RU2788940C1 - Method for incoherent accumulation of light-location signals - Google Patents

Method for incoherent accumulation of light-location signals Download PDF

Info

Publication number
RU2788940C1
RU2788940C1 RU2022116044A RU2022116044A RU2788940C1 RU 2788940 C1 RU2788940 C1 RU 2788940C1 RU 2022116044 A RU2022116044 A RU 2022116044A RU 2022116044 A RU2022116044 A RU 2022116044A RU 2788940 C1 RU2788940 C1 RU 2788940C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
threshold
accumulation
channel
level
Prior art date
Application number
RU2022116044A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Григорьевич Вильнер
Михаил Михайлович Землянов
Евгений Викторович Кузнецов
Александр Ефремович Сафутин
Надежда Валентиновна Седова
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Application granted granted Critical
Publication of RU2788940C1 publication Critical patent/RU2788940C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: optical signals reception.
SUBSTANCE: invention relates to the reception of optical signals, in particular to the technique of receiving signals using avalanche photodiodes, and can be used in location, communications and other photoelectronic systems. The method for incoherent accumulation of light-location signals, including a series of probing cycles, in each probing cycle, receiving a reflected signal and comparing the received signal with analog threshold levels, accumulating the sum of excesses of analog threshold levels, taking into account the weighting factor of the level, which is used to judge the presence of a signal by comparing the sum of excesses with threshold number, the reception of reflected signals is carried out using an avalanche photodiode in N channels of the reflected signal delay, characterized by the time duration of the channel τ and the delay measurement range Т=Nτ, where N is the number of channels, the avalanche multiplication coefficient of the photodiode, optimal in terms of signal-to-noise ratio, is preliminarily set Mopt, then, by controlling the bias voltage of the photodiode, the frequency fm is reduced to the maximum allowable level fm*, in this mode, the average duration of microplasma pulses tm, the minimum amplitude Um min of microplasma pulses are determined, an additional threshold level Up is set according to the condition Up<Um min, and if in the current delay channel the emission of a mixture of signal and noise exceeds the threshold Up, then in this accumulation cycle, signal processing in this channel is blocked. The maximum permissible level of the frequency of microplasma pulses fm* can be set according to the dependence
Figure 00000032
, where
Figure 00000033
- the allowable amount of microplasmas in one accumulation channel in one cycle; K - the number of accumulation cycles; τ - time width of the accumulation channel; Kthr - the threshold value of the accumulated sum in one channel, at which a decision is made about the presence of a signal (threshold number); χ<<1 - coefficient providing the condition Qn+Qm≤Q; Q - the probability of signal skipping (probability of non-detection); Qn - component of the signal skip probability due to fluctuation noise; Qm - the probability of signal skipping due to the influence of microplasmas.
EFFECT: theoretically the ultimate sensitivity is ensured in all operating conditions, taking into account microplasma breakdowns and fluctuation noise.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии.The invention relates to laser technology, namely to laser ranging.

Известен способ некогерентного накопления импульсов при их многократном повторении, например, для обнаружения принимаемых сигналов при лазерном или радиолокационном зондировании удаленных объектов [1-5]. Указанный способ заключается в том, что производят серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования принятый сигнал сравнивают с аналоговым порогом (осуществляют бинарное квантование), подсчитывают количество превышений аналогового порога и принимают решение о наличии сигнала, если это количество превышает заданное число. Этот способ не позволяет реализовать потенциальную вероятность обнаружения сигналов вследствие потери информации при бинарном квантовании принимаемого сигнала.There is a method of incoherent accumulation of pulses when they are repeated many times, for example, to detect received signals during laser or radar sounding of remote objects [1-5]. This method consists in performing a series of probing cycles, in each probing cycle, the received signal is compared with an analog threshold (binary quantization is performed), the number of analog threshold exceedances is counted, and a decision is made on the presence of a signal if this number exceeds a predetermined number. This method does not allow realizing the potential probability of detecting signals due to the loss of information during binary quantization of the received signal.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ некогерентного накопления сигналов, включающий серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с одним или несколькими аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней, по которой после завершения серии судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом [6].The closest in technical essence to the proposed method is a method of incoherent accumulation of signals, including a series of probing cycles, in each probing cycle, receiving a reflected signal and comparing the received signal with one or more analog threshold levels, accumulating the sum of exceedances of analog threshold levels, according to which, after the completion of the series the presence of a signal is judged by comparing the sum of exceedances with a threshold number [6].

Преимущества этого способа максимально реализуются, если прием отраженного сигнала производят с помощью лавинного фотодиода, обладающего по сравнению с другими приемниками наилучшей пороговой чувствительностью [7]. Однако в оптимальном по чувствительности режиме лавинного умножения возможно образование взрывных («телеграфных») шумов, обусловленных микроплазменными пробоями (микроплазмами) в полупроводниковом переходе фотодиода [8]. 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 [9]. В таком режиме шум лавинного фотодиода состоит из двух независимых составляющих - нормального шума [7] и взрывного шума микроплазм. Микроплазменная составляющая шума фотодиода не сопоставима по статистическим характеристикам с нормальной составляющей и ее участие в процессе регулирования смещения фотодиода непредсказуемо [10].The advantages of this method are realized to the maximum if the reflected signal is received using an avalanche photodiode, which has the best threshold sensitivity compared to other receivers [7]. However, in the optimum sensitivity mode of avalanche multiplication, the formation of explosive (“telegraph”) noises caused by microplasma breakdowns (microplasmas) in the semiconductor junction of the photodiode is possible [8]. Microplasma current pulses have a rectangular shape and a constant amplitude, which increases as the reverse voltage increases. An increase in the amplitude is accompanied by an increase in the duration of the pulses and a decrease in the duty cycle [9]. In this mode, the noise of an avalanche photodiode consists of two independent components - normal noise [7] and explosive noise of microplasmas. The microplasma component of the photodiode noise is not statistically comparable with the normal component, and its participation in the process of controlling the photodiode bias is unpredictable [10].

Задачей изобретения является обеспечение максимальной вероятности обнаружения светолокационных сигналов методом накопления при наличии микроплазм, возникающих при лавинном умножении сигнала в фотодиоде.The objective of the invention is to ensure the maximum probability of detecting light-location signals by the accumulation method in the presence of microplasmas arising from the avalanche multiplication of the signal in the photodiode.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе некогерентного накопления светолокационных сигналов, включающем серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней с учетом весового коэффициента уровня, по которой судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, прием отраженных сигналов осуществляют с помощью лавинного фотодиода в N каналах задержки отраженного сигнала, характеризуемых временной длительностью канала т и диапазоном измерения задержки Т=Nτ, где N - количество каналов, предварительно устанавливают оптимальный по отношению сигнал/шум коэффициент лавинного умножения фотодиода Mopt, затем, управляя напряжением смещения фотодиода, уменьшают частоту fm до предельно допустимого уровня fm *, в этом режиме определяют среднюю длительность микроплазменных импульсов tm, минимальную амплитуду Um min микроплазменных импульсов, устанавливают дополнительный пороговый уровень Uп согласно условию Uп<Um min и если в текущем канале задержки выброс смеси сигнала и шума превышает порог Uп, то в данном цикле накопления обработку сигнала в этом канале блокируют.This problem is solved due to the fact that in the known method of incoherent accumulation of light-location signals, including a series of probing cycles, in each probing cycle, receiving the reflected signal and comparing the received signal with analog threshold levels, accumulating the sum of exceedances of analog threshold levels, taking into account the weighting coefficient of the level, by which the presence of a signal is judged by comparing the sum of excesses with a threshold number, the reception of reflected signals is carried out using an avalanche photodiode in N channels of the reflected signal delay, characterized by the time duration of the channel t and the delay measurement range T=Nτ, where N is the number of channels, pre-set the optimal according to the signal-to-noise ratio, the avalanche multiplication coefficient of the photodiode M opt , then, by controlling the bias voltage of the photodiode, the frequency f m is reduced to the maximum allowable level f m * , in this mode the average duration of microplasma pulses t m , the minimum a amplitude U m min of microplasma pulses, an additional threshold level U p is set according to the condition U p <U m min , and if in the current delay channel the emission of a mixture of signal and noise exceeds the threshold U p , then signal processing in this channel is blocked in this accumulation cycle.

Предельно допустимый уровень частоты микроплазменных импульсов fm * можно устанавливать согласно зависимости

Figure 00000001
где
Figure 00000002
- допустимое количество микроплазм в одном канале накопления за один цикл; K - количество циклов накопления; т - временная ширина канала накопления; Kпор - пороговое значение накопленной суммы в одном канале, при котором принимается решение о наличии сигнала (пороговое число);
Figure 00000003
- коэффициент, обеспечивающий условие Qш+Qм≤Q; Q - вероятность пропуска сигнала (вероятность необнаружения); Qш - составляющая вероятности пропуска сигнала, обусловленная флуктуационным шумом; Qм - вероятности пропуска сигнала, обусловленная влиянием микроплазм.The maximum permissible level of the frequency of microplasma pulses f m * can be set according to the dependence
Figure 00000001
where
Figure 00000002
- allowable amount of microplasmas in one accumulation channel in one cycle; K is the number of accumulation cycles; m is the time width of the accumulation channel; K then - the threshold value of the accumulated amount in one channel, at which a decision is made about the presence of a signal (threshold number);
Figure 00000003
- coefficient providing the condition Q w +Q m ≤Q; Q is the probability of signal skipping (probability of non-detection); Q w - component of the probability of signal skipping due to fluctuation noise; Q m - the probability of skipping the signal, due to the influence of microplasmas.

Для обеспечения стабильности обнаружительных характеристик в широком диапазоне условий можно предварительно устанавливать аналоговые пороговые уровни относительно нулевого уровня в режиме шумовой автоматической регулировки путем накопления суммы превышений аналоговых пороговых уровней в отсутствие сигнала, смещения относительного положения нулевого уровня и пороговых уровней так, чтобы накопленное суммарное количество превышений пороговых уровней было минимальным, после чего поддерживают это относительное положение уровней в течение времени накопления сигналов.To ensure the stability of the detection characteristics in a wide range of conditions, it is possible to pre-set the analog threshold levels relative to the zero level in the mode of automatic noise control by accumulating the sum of analog threshold exceedances in the absence of a signal, shifting the relative position of the zero level and threshold levels so that the accumulated total number of threshold exceedances levels was minimal, after which this relative position of the levels is maintained during the signal accumulation time.

На фиг. 1 представлен пример смеси сигнала с шумом и два аналоговых порога, установленных симметрично относительно нулевого уровня.In FIG. 1 shows an example of a signal-to-noise mixture and two analog thresholds set symmetrically about the zero level.

На фиг. 2 показан пример блокировки сигнала при возникновении микроплазменных импульсов, превышающих порог Uп.In FIG. 2 shows an example of signal blocking when microplasma pulses occur that exceed the threshold U p .

На фиг. 3 приведена структурная схема способа.In FIG. 3 is a block diagram of the method.

Смесь принятого сигнала и шума (фиг. 1) образует реализацию случайного процесса, подвергаемую анализу путем сравнения с одним или несколькими аналоговыми порогами. В двухуровневом варианте эту реализацию сравнивают с аналоговыми порогами, расположенными симметрично относительно нулевого уровня (фиг. 1). Если в данном цикле зондирования в какой-либо временной дискрете реализация 3 пересекает положительный пороговый уровень u+ вверх, то регистрируют это генерацией и добавлением к накапливаемой сумме числа +1, а если реализация пересекает отрицательный пороговый уровень u- вниз, то к накапливаемой сумме добавляют число минус 1. По окончании серии из K зондирований сравнивают накопленную сумму k с пороговым числом Kпор и, в случае превышения этого числа, принимают решение о наличии сигнала в данной дискрете времени.The mixture of the received signal and noise (FIG. 1) forms an implementation of the random process, which is analyzed by comparison with one or more analog thresholds. In a two-level version, this implementation is compared with analog thresholds located symmetrically with respect to the zero level (Fig. 1). If in a given probing cycle in any time interval implementation 3 crosses the positive threshold level u + up, then this is recorded by generating and adding the number +1 to the accumulated sum, and if the implementation crosses the negative threshold level u - down, then the accumulated amount is added number minus 1. At the end of a series of K soundings, the accumulated sum k is compared with the threshold number K then, and, if this number is exceeded, a decision is made about the presence of a signal in a given time interval.

Шумовой процесс характеризуется среднеквадратическим значением σ. В приведенном примере фиг. 1 амплитуда сигнала А равна среднеквадратическому значению шума [11]. Величины положительного и отрицательного порогов u+ и u- составляют u+=+0,5 σ и u-=-0,5 σ. Одна дискрета времени τ=10-8 с. Длительность сигнала по уровню 0,5 занимает около трех дискрет. Полоса пропускания линейного тракта согласована с шириной спектра сигнала. При отсутствии сигнала вероятности пересечения шумовым процессом положительного и отрицательного порогов соответственно вверх и вниз равны, следовательно, в отсутствие сигнала средняя величина М(n0) накопленной суммы n0 равна нулю.The noise process is characterized by the rms value σ. In the example shown in FIG. 1, the signal amplitude A is equal to the rms value of the noise [11]. The values of the positive and negative thresholds u + and u - are u + =+0.5 σ and u - =-0.5 σ. One time step τ=10 -8 s. The duration of the signal at a level of 0.5 takes about three discretes. The bandwidth of the linear path is matched to the width of the signal spectrum. In the absence of a signal, the probabilities of crossing the positive and negative thresholds by the noise process up and down, respectively, are equal, therefore, in the absence of a signal, the average value M(n 0 ) of the accumulated sum n0 is equal to zero.

Существенным критерием является эффективность Е накопления, представляющая собой улучшение отношения сигнал/шум на входе и выходе накопителя:An essential criterion is the accumulation efficiency E, which is an improvement in the signal-to-noise ratio at the input and output of the storage:

Figure 00000004
Figure 00000004

где М(k) - средняя величина накопленной суммы k;where M(k) - the average value of the accumulated amount k;

σK - среднеквадратическое отклонение накопленной суммы k после K циклов накопления;σ K is the standard deviation of the accumulated amount k after K accumulation cycles;

А - амплитуда сигнала на входе накопителя;A is the signal amplitude at the accumulator input;

σ - среднеквадратическое значение входного шума.σ is the rms value of the input noise.

Исследована [11] зависимость эффективности накопления от относительной величины пороговых уровней u/σ при их симметричном положении от нулевого уровня (фиг. 1). При оптимальном положении пороговых уровней двухуровневый и четырехуровневый режимы накопления с симметричным размещением пороговых уровней по эффективности приближаются к теоретическому пределуThe dependence of the accumulation efficiency on the relative value of the threshold levels u/σ at their symmetrical position from the zero level was studied [11] (Fig. 1). At the optimal position of the threshold levels, the two-level and four-level accumulation modes with a symmetrical placement of the threshold levels approach the theoretical limit in terms of efficiency

Существует оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М, которое в отсутствие микроплазм можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока:There is an optimal value of the avalanche multiplication factor M, which, in the absence of microplasmas, can be determined as follows. At the output of the avalanche photodiode, the equivalent square of the noise current acts:

Figure 00000005
Figure 00000005

где I0 2 - квадрат неумножаемого шумового тока;where I 0 2 is the square of the non-multiplied noise current;

Figure 00000006
Figure 00000006

е - заряд электрона;e is the electron charge;

I1 - первичный обратный ток фотодиода;I 1 - primary reverse current of the photodiode;

Δf - полоса пропускания приемного тракта до входа порогового устройства;Δf - bandwidth of the receiving path to the input of the threshold device;

М - коэффициент лавинного умножения;M - coefficient of avalanche multiplication;

Мα - шум-фактор лавинного умножения;M α - noise factor of avalanche multiplication;

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.α - coefficient determined by the material of the photodiode.

Квадрат W отношения шум/сигналNoise/Signal Ratio W Squared

Figure 00000007
Figure 00000007

где JМ 2=2eI1Δf.where J M 2 =2eI 1 Δf.

Figure 00000008
Figure 00000008

Условие нуля производнойZero Derivative Condition

Figure 00000009
Figure 00000009

или or

Figure 00000010
Figure 00000010

откуда

Figure 00000011
where
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

Задача настоящего изобретения решается благодаря процедуре аппаратной интерпретации микроплазм не как ложных тревог, а как факторов пропуска сигнала. За счет этого приема можно допустить более высокую вероятность микроплазм и, тем самым, поддерживать коэффициент лавинного умножения ближе к оптимальному уровню (6). Фиг. 2 иллюстрирует принцип блокирования смеси сигнала и флуктуационного шума путем выявления выбросов, превышающих дополнительный порог UM.The task of the present invention is solved due to the procedure of hardware interpretation of microplasmas not as false alarms, but as signal skipping factors. Due to this technique, a higher probability of microplasmas can be assumed and, thus, the avalanche multiplication factor can be maintained closer to the optimal level (6). Fig. 2 illustrates the principle of blocking a mixture of signal and jitter by detecting outliers that exceed the additional threshold UM.

На фиг. 3 показан пример двухпороговой структуры для реализации способа.In FIG. 3 shows an example of a two-threshold structure for implementing the method.

Эта локационная структура содержит передающий канал 1, фотоприемный канал 2, ключ 3 и дополнительное пороговое устройство 4, выход которого подключен к управляющему входу ключа. На выходе ключа находятся пороговые устройства u+ 5 и u- 6, показанные на фиг. 1. Их выходы подключены к входам многоканального накопителя 7, на выходе которого установлен цифровой блок обнаружения и временной фиксации сигнала 8. Управление этой структурой и ее синхронизация осуществляется блоком управления 9.This location structure contains a transmitting channel 1, a photoreceiving channel 2, a key 3 and an additional threshold device 4, the output of which is connected to the control input of the key. At the output of the key there are threshold devices u + 5 and u - 6 shown in Fig. 1. Their outputs are connected to the inputs of a multichannel storage 7, at the output of which a digital block for detecting and temporarily fixing a signal 8 is installed. This structure is controlled and synchronized by the control unit 9.

По команде от блока управления передающий канал излучает на цель серию K зондирующих импульсов. Одновременно запускается синхронизация многоканального накопителя 7, переключая его ячейки накопления с временной дискретностью т (фиг. 1). Отраженные целью сигналы принимаются фотоприемным каналом 2, на выходе которого образуется смесь отраженного сигнала и флуктуационного шума, через открытый ключ 3 поступающие на входы пороговых устройств 5 и 6. Выбросы шума в смеси с сигналом вызывают срабатывание одного из пороговых устройств, формирующих импульс «1», если срабатывает устройство 5 с порогом u+ и импульс «-1», если срабатывает устройство 6 с порогом u-. Импульсы «1» и «-1» поступают согласно своей задержке в соответствующую ячейку накопителя 7. Если в смеси сигнала с шумом присутствует импульс микроплазмы, превышающий порог uM, на выходе дополнительного порогового устройства 4 формируется импульс запрета, закрывающий ключ 3, препятствуя, тем самым прохождению импульса микроплазмы на пороговые устройства 5 и 6. По завершении серии К циклов зондирования цифровой блок обнаружения и временной фиксации сигнала 8 осуществляет поиск ячеек накопителя с суммой, превышающей цифровой порог Kпор. При наложении сигнального импульса на микроплазму суммарный выброс идентифицируется как сигнал, то есть потери информации в этом случае не происходит. Если сигнал занимает несколько ячеек, то его временную привязку осуществляют по методикам, описанным, например, в [11-13].On command from the control unit, the transmitting channel emits a series of K probing pulses to the target. Simultaneously, synchronization of the multichannel storage device 7 is started, switching its accumulation cells with a time resolution t (Fig. 1). The signals reflected by the target are received by the photodetector channel 2, at the output of which a mixture of the reflected signal and fluctuation noise is formed, through the open key 3 entering the inputs of the threshold devices 5 and 6. Emissions of noise in the mixture with the signal cause the operation of one of the threshold devices that form the pulse "1" if device 5 is triggered with threshold u + and pulse "-1" if device 6 is triggered with threshold u - . Pulses "1" and "-1" arrive according to their delay in the corresponding cell of the accumulator 7. If in the signal-noise mixture there is a microplasma pulse exceeding the threshold u M , an inhibition pulse is formed at the output of the additional threshold device 4, which closes the key 3, preventing thereby passing the microplasma pulse to the threshold devices 5 and 6. Upon completion of a series of K cycles of probing, the digital block for detecting and temporarily fixing the signal 8 searches for storage cells with a sum exceeding the digital threshold K then . When a signal pulse is applied to the microplasma, the total surge is identified as a signal, i.e. no information loss occurs in this case. If the signal occupies several cells, then its timing is carried out according to the methods described, for example, in [11-13].

Произведена оценка требуемого объема аппаратуры, необходимой для реализации способа. Для двухуровневого накопления при указанных данных в каждом канале дальности необходимо иметь возможность накопления до превышения цифрового порога Kпор на (3-4) σK. При оптимальном положении аналоговых уровней |u+|=|u-|~0,5σ (фиг. 1) и объеме накопления K=200 среднеквадратическое отклонение накопленной суммы σK~10, и минимальный объем суммирующего устройства Kмакс~4σK=40<26. Объем суммирующего устройства при бинарном накоплении с оптимальным положением порогового уровня оценивается по формуле

Figure 00000013
Для рассмотренного примера K=200 эта величина составит
Figure 00000014
то есть на два двоичных разряда больше по сравнению с двухуровневым накоплением.The required amount of equipment necessary for the implementation of the method has been estimated. For two-level accumulation with the specified data in each range channel, it is necessary to be able to accumulate until the digital threshold K then is exceeded by (3-4) σ K . With the optimal position of the analog levels |u + |=|u - |~0.5σ (Fig. 1) and the accumulation volume K=200, the standard deviation of the accumulated sum σ K ~10, and the minimum volume of the adder K max ~4σ K =40 <2 6 . The volume of the summing device during binary accumulation with the optimal position of the threshold level is estimated by the formula
Figure 00000013
For the considered example K=200, this value will be
Figure 00000014
that is, two more bits compared to two-level accumulation.

Пропуск сигнала, характеризуемый вероятностью Qш и появление микроплазмы, характеризуемое вероятностью QМ, представляют собой взаимно независимые события [3], поэтому заданную вероятность пропуска сигнала Q=1-D за контрольный интервал времени τ можно представить в виде суммы Q=Qш+Qм, где D - вероятность правильного обнаружения сигнала.The signal skip, characterized by the probability Q w and the appearance of microplasma, characterized by the probability Q M , are mutually independent events [3], therefore, the given probability of the signal skip Q=1-D for the control time interval τ can be represented as the sum Q=Q w + Q m , where D is the probability of correct signal detection.

При выборе условийWhen choosing conditions

Figure 00000015
Figure 00000015

и and

Figure 00000016
Figure 00000016

можно практически полностью устранить влияние микроплазм на обнаружительные характеристики.it is possible to almost completely eliminate the influence of microplasmas on the detection characteristics.

Условие (8) равносильно соотношениюCondition (8) is equivalent to the relation

Figure 00000017
Figure 00000017

где m - допустимое количество микроплазм в одном канале накопления за цикл обнаружения;where m is the allowable amount of microplasmas in one accumulation channel per detection cycle;

Kпор - пороговое значение накопленной суммы в одном канале, при котором принимается решение о наличии сигнала;K then - the threshold value of the accumulated sum in one channel, at which a decision is made about the presence of a signal;

Figure 00000018
- коэффициент, обеспечивающий условие (7).
Figure 00000018
- coefficient providing condition (7).

Накопленная сумма k является случайной величиной с математическим ожиданием, соответствующим уровню принимаемого сигнала и при пороговом значении этой величины k=Kпор со среднеквадратическим отклонением

Figure 00000019
The accumulated sum k is a random variable with the mathematical expectation corresponding to the level of the received signal and at the threshold value of this value k=K then with the standard deviation
Figure 00000019

Критическое количество микроплазм в одном канале накопления m не должно существенно влиять на статистику накопленной суммы, обусловленной сигналом, что отмечается выражением (9).The critical amount of microplasmas in one accumulation channel m should not significantly affect the statistics of the accumulated amount due to the signal, which is indicated by expression (9).

Пример.Example.

Объем накопления K=200; установленный порог

Figure 00000020
количество каналов накопления N=104; ширина канала τ=10-8 с; коэффициент
Figure 00000021
Accumulation volume K=200; set threshold
Figure 00000020
the number of accumulation channels N=10 4 ; channel width τ=10 - 8 s; coefficient
Figure 00000021

При этих условиях среднее количество микроплазм на канал за все время накопления:Under these conditions, the average number of microplasmas per channel for the entire accumulation time:

Figure 00000022
Figure 00000022

Среднее количество микроплазм на канал за один цикл:Average number of microplasmas per channel per cycle:

Figure 00000023
Figure 00000023

Длительность цикла накопления Т=Nτ=104⋅10-8=10-4 с. Допустимая частота микроплазм:The duration of the accumulation cycle Т=Nτ=10 4 ⋅10 -8 =10 -4 s. Permissible frequency of microplasmas:

Figure 00000024
Figure 00000024

Таким образом, обеспечивается задача изобретения - достижение теоретически предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев, следующих с частотой до 200 кГц.Thus, the task of the invention is ensured - the achievement of theoretically limiting sensitivity in all operating conditions, taking into account microplasma breakdowns following with a frequency of up to 200 kHz.

Предлагаемый способ некогерентного накопления сигналов обеспечивает максимальную вероятность обнаружения сигналов при минимальном объеме аппаратуры и может быть реализован в портативных лазерных дальномерах.The proposed method of incoherent signal accumulation provides the maximum probability of detecting signals with a minimum amount of equipment and can be implemented in portable laser rangefinders.

Источники информацииSources of information

1. Я.Д. Ширман, В.Н. Голиков «Основы теории обнаружения радиолокационных сигналов и измерения их параметров». Изд. «Советское радио», М., 1963 г., с. 179.1. Ya.D. Shirman, V.N. Golikov "Fundamentals of the theory of detection of radar signals and measurement of their parameters." Ed. "Soviet radio", M., 1963, p. 179.

2. Я.Д. Ширман, В.Н. Манжос «Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех». Изд. «Радио и связь», М., 1981 г., с. 81-83.2. Ya.D. Shirman, V.N. Manzhos "Theory and technique of processing radar information against the background of interference." Ed. "Radio and communication", M., 1981, p. 81-83.

3. В.Е. Гмурман «Теория вероятностей и математическая статистика». Изд. «Высшая школа», М., 1977 г. 3. V.E. Gmurman, Probability Theory and Mathematical Statistics. Ed. "Higher School", M., 1977

4. В.Г. Вильнер Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. Оптико-механическая промышленность, 1984 г., №5.4. V.G. Vilner Design of threshold devices with noise threshold stabilization. Optical-mechanical industry, 1984, No. 5.

5. Патент WO 2005/006016 A1 "Laser rangefinder and method thereof.5. Patent WO 2005/006016 A1 "Laser rangefinder and method thereof.

6. Патент РФ №2359226 по з-ке №2007137271 от 10.10.2007. «Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов». - Прототип.6. Patent of the Russian Federation No. 2359226 according to z-ke No. 2007137271 dated 10.10.2007. "Method of incoherent accumulation of light-location signals". - Prototype.

7. 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. Vilner V.G., Leichenko Yu.A., Motenko B.N. Analysis of the input circuit of a photodetector with an avalanche photodiode and anti-noise correction. Optical-mechanical industry, 1981, No. 9, - p. 59.

8. Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007.8. Filachev A.M., Taubkin I.I., Trishenkov M.A. Solid state photoelectronics. Physical bases. Moscow, Fizmatgiz. 2007.

9. 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, 1975.9. Vishnevsky A.I., Rudenko V.S., Platonov A.P. Power ion and semiconductor devices. Textbook for universities. Edited by V.S. Rudenko. Moscow, Higher School, 1975.

10. 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. 864-871.10. Shashkina A.S. Avalanche breakdown of a p-n junction in radio engineering problems - Scientific and Technical Bulletin of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2016, vol. 16, no. 5, p. 864-871.

11. Вильнер В.Г. и др. Оценка возможностей светолокационного импульсного измерителя дальности с накоплением. Фотоника, 2007, №6, с. 22-27.11. Vilner V.G. Evaluation of the possibilities of a light-location pulsed range meter with accumulation. Photonics, 2007, No. 6, p. 22-27.

12. Патент РФ №2390724. «Способ светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления».12. RF patent No. 2390724. "Method for light-location determination of range by the method of incoherent accumulation".

13. Патент РФ №2469269. «Способ определения дальности».13. RF patent No. 2469269. "Method of determining the range."

Claims (3)

1. Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов, включающий серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней с учетом весового коэффициента уровня, по которой судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, отличающийся тем, что прием отраженных сигналов осуществляют с помощью лавинного фотодиода в N каналах задержки отраженного сигнала, характеризуемых временной длительностью канала τ и диапазоном измерения задержки Т=Nτ, где N - количество каналов, предварительно устанавливают оптимальный по отношению сигнал/шум коэффициент лавинного умножения фотодиода Mopt, затем, управляя напряжением смещения фотодиода, уменьшают частоту fm до предельно допустимого уровня fm*, в этом режиме определяют среднюю длительность микроплазменных импульсов tm, минимальную амплитуду Um min микроплазменных импульсов, устанавливают дополнительный пороговый уровень Uп согласно условию Uп<Um min, и если в текущем канале задержки выброс смеси сигнала и шума превышает порог Uп, то в данном цикле накопления обработку сигнала в этом канале блокируют.1. A method for incoherent accumulation of light-location signals, including a series of probing cycles, in each probing cycle, receiving a reflected signal and comparing the received signal with analog threshold levels, accumulating the sum of exceedances of analog threshold levels, taking into account the weighting factor of the level, which is used to judge the presence of a signal by comparing the sum exceedances with a threshold number, characterized in that the reception of reflected signals is carried out using an avalanche photodiode in N channels of the reflected signal delay, characterized by the time duration of the channel τ and the delay measurement range T=Nτ, where N is the number of channels, pre-set the optimal signal / noise photodiode avalanche multiplication factor M opt , then, by controlling the bias voltage of the photodiode, reduce the frequency f m to the maximum allowable level f m *, in this mode determine the average duration of microplasma pulses t m , the minimum amplitude U m min microplasma pulses, set an additional threshold level U p according to the condition U p <U m min , and if in the current delay channel the emission of a mixture of signal and noise exceeds the threshold U p , then in this accumulation cycle, signal processing in this channel is blocked. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предельно допустимый уровень частоты микроплазменных импульсов fm* устанавливают согласно зависимости
Figure 00000025
где
Figure 00000026
- допустимое количество микроплазм в одном канале накопления за один цикл; K - количество циклов накопления; τ - временная ширина канала накопления; Kпор - пороговое значение накопленной суммы в одном канале, при котором принимается решение о наличии сигнала (пороговое число);
Figure 00000027
- коэффициент, обеспечивающий условие Qш+Qм<Q; Q - вероятность пропуска сигнала (вероятность необнаружения); Qш - составляющая вероятности пропуска сигнала, обусловленная флуктуационным шумом; Qм - вероятности пропуска сигнала, обусловленная влиянием микроплазм.
2. The method according to p. 1, characterized in that the maximum permissible level of the frequency of microplasma pulses f m * is set according to the dependence
Figure 00000025
where
Figure 00000026
- allowable amount of microplasmas in one accumulation channel in one cycle; K is the number of accumulation cycles; τ - time width of the accumulation channel; K then - the threshold value of the accumulated amount in one channel, at which a decision is made about the presence of a signal (threshold number);
Figure 00000027
- coefficient providing the condition Q w +Q m <Q; Q is the probability of signal skipping (probability of non-detection); Q w - component of the probability of signal skipping due to fluctuation noise; Q m - the probability of skipping the signal, due to the influence of microplasmas.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно устанавливают аналоговые пороговые уровни относительно нулевого уровня в режиме шумовой автоматической регулировки путем накопления суммы превышений аналоговых пороговых уровней в отсутствие сигнала, смещения относительного положения нулевого уровня и пороговых уровней так, чтобы накопленное суммарное количество превышений пороговых уровней было минимальным, после чего поддерживают это относительное положение уровней в течение времени накопления сигналов.3. The method according to claim 1, characterized in that the analog threshold levels are preliminarily set relative to the zero level in the noise automatic adjustment mode by accumulating the sum of the excesses of the analog threshold levels in the absence of a signal, shifting the relative position of the zero level and the threshold levels so that the accumulated total number exceeding the threshold levels was minimal, after which this relative position of the levels is maintained during the signal accumulation time.
RU2022116044A 2022-06-15 Method for incoherent accumulation of light-location signals RU2788940C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2788940C1 true RU2788940C1 (en) 2023-01-26

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2810710C1 (en) * 2023-10-11 2023-12-28 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for accumulating light-location signals

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2359226C1 (en) * 2007-10-10 2009-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method of incoherent accumulation of light-detecting signals
CN113093214A (en) * 2021-04-14 2021-07-09 深圳煜炜光学科技有限公司 Method and device for measuring distance by pulse laser
RU2755602C1 (en) * 2020-11-26 2021-09-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for threshold detection of optical signals
JP2022050239A (en) * 2020-09-17 2022-03-30 株式会社東芝 Device and method for measuring distance

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2359226C1 (en) * 2007-10-10 2009-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method of incoherent accumulation of light-detecting signals
JP2022050239A (en) * 2020-09-17 2022-03-30 株式会社東芝 Device and method for measuring distance
RU2755602C1 (en) * 2020-11-26 2021-09-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for threshold detection of optical signals
CN113093214A (en) * 2021-04-14 2021-07-09 深圳煜炜光学科技有限公司 Method and device for measuring distance by pulse laser

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
М.А. Асаёнок и др. "Усиление фототока лавинными фотоприемниками при микроплазменном пробое". Успехи прикладной физики, 2020, том 8, N 2. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2810710C1 (en) * 2023-10-11 2023-12-28 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for accumulating light-location signals

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9835490B2 (en) Discriminating photo counts and dark counts in an avalanche photodiode
Sonnenschein et al. Radiometric detection of spread-spectrum signals in noise of uncertain power
CN113534107A (en) Detection circuit with adjustable output pulse width, receiving unit and laser radar
US20210373156A1 (en) Optical distance measuring apparatus
RU2788940C1 (en) Method for incoherent accumulation of light-location signals
US3775770A (en) Method and means for performing distribution-free detection of signals in noise
RU2791151C1 (en) Method for incoherent accumulation of pulsed light-location signals
RU179509U1 (en) Correlation Filter Detector
Lim Constant fraction discriminator involving automatic gain control to reduce time walk
RU2792086C1 (en) Method for pulse location ranging
RU2791186C1 (en) Laser pulse rangefinder
RU2359226C1 (en) Method of incoherent accumulation of light-detecting signals
US20210088661A1 (en) Photodetector and optical ranging apparatus using the same
RU2518052C2 (en) Method of stabilising false alarm probability (versions) and device for realising said method (versions)
RU2778629C1 (en) Method for threshold detection of optical signals
RU2810710C1 (en) Method for accumulating light-location signals
RU2778047C1 (en) Method for receiving optical signals
US20220221563A1 (en) Method for operating a photodiode and device for carrying out the method
RU2778048C1 (en) Method for receiving pulsed optical signals
RU2791438C1 (en) Method for isolating optical pulses
RU2292114C2 (en) Method for threshold control in optimal detector
RU2794995C1 (en) Method for temporary accumulation of radio navigation signals with adaptive interval distribution
EP3683597A1 (en) Proximity detection device and method
Hallman et al. Note: Detection jitter of pulsed time-of-flight lidar with dual pulse triggering
CN111142076B (en) Power control method for improving radar low-interception performance