RU2778629C1 - Способ порогового обнаружения оптических сигналов - Google Patents
Способ порогового обнаружения оптических сигналов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778629C1 RU2778629C1 RU2021133960A RU2021133960A RU2778629C1 RU 2778629 C1 RU2778629 C1 RU 2778629C1 RU 2021133960 A RU2021133960 A RU 2021133960A RU 2021133960 A RU2021133960 A RU 2021133960A RU 2778629 C1 RU2778629 C1 RU 2778629C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- threshold
- photodiode
- noise
- frequency
- output
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical Effects 0.000 title claims abstract description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 230000000087 stabilizing Effects 0.000 description 2
- 230000001960 triggered Effects 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных системах. Сущность: способ порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода включает пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания. При этом предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, и устанавливают второй порог Iпор2, приведенный к выходу фотодиода, в пределах - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода. Устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором отношение сигнал/шум максимально, после чего уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока оценка ϕ2 относительной частоты превышений порога Iпор2 микроплазменными выбросами не упадет до предельно допустимого уровня где - количество разрешаемых интервалов на контрольном интервале Т2; ΔТ - разрешаемый интервал времени; n2 - количество превышений порога Iпор2 за время Т2; QM - допустимая вероятность возникновения микроплазм за время Т2; t - параметр статистического разброса оценки ϕ2. После этого фиксируют напряжение смещения и устанавливают порог Iпор1 на уровне, при котором частота f1 (1/с) шумовых превышений порога Iпор1 имеет стационарное значение f1 << f0, где f0 - частота пересечения шумом нулевого уровня. При этом вход Iпор1 блокируют на время каждого превышения порога Iпор2. После установления порога Iпор1 увеличивают его в раз, где fp - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме. Затем фиксируют порог Iпор1 и приступают к приему сигналов. Технический результат: достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности, к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных приложениях.
Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [2].
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих в фотодиоде в процессе лавинного умножения [3].
Недостатком этого способа является возможность введения фотодиода в режим микроплазменного пробоя [4]. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение амплитуды сопровождается увеличением длительности импульсов и уменьшением скважности [5]. В таком режиме шум лавинного фотодиода состоит из двух независимых составляющих - нормального шума [6] и «телеграфного» шума микроплазм. Микроплазменная составляющая шума фотодиода не сопоставима по статистическим характеристикам с нормальной составляющей, и ее участие в процессе регулирования смещения фотодиода непредсказуемо [7]. При некоторых температурных условиях регулировка лавинного режима по частоте шумовых выбросов фотодиода включая микроплазмы, может привести к выходу системы на неоптимальный режим лавинного умножения, т.е. к ухудшению пороговой чувствительности фотоприемного устройства или к недопустимой вероятности ложных срабатываний, вызванных микроплазмами.
Задачей изобретения является достижение наилучших обнаружительных характеристик во всех условиях эксплуатации при наличии микроплазм и нормального шума.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога Iпор1 срабатывания, предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают второй порог Iпор2, приведенный к выходу фотодиода, в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором коэффициент лавинного умножения где α - коэффициент шума фотодиода, - квадрат умножаемой составляющей шумового тока, приведенного к выходу фотодиода; е - заряд электрона; I1 - первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf - полоса пропускания приемного тракта, после чего уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока оценка ϕ2 относительной частоты превышений порога Iпор2 шумовыми выбросами не упадет до предельного уровня где - количество разрешаемых интервалов на контрольном интервале Т2; ΔТ - разрешаемый интервал времени; n2 - количество превышений порога Iпор2 за время Т2; QM - допустимая вероятность возникновения микроплазм за время Т2; t - коэффициент статистического разброса оценки ϕ2, после чего фиксируют напряжение смещения и устанавливают порог Iпор1 на уровне, при котором частота f1 (1/с) шумовых превышений порога Iпор1 имеет стационарное значение f1 << f0, где f0 - частота пересечения шумом нулевого уровня, при этом порог Iпор1 блокируют на время каждого превышения порога Iпор2, после установления порога Iпор1 увеличивают его в раз, где fp - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, затем фиксируют порог Iпор1 и приступают к приему сигналов.
Частоту f1 можно устанавливать в режиме шумовой автоматической регулировки, при этом период T1 усреднения частоты шумовых превышений порога Iпор1 выбирают из условия минимального времени выхода на рабочий режим при заданном предельном разбросе установившихся значений порога Iпор1.
На фиг.1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг.2 - примеры смеси сигнала, шума и микроплазм (а), блокировки порога Iпор1 (б) и решения о приеме сигнала (в).
Реализующее способ фотоприемное устройство содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2 и пороговое устройство 3. Напряжение смещения подается на фотодиод 1 от последовательно соединенных источника питания 4 и схемы термокомпенсации 5. Пороговое устройство 3 охвачено цепью обратной связи в виде схемы шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП) 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Схема термокомпенсации 5 управляется схемой шумовой регулировки лавины 7, подключенной к выходу усилителя 2. Синхронизация осуществляется блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7. Способ осуществляется следующим образом.
По команде от блока управления 8 включаются схема термокомпенсации 5 и схема ШАРП 6. Схема термокомпенсации [2] обеспечивает установку режима смещения близко к оптимальному режиму без учета микроплазм, при котором соблюдается зависимость
М - коэффициент лавинного умножения;
Мопт - значение М, при котором отношение сигнал/шум [6] максимально;
I0 2 - квадрат неумножаемого шумового тока на выходе фотодиода;
JM 2=2eI1Δf;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6];
е - заряд электрона;
I1 - первичный умножаемый ток фотодиода в безлавинном режиме.
Δf - полоса пропускания приемного тракта.
Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока
I0 2 - квадрат неумножаемого шумового тока
е - заряд электрона;
I1 - первичный обратный ток фотодиода;
Δf- полоса пропускания приемного тракта до входа порогового устройства;
М - коэффициент лавинного умножения;
Мα - шум-фактор лавинного умножения;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.
Квадрат W отношения шум/сигнал
Условие нуля производной
Или
Задача настоящего изобретения решается благодаря процедуре статистической интерпретации микроплазм не как ложных тревог, а как факторов пропуска сигнала. За счет этого можно допустить более высокую вероятность микроплазм и, тем самым, поддерживать коэффициент лавинного умножения ближе к оптимальному уровню (6).
Пропуск сигнала, характеризуемый вероятностью Qш и появление микроплазмы, характеризуемое вероятностью QM представляют собой взаимно независимые события [10], поэтому заданную вероятность пропуска сигнала Q = 1 - D за контрольный интервал времени Т2, где D - вероятность правильного обнаружения сигнала, можно представить в виде суммы Q = Qш + QM.
При оценке вероятности ложного события (генерации микроплазмы) путем подсчета относительной частоты ложных событий [10, с. 226] как отношения количества n2 ложных событий и полного контрольного объема N2 испытаний существует нижняя доверительная граница ϕ2* оценки вероятности QM.
где t - доверительный коэффициент [10].
Контрольный объем испытаний N2 связан с контрольным интервалом времени Т2 соотношением
где ΔТ2 - разрешаемый отрезок времени
(QM - ϕ2)2 ~ t2 ϕ2/ N2, где решением является меньший корень ϕ2
Тогда допустимое количество n2 микроплазм за время Т2
Соответствующая частота микроплазм
Схема шумовой регулировки лавины срабатывает на каждую микроплазму, превышающую порог Iпор2 и на каждое срабатывание уменьшает напряжение на минимально значимую величину ΔUсм, понижая коэффициент лавинного умножения М на заданную допустимую величину ΔM до тех пор, пока не установится частота микроплазм f2. При этом схема шумовой регулировки лавины 7 с порогом срабатывания Iпор2>Iпор1 реагирует только на импульсы микроплазм 9 (фиг.2а), одновременно блокируя вход порогового устройства 3, которое, таким образом, срабатывает только на флуктуационные (тепловые и дробовые) нормально распределенные шумы 10 (фиг.2 б). Соответственно схема ШАРП 6 отрабатывает только такие шумы. Благодаря этому возможно поддержание оптимального отношения порога Iпор1 порогового устройства 3 к шуму, обеспечивающего максимальную вероятность правильного обнаружения сигнала при минимальной вероятности ложных тревог [8] (фиг.2 в).
Пример 1
D = 0,9; Q = 1 - D = 0,1; QM = 0,01; Т2 = 10-3 с; ΔТ2 = 10-7 с; t = 2.
Согласно (8) N2 = 10-3/10-7 = 10000.
В соответствии с (9) наименьшая допустимая оценка относительной частоты микроплазм ϕ2 = 0,00181, n2 = ϕ2N2 ~ 18.
Допустимая частота микроплазм f2 = 18/10-3 = 18000 1/с.
Пример 2
Те же данные, но QM = 10-3.
Тогда ϕ2 = 0,0005; n2 = 5; f2 = 5/10-3 = 5000 1/с.
При этом Qш = Q - QM = 0,09-0,099.
Это значит, что снижение порога чувствительности, вызванное указанным потоком микроплазм уменьшится в Ф(0,1)/Ф(0,09) = 1,1 раза или в Ф(0,1)/Ф(0,099) = 1,01 раза, где Ф(х) - функция Лапласа [10, приложение 2]. Следовательно, чувствительность практически сохранится на теоретически предельном уровне в условиях высокой частоты микроплазм, то есть при коэффициенте лавинного умножения, близком к оптимальному. При увеличении Т2 нижняя доверительная граница оценки ϕ2 увеличивается, что позволяет производить регулировку лавинного режима при меньшем значении QM и уменьшить снижение порога чувствительности в условиях микроплазм до пренебрежимо малого уровня.
Оптимальный выбор режима Т2 = 10-4 с или Т2 = 10-3 с зависит от типа фотодиода и соответствующего характера микроплазм. В любом случае влияние микроплазменного шума устраняется.
Если процесс стабилизации отношения порог/шум происходит при частоте fп шумовых превышений порога, превышающей частоту fp таких событий в рабочем режиме, то перед переходом к приему сигналов порог увеличивают в раз [9], где f0 - частота пересечения шумом нулевого уровня. Такой процесс стабилизации режима порогового устройства занимает время не более 10-3 с [9].
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает время выхода на режим порядка Т = 1 мс и работу с максимальной частотой повторения 1/Т = 1 кГц. Существующие технические решения обеспечивают выход на режим за 1-6 с [3, 8] при коэффициенте лавинного умножения М < Мопт, то есть с потерей чувствительности. Выигрыш предлагаемого способа по быстродействию составляет 1000-6000 раз, а по отношению сигнал/шум - до 1,5-2 раз.
Таким образом, обеспечивается задача изобретения - достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим.
Источники информации
1 Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М., 1969 г.
2 Патент РФ №2248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.
3 US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.
4 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков M.A. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007.
5 Вишневский А.И., Руденко В.С, Платонов А.П. Силовые ионные и полупроводниковые приборы. Учебное пособие для вузов. Под редакцией В.С. Руденко. Москва, Высшая школа, 1975.
6 Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9, - с. 59.
7 Шашкина А.С.и др. Лавинный пробой p-n-перехода в задачах радиотехники. - Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016, том 16, №5, с. 864-871.
8 Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.
9 Патент РФ №2718856. Способ автоматической стабилизации частоты пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса, 2020 г.
10 Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Москва, Высшая школа, 1977, - 480 С.
Claims (2)
1. Способ порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога Iпор1 срабатывания, отличающийся тем, что предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают второй порог Iпор2, приведенный к выходу фотодиода, в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором коэффициент лавинного умножения где α - коэффициент шума фотодиода, - квадрат умножаемой составляющей шумового тока, приведенного к выходу фотодиода; е - заряд электрона; I1 - первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf - полоса пропускания приемного тракта, после чего уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока оценка ϕ2 относительной частоты превышений порога Iпор2 шумовыми выбросами не упадет до предельно допустимого уровня где - количество разрешаемых интервалов на контрольном интервале Т2; ΔT - разрешаемый интервал времени; n2 - количество превышений порога Iпор2 за время T2, QM - допустимая вероятность возникновения микроплазм за время Т2; t - коэффициент статистического разброса оценки ϕ2, после чего фиксируют напряжение смещения и устанавливают порог Iпор1 на уровне, при котором частота f1 (1/с) шумовых превышений порога Iпор1 имеет стационарное значение f1 << f0, где f0 - частота пересечения шумом нулевого уровня, при этом вход Iпор1 блокируют на время каждого превышения порога Iпор2, после установления порога Iпор1 увеличивают его в раз, где fp - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, затем фиксируют порог Iпор1 и приступают к приему сигналов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту f1 устанавливают в режиме шумовой автоматической регулировки, при этом период T1 усреднения частоты шумовых превышений порога Iпор1 выбирают из условия минимального времени выхода на рабочий режим при заданном предельном разбросе установившихся значений порога Iпор1.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2778629C1 true RU2778629C1 (ru) | 2022-08-22 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2797660C1 (ru) * | 2023-01-24 | 2023-06-07 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ порогового обнаружения оптических сигналов |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4077718A (en) * | 1976-03-01 | 1978-03-07 | Raytheon Company | Receiver for optical radar |
JP2006287307A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Nec Corp | 光子検出回路およびノイズ除去方法 |
WO2021024038A1 (en) * | 2019-08-06 | 2021-02-11 | Innoviz Technologies Ltd. | Systems and methods for photodiode-based detection |
RU2750442C1 (ru) * | 2020-11-26 | 2021-06-28 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ приема оптических сигналов |
RU2755602C1 (ru) * | 2020-11-26 | 2021-09-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ порогового обнаружения оптических сигналов |
RU2755601C1 (ru) * | 2020-11-26 | 2021-09-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ обнаружения оптических сигналов |
RU2756384C1 (ru) * | 2020-11-26 | 2021-09-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ порогового приема оптических сигналов |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4077718A (en) * | 1976-03-01 | 1978-03-07 | Raytheon Company | Receiver for optical radar |
JP2006287307A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Nec Corp | 光子検出回路およびノイズ除去方法 |
WO2021024038A1 (en) * | 2019-08-06 | 2021-02-11 | Innoviz Technologies Ltd. | Systems and methods for photodiode-based detection |
RU2750442C1 (ru) * | 2020-11-26 | 2021-06-28 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ приема оптических сигналов |
RU2755602C1 (ru) * | 2020-11-26 | 2021-09-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ порогового обнаружения оптических сигналов |
RU2755601C1 (ru) * | 2020-11-26 | 2021-09-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ обнаружения оптических сигналов |
RU2756384C1 (ru) * | 2020-11-26 | 2021-09-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ порогового приема оптических сигналов |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2797660C1 (ru) * | 2023-01-24 | 2023-06-07 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ порогового обнаружения оптических сигналов |
RU2815330C1 (ru) * | 2023-10-11 | 2024-03-13 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3644740A (en) | Control circuit for biasing a photodetector so as to maintain a selected false alarm rate | |
Sonnenschein et al. | Radiometric detection of spread-spectrum signals in noise of uncertain power | |
KR100961012B1 (ko) | 광 수신기 보호 회로 | |
US5008532A (en) | Light reception signal circuit for photoelectric switch | |
US20040051938A1 (en) | Gain controlled optical amplifier | |
JPH08265073A (ja) | Agc回路 | |
RU2778629C1 (ru) | Способ порогового обнаружения оптических сигналов | |
EP0252149A1 (en) | CONTROL FOR A WALKING TUBE. | |
JPWO2021028984A1 (ja) | 光受信器および局側装置 | |
Lim | Constant fraction discriminator involving automatic gain control to reduce time walk | |
RU2778048C1 (ru) | Способ приема импульсных оптических сигналов | |
RU2778047C1 (ru) | Способ приема оптических сигналов | |
RU2791438C1 (ru) | Способ выделения оптических импульсов | |
US20090247105A1 (en) | Method and circuit for adaptive automatic gain control | |
RU2778046C1 (ru) | Способ приема оптических импульсов | |
RU2788940C1 (ru) | Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов | |
CN113489295B (zh) | 一种apd保护方法及电路 | |
RU2778976C1 (ru) | Способ стабилизации режима лавинного фотодиода | |
US9762333B2 (en) | Optical receiver and optical reception method | |
RU2755602C1 (ru) | Способ порогового обнаружения оптических сигналов | |
RU2797660C1 (ru) | Способ порогового обнаружения оптических сигналов | |
RU2755601C1 (ru) | Способ обнаружения оптических сигналов | |
RU2791186C1 (ru) | Лазерный импульсный дальномер | |
RU2750442C1 (ru) | Способ приема оптических сигналов | |
Biswas et al. | Pulse position modulated (PPM) ground receiver design for optical communications from deep space |