленный на цикле и так далее. Таким образом, в массиве ячеек памяти П-4 будет записана последовательность длины рассматриваемая нами, как вспомогательная последовательность позволяющая оценить потери энергии для каждого отсчета вызванные особенностями приема оптического сигнала сенсором, а именно его стробированием. Для каждого отсчета величина , где число циклов формирования накопленной рефлектограммы определяет общее число интервалов стробирования, на которых осуществлялся прием оптического сигнала внесших вклад в формирование отсчета
Пример 3Example 3
Практические варианты формирования сигнала адаптации стробирования Practical Gating Adaptation Signal Generation Options
Использование дополнительного сенсораUsing an optional sensor
Сигнал адаптации стробирования можно получить и с использованием дополнительного сенсора, расположенного в смежном оптическом тракте причем смежный оптический тракт устроен так, что момент времени поступления фронта волны оптического импульса на поверхность дополнительного оптического сенсора опережает момент времени поступления его на поверхность сенсора, стробирование которого адаптируется. The gating adaptation signal can also be obtained using an additional sensor located in an adjacent optical path, and the adjacent optical path is designed so that the moment of arrival of the front of the optical pulse wave on the surface of the additional optical sensor is ahead of the time of its arrival at the surface of the sensor, the gating of which is being adapted.
На фиг. 16 представлена возможная схема подобного оптического устройства. Устройство состоит из двух оптических систем: объектива 404, фокусирующего оптическое излучение на поверхности сенсора (или сенсоров) 401 и фрагмента параболического зеркала 403, фокусирующего оптическое излучение на поверхности сенсора (или сенсоров) 402. Оба сенсора располагаются в фокусе параболического сенсора рядом, как показано на фиг.16. In FIG. 16 shows a possible diagram of such an optical device. The device consists of two optical systems: a
Оптический импульс, отраженный от зондируемого объекта, разделяется на два, первый из которых достигает поверхности сенсора 401 раньше, чем достигает поверхности сенсора 402 с отражением от параболического зеркала. Задержка во времени определяется временем прохождением отрезков пути луча A1+В1 или A2+ B2. Время прохождения этих отрезков одинаково и определяет временную задержку второго оптического импульса, попадающего на поверхность сенсора 402 по отношению к первому, попадающему на поверхность сенсора 401. The optical pulse reflected from the probed object is divided into two, the first of which reaches the surface of the
Так, если сумма длин отрезков A1 и B1 составит 20 , то задержка между временем достижения оптическим импульсом поверхности сенсора 402 и оптическим импульсом поверхности сенсора 401, составит 0,66, что является приемлемым временем для обработки принятого первого оптического импульса и формирования сигнала на выключение оптического сенсора 402. So, if the sum of the lengths of segments A1 and B1 is 20 , then the delay between the time the optical pulse reaches the
Сенсор 401, принимающий только оптические импульсы повышенной энергии (соответствующие «сильным» или «сильным» и «ординарным» оптическим импульсам) попадающим на поверхность комбинированной оптической системы типа фиг. 16), формирует сигнал на отключение сенсора 402. В результате этого снижается частота срабатываний сенсора 402 при заданной квантовой эффективности сенсора 402, что позволяет вести прием оптических импульсов сенсором 402 при более высокой квантовой эффективности сенсора 402, более предпочтительным для приема «слабых» оптических импульсов. Также это позволяет одновременно устранить влияние на обнаружение «слабых» пиков откликов на вторичной рефлектограмме, получаемой обработкой сигнала с сенсора 402, боковых лепестков (боковых пиков) откликов от приема «сильных» или «сильных» и «ординарных» оптических импульсов, принимаемых только сенсором 401 и повысить защищенность тракта приема и обработки сигнала сенсора 402 от импульсных помех. A
Оптический сенсор 401 и оптический сенсор 402 могут содержать несколько оптических сенсоров, на которые подаются соответствующие сигналы стробирования.The
Использование пробного (пилотного) зондирующего сигналаUsing a trial (pilot) probing signal
Другой вариант адаптивного стробирования основан на использовании информации об интервалах времени поступления на поверхность приемного сенсора «сильных» и «ординарных» оптических импульсов полученной в ходе приема и обработки пробного сигнала. Another variant of adaptive gating is based on the use of information about the time intervals of arrival of "strong" and "ordinary" optical pulses on the surface of the receiving sensor, obtained during the reception and processing of the test signal.
Суть решения состоит в том, что для определения времени прохождения сигнала от передатчика к объекту с «сильной» и/или «ординарной» ЭПР и обратно к приемному сенсору, далее времени прохождения, достаточно использовать зондирующие последовательности с меньшим числом оптических импульсов, т.н. пробные сигналы. The essence of the solution is that to determine the signal transit time from the transmitter to an object with a "strong" and/or "ordinary" ESR and back to the receiving sensor, further than the transit time, it is sufficient to use probing sequences with a smaller number of optical pulses, the so-called . test signals.
Пробный сигнал испускается лидаром перед тем, как производится посылка основного оптического сигнала. После получения вторичной рефлектограммы и определения временных задержек зондирующего пробного сигнала формируется сигнал адаптации стробирования. Прием основного зондирующего сигнала производится уже с адаптацией сигнала стробирования. Испускание и прием пробного и основного сигналов могут осуществляться в одном цикле зондирования. The probe signal is emitted by the lidar before the main optical signal is sent. After receiving the secondary reflectogram and determining the time delays of the probing test signal, a gating adaptation signal is formed. The main probing signal is received already with the adaptation of the strobing signal. Emission and reception of test and main signals can be carried out in one probing cycle.
Так, если длительность пробного сигнала равна , и задержка в его обработке в реальном времени , время начала испускания основного сигнала должно быть задержано относительно момента начала испускания пробного сигнала не менее, чем на 2 + .So, if the duration of the test signal is equal to , and the delay in its processing in real time , the start time of the emission of the main signal must be delayed relative to the start of the emission of the test signal by at least 2 + .
Таблица 5.Table 5 Общие сведения по примерам 4–7General information on examples 4-7
Пример 4Example 4
Основные параметры работы стенда в примере 4The main parameters of the stand in example 4
Число циклов зондирования K = 5. The number of probing cycles K = 5.
Информация о разрешаемых задержках, поступающих на поверхность сенсора ПИМПОИ приведена в таблице 4. Information about the allowed delays arriving at the surface of the PIMPOI sensor is given in Table 4.
Всего на поверхность сенсора поступает 8 ПИМПОИ из них 5 сильных в которых относительная энергия (нормированная на энергию одного фотона с длинной волны 1550 ) поступающая на поверхность сенсора составляет 20 , одна ПИМПОИ ординарная относительная энергия поступающая на поверхность сенсора составляет 5 и две ПИМПОИ слабые относительная энергия поступающая на поверхность сенсора составляет 1,2 . In total, 8 PIMPOIs arrive at the sensor surface, of which 5 are strong, in which the relative energy (normalized to the energy of one photon with a wavelength of 1550 ) arriving at the sensor surface is 20 , one PIMPOI ordinary relative energy arriving at the sensor surface is 5 and two PIMPOI weak relative energy arriving at the sensor surface is 1.2 .
ПИМПОИ модулированы последовательностью из примера 2.PIMPOs are modulated with the sequence from example 2.
Число оптических импульсов в каждой ПИМПОИ -1369The number of optical pulses in each PIMPOI -1369
Эквивалентная мощность шумовой составляющей сигнала, детектируемого сенсором - 1,28 .Equivalent power of the noise component of the signal detected by the sensor - 1.28 .
Уставка для контура регулирования нормированной частоты срабатываний сенсора - 0,3Setpoint for the regulation loop of the rated sensor frequency - 0.3
На фиг. 14 (пример 4) In FIG. 14 (example 4)
Верхний график Top Graph
На оси Х отложено время в тактовых импульсах стенда умноженное на 10-4.The X-axis shows the time in the clock pulses of the stand multiplied by 10 -4 .
На оси Y отложено значение вспомогательной функции помноженное на 5, где 5 — это число циклов накопления в первичной рефлектограмме. The value of the auxiliary function is plotted on the Y-axis multiplied by 5, where 5 is the number of accumulation cycles in the primary trace.
Нижний график Bottom chart
На оси Х отложено время в тактовых импульсах стенда, умноженное на 10-4.On the X-axis is the time in the clock pulses of the stand, multiplied by 10 -4 .
На оси Y значения принимаемые вторичной рефлектограммой Z, полученной после обработки первичной накопленной рефлектограммы.On the Y-axis, the values taken by the secondary Z trace obtained after processing the primary accumulated trace.
16A – пики откликов на вторичной рефлектограмме от последовательностей «сильных» оптических импульсов, 16A - peaks of responses on the secondary reflectogram from sequences of "strong" optical pulses,
16B – пик откликов на вторичной рефлектограмме от последовательности «ординарных» оптических импульсов.16B - peak of responses on the secondary reflectogram from a sequence of "ordinary" optical pulses.
16C - пики откликов на вторичной рефлектограмме от последовательностей «слабых» оптических импульсов. 16C - peaks of responses on the secondary reflectogram from sequences of "weak" optical pulses.
В результате накопления пяти первичных рефлекторам и обработки накопленной рефлектограммы получена вторичная рефлектограмма, фрагмент которой приведен на фиг. 14 (нижний график). As a result of accumulation of five primary reflectors and processing of the accumulated reflectogram, a secondary reflectogram was obtained, a fragment of which is shown in Fig. 14 (bottom graph).
На рефлектограмме хорошо видны положительные пики откликов от слабых и ординарной ПИМПОИ с различными задержками и отрицательные пики откликов, полученные в качестве эффекта от адаптивного стробирования, от сильных ПИМПОИ.The reflectogram clearly shows positive peaks of responses from weak and ordinary PIMPOIs with different delays and negative peaks of responses obtained as an effect of adaptive gating from strong PIMPOIs.
Для оценки влияния стробирования на потери энергии сигнала вычисляется вспомогательная последовательность , суть которой – значение числа отсчетов первичной рефлектограммы, вносящих вклад в формирование отсчета вторичной рефлектограммы . Такие отсчеты в первичной рефлектограмме мы определили, ранее в описании, как информационные. Поскольку при получении вторичной рефлектограммы была использована первичная накопленная из 5 рефлектограмм, значения функции были умножены на 5.To evaluate the effect of gating on signal energy loss, an auxiliary sequence is calculated , the essence of which is the value of the number of readings of the primary reflectogram, contributing to the formation of the reading of the secondary reflectogram . We defined such readings in the primary reflectogram, earlier in the description, as informational. Since when obtaining a secondary reflectogram the primary accumulated of 5 reflectograms was used, the values of the function were multiplied by 5.
Из верхнего графика видно, что в формировании каждого отчета вторичной рефлектограммы было использовано от 2900 до 3450 информационных отсчетов из первичных рефлектограмм, что связано со стробированием сенсора. При условии отсутствия стробирования значения 5 были бы константой равной 1369*5 = 6845. Таким образом, за счет стробирования попадает в интервалы стробирования от 42 до 50% оптических импульсов в ПИМПОИ. It can be seen from the upper graph that in the formation of each report of the secondary reflectogram, from 2900 to 3450 information samples from the primary reflectograms were used, which is associated with the gating of the sensor. Assuming no
Результаты по примеру 4 приведены в таблице 6The results for example 4 are shown in table 6
Пример 5 Example 5
Пример 5 отличается от примера 4 тем, что в нем было отключено адаптивное стробирование.Example 5 differs from Example 4 in that adaptive gating has been disabled.
На фиг. 15 (пример 5) In FIG. 15 (example 5)
Верхний график Top Graph
На оси Х отложено время в тактовых импульсах стенда умноженное на 10-4.The X-axis shows the time in the clock pulses of the stand multiplied by 10 -4 .
На оси Y отложено значение вспомогательной функции помноженное на 5, где 5 — это число циклов накопления в первичной рефлектограмме. The value of the auxiliary function is plotted on the Y-axis multiplied by 5, where 5 is the number of accumulation cycles in the primary trace.
Нижний график Bottom chart
На оси Х отложено время в тактовых импульсах стенда, умноженное на 10-4.On the X-axis is the time in the clock pulses of the stand, multiplied by 10 -4 .
На оси Y значения принимаемые вторичной рефлектограммой , полученной после обработки первичной накопленной рефлектограммы.On the Y axis, the values taken by the secondary reflectogram obtained after processing the primary accumulated reflectogram.
17A – пики откликов на вторичной рефлектограмме от последовательностей «сильных» оптических импульсов17A - peaks of responses on the secondary reflectogram from sequences of "strong" optical pulses
17B – пик откликов на вторичной рефлектограмме от последовательности ординарных оптических импульсов.17B - peak of responses on the secondary reflectogram from a sequence of ordinary optical pulses.
Как видно из примера при выключении функции адаптации стробирования определить задержки слабых ПИМПОИ не представляется возможным. As can be seen from the example, when the gating adaptation function is turned off, it is not possible to determine the delays of weak PIMPOIs.
Результаты по примеру 5 приведены в таблице 6The results of example 5 are shown in table 6
Пример 6 Example 6
Пример 6 отличается от примера 4 только тем, что эквивалентная мощность шумовой составляющей сигнала детектируемого сенсором увеличена до 3,2 и увеличена относительная энергия импульсов (нормированная на энергию одного фотона с длинной волны 1550 nm) в слабых ПИМПОИ до 2. Example 6 differs from example 4 only in that the equivalent power of the noise component of the signal detected by the sensor is increased to 3.2 and the relative energy of pulses (normalized to the energy of one photon with a wavelength of 1550 nm) in weak PIMPOIs was increased up to 2.
Результаты по примеру 6 приведены в таблице 6The results of example 6 are shown in table 6
Пример 7 Example 7
Пример 7 отличается от примера 6 только тем, что отключено адаптивное стробирование и установлено напряжение смещения, обеспечивающее максимальную квантовую эффективность сенсора равную ≈25%. Example 7 differs from example 6 only in that the adaptive gating is disabled and the bias voltage is set to provide the maximum quantum efficiency of the sensor equal to ≈25%.
Результаты по примеру 7 приведены в таблице 6The results of example 7 are shown in table 6
В таблице 6 ниже приведены сводные данные по примерам 4–7. Table 6 below summarizes examples 4-7.
Жирным шрифтом с подчеркиванием выделены ячейки с негативным результатом (нет разрешения на вторичной рефлектограмме) – отклик не выделяется над фоновым уровнем рефлектограмы. Cells with a negative result are highlighted in bold with underlining (no resolution on the secondary trace) - the response does not stand out above the background level of the trace.
Таблица 6. Сводные данные по примерам Table 6. Summary of examples
* количество имитируемых разрешаемых объектов – количество задержанных относительно времени начала испускания зондирующей оптической последовательности ПИМПОИ с одинаковой энергией в каждом оптическом импульсе. * the number of simulated resolved objects is the number of objects delayed relative to the start time of emission of the probing optical sequence PIMPOI with the same energy in each optical pulse.
** среднее число фотонов в оптическом импульсе - средняя энергия оптического импульса в ПИМПОИ, нормированная на энергию одного кванта оптического излучения с частотой 1550 nm. ** the average number of photons in an optical pulse is the average energy of an optical pulse in PIMPOI, normalized to the energy of one optical radiation quantum with a frequency of 1550 nm.
*** – определяется, как отношение энергии одного оптического импульса ПИМПОИ, попадающего на поверхность сенсора на интервалах стробирования к сумме энергии шумового излучения поступающего на поверхность сенсора на интервалах стробирования и энергии эквивалентного шумового излучения, характеризующей проявление собственного шума сенсора на интервалах стробирования, но без учета эквивалентного шумового излучения вызванного эффектом APP . *** – is defined as the ratio of the energy of one optical pulse of the PIMPOI, which hits the sensor surface at the strobing intervals, to the sum of the noise radiation energy arriving at the sensor surface at the strobing intervals and the energy of the equivalent noise radiation, which characterizes the manifestation of the sensor’s own noise at the strobing intervals, but without taking into account the equivalent noise radiation caused by the APP effect.
****- по вторичной рефлектограмме определяется, как минимальное отношение амплитуд пиков соответствующих откликов («ординарных» или «слабых») к максимальной амплитуде боковых лепестков рефлектограммы по выборке из 10 однотипных рефлектограмм, на фиг. 14 и 15 приведены одни из этих рефлектограмм. **** - according to the secondary reflectogram, it is determined as the minimum ratio of the amplitudes of the peaks of the corresponding responses ("ordinary" or "weak") to the maximum amplitude of the side lobes of the reflectogram for a sample of 10 similar reflectograms, in Fig. Figures 14 and 15 show some of these reflectograms.
– измеренная на интервале приема оптического сигнала нормированная на частоту стробирования средняя частота срабатываний сенсора, установившаяся при регулировании ее по уставке (примеры 3,4,5) или при фиксированной квантовой эффективности сенсора (пример 7). – measured at the interval of receiving the optical signal, normalized to the gating frequency, the average frequency of sensor responses, which was established when it was adjusted according to the setpoint (examples 3,4,5) or at a fixed quantum efficiency of the sensor (example 7).
ξ – средняя квантовая эффективность сенсора на интервалах стробирования установившаяся в результате регулирования (примеры 3,4,5) по уставке или заданная уставкой (пример 7).ξ is the average quantum efficiency of the sensor at the gating intervals established as a result of regulation (examples 3,4,5) by setting or preset (example 7).
Промышленная применимость.Industrial applicability.
Предлагаемое устройство для приема оптического сигнала позволяет использовать в качестве источников импульсного излучения относительно недорогие, малой мощности, устройства. The proposed device for receiving an optical signal makes it possible to use relatively inexpensive, low power devices as sources of pulsed radiation.
Дополнительные преимущества:Additional benefits:
1) помехозащищенность, 1) noise immunity,
2) разрешающая способность по дальности – от 3–5 cm.2) range resolution - from 3–5 cm.
3) возможность разрешения всех объектов в створе луча за один цикл зондирования. 3) the possibility of resolving all objects in the beam alignment in one probing cycle.
4) возможность контроля потерь в соотношении . за счет стробирования и наличия в принимаемом сигнале сильных импульсных помех или «сильных» ПИМПОИ, затрудняющих обработку принимаемого сигнала, путем вычисления вспомогательной функции Y. 4) the ability to control losses in the ratio . due to gating and the presence in the received signal of strong impulse noise or “strong” PIMPOI, which make it difficult to process the received signal, by calculating the auxiliary function Y.
Дополнительный технический результат состоит в том, что адаптация стробирования увеличивает для пиков откликов на рефлектограмме «слабых» сигналов и регулирование средней частоты срабатываний сенсора позволяет установить оптимальную квантовую эффективностью сенсора при которой достигается максимальное соотношение . An additional technical result is that the gating adaptation increases for response peaks on the reflectogram of “weak” signals and adjusting the average frequency of sensor triggering allows you to set the optimal quantum efficiency of the sensor, at which the maximum ratio is achieved .
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU2022/050368 WO2023113646A1 (en) | 2021-12-16 | 2022-11-18 | Device and method for receiving an optical signal reflected from a probed object |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2778546C1 true RU2778546C1 (en) | 2022-08-22 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2346357C1 (en) * | 2007-06-26 | 2009-02-10 | Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" (ЗАО "СКОНТЕЛ") | Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range |
US20110216304A1 (en) * | 2006-07-13 | 2011-09-08 | Velodyne Acoustics, Inc. | High definition lidar system |
US8072582B2 (en) * | 2008-08-19 | 2011-12-06 | Rosemount Aerospace Inc. | Lidar system using a pseudo-random pulse sequence |
US20150219764A1 (en) * | 2014-02-06 | 2015-08-06 | GM Global Technology Operations LLC | Low cost small size lidar for automotive |
RU2690537C1 (en) * | 2018-01-16 | 2019-06-04 | Общество с ограниченной ответственностью НаноРельеф Дисплей | Phased lidar |
RU2690990C2 (en) * | 2017-06-09 | 2019-06-07 | Общество с ограниченной ответственностью НаноРельеф Дисплей | Lidar without moving parts |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110216304A1 (en) * | 2006-07-13 | 2011-09-08 | Velodyne Acoustics, Inc. | High definition lidar system |
RU2346357C1 (en) * | 2007-06-26 | 2009-02-10 | Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" (ЗАО "СКОНТЕЛ") | Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range |
US8072582B2 (en) * | 2008-08-19 | 2011-12-06 | Rosemount Aerospace Inc. | Lidar system using a pseudo-random pulse sequence |
US20150219764A1 (en) * | 2014-02-06 | 2015-08-06 | GM Global Technology Operations LLC | Low cost small size lidar for automotive |
RU2690990C2 (en) * | 2017-06-09 | 2019-06-07 | Общество с ограниченной ответственностью НаноРельеф Дисплей | Lidar without moving parts |
RU2690537C1 (en) * | 2018-01-16 | 2019-06-04 | Общество с ограниченной ответственностью НаноРельеф Дисплей | Phased lidar |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102609223B1 (en) | Accurate photodetector measurements for lidar | |
CN108732553A (en) | A kind of laser radar waveform moment discrimination method and online range-measurement system | |
CN109343069A (en) | The photon counting laser radar and its distance measuring method of assembled pulse ranging can be achieved | |
US10962628B1 (en) | Spatial temporal weighting in a SPAD detector | |
CN108828616B (en) | Photon counting laser radar capable of realizing monopulse ranging and constant false alarm control method | |
US20150077734A1 (en) | Biphoton ranging with hom interference | |
CN111751835B (en) | Full-waveform satellite laser ranging system and method | |
CN110741281B (en) | LiDAR system and method using late lock cover mode detection | |
CN110940992B (en) | Signal detection method and system capable of improving detection distance and precision of laser radar | |
CN107015233A (en) | Integrated fiber formula pseudo noise code amplitude modulation(PAM) offset correction device | |
TW524983B (en) | Optical detection and analysis | |
US20220252730A1 (en) | Time-of-flight imaging apparatus and time-of-flight imaging method | |
US20220099814A1 (en) | Power-efficient direct time of flight lidar | |
CN109521666B (en) | Time-to-digital converter based on delay locked loop | |
RU2778546C1 (en) | Device and method for receiving optical signal reflected from sounding object | |
CN117538884A (en) | Laser ranging method and system based on error compensation | |
CN116859372A (en) | APD focal plane device timing precision test system for active three-dimensional imaging | |
US20230273304A1 (en) | Efficient Fault Detection For Lidar Sensors | |
Ye et al. | A reconstruction method for restraining range walk error in photon counting Lidar via dual detection | |
WO2023113646A1 (en) | Device and method for receiving an optical signal reflected from a probed object | |
RU2653558C9 (en) | Optical device for determining distance to object | |
RU2183841C1 (en) | Method of laser location and laser location device for its implementation | |
US20220334234A1 (en) | Method for generating light pulses of a lidar system | |
CN114545360B (en) | Human-guard ranging single-photon echo simulation ground detection system based on acousto-optic modulator | |
CN209590275U (en) | Pulse type laser range-measurement system |