RU2791151C1 - Method for incoherent accumulation of pulsed light-location signals - Google Patents

Method for incoherent accumulation of pulsed light-location signals Download PDF

Info

Publication number
RU2791151C1
RU2791151C1 RU2022116046A RU2022116046A RU2791151C1 RU 2791151 C1 RU2791151 C1 RU 2791151C1 RU 2022116046 A RU2022116046 A RU 2022116046A RU 2022116046 A RU2022116046 A RU 2022116046A RU 2791151 C1 RU2791151 C1 RU 2791151C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
threshold
channel
accumulation
range
Prior art date
Application number
RU2022116046A
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 RU2791151C1 publication Critical patent/RU2791151C1/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 by means of avalanche photodiodes. The substance of the claimed method for incoherent accumulation of pulsed light-location signals is as follows. In each K-th probing cycle, the reflected signal is received in N range channels, in which the received signal is compared with one or more analog threshold levels, and the sum of excesses of these levels is accumulated, taking into account the level weighting factor. The presence of a signal in a particular channel is detected by comparing the sum of excesses with a threshold number. Then, reflected signals are received by means of an avalanche photodiode, in the preparatory mode, in the absence of probing laser pulses, the optimal avalanche multiplication factor Mopt of the photodiode is set for the operating mode, at which the signal-to-noise ratio is maximum. Next, in the Mopt mode, the presence of microplasma pulses is detected and the minimum amplitude of microplasma pulses UMmin is determined, an additional threshold level UM is set, after which they switch to the signal accumulation operating mode, in which weighted sums Σj of operating threshold excesses are accumulated in each j-th range channel. In this case, in parallel, in each j-th range channel, the sums ΣMj of exceeding the UM level are accumulated. At the end of a series of probing cycles in each range channel, the difference values ΔΣjj-EMj are calculated. In the event that ΔΣj exceeds the set threshold number, then a decision is made about the presence of a signal in a given range channel and the distance to the target is judged by the number of this range channel.
EFFECT: ensuring the maximum probability of detecting light-location signals by the accumulation method, regardless of the microplasmas arising during the avalanche multiplication of the signal in the photodiode.
4 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 импульсных светолокационных сигналов, включающем K циклов зондирования цели лазерными импульсами, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала в N каналах дальности, где N=Rmax/ΔR, Rmax - диапазон измеряемых дальностей, ΔR=с τ/2, с - скорость света, τ - тактовый период измерителя задержки отраженного сигнала, в каждом канале дальности сравнение принятого сигнала с одним или несколькими аналоговыми рабочими пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней с учетом весового коэффициента уровня, по которой судят о наличии сигнала в этом канале путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, принимают отраженные сигналы с помощью лавинного фотодиода, в подготовительном режиме в отсутствие зондирующих лазерных импульсов устанавливают для рабочего режима оптимальный коэффициент лавинного умножения Мопт фотодиода, при котором отношение сигнал/шум максимально, в режиме Мопт выявляют наличие импульсов микроплазм и определяют минимальную амплитуду импульсов микроплазм UMmin, устанавливают дополнительный пороговый уровень UM в пределах Ucmax<UM<UMmin, где Ucmax - максимальная ожидаемая амплитуда сигнала, после чего переходят в рабочий режим накопления сигнала, в каждом j-м канале дальности накапливают взвешенные суммы Σj превышений рабочих порогов, параллельно в каждом j-м канале дальности накапливают суммы ΣMj превышений уровня UM, по окончании серии циклов зондирования в каждом канале дальности вычисляют разностные величины ΔΣjjMj и, если ΔΣj превышает заранее установленное пороговое число, то принимают решение о наличии сигнала в данном канале дальности и по номеру этого канала дальности судят о дальности до цели.This problem is solved due to the fact that in the known method of incoherent accumulation of pulsed light-location signals, including K cycles of probing the target with laser pulses, in each probing cycle, the reception of the reflected signal in N range channels, where N=R max /ΔR, R max is the range of measured distances, ΔR=s τ/2, s is the speed of light, τ is the clock period of the reflected signal delay meter, in each range channel, comparison of the received signal with one or more analog operating threshold levels, accumulation of the sum of excesses of the analog threshold levels, taking into account the weighting coefficient of the level , according to which the presence of a signal in this channel is judged by comparing the sum of excesses with a threshold number, the reflected signals are received using an avalanche photodiode, in the preparatory mode, in the absence of probing laser pulses, the optimal avalanche multiplication coefficient M opt of the photodiode is set for the operating mode, at which the signal ratio /noise maximum , in M opt mode, the presence of microplasma pulses is detected and the minimum amplitude of microplasma pulses U Mmin is determined, an additional threshold level U M is set within U cmax <U M <U Mmin , where U cmax is the maximum expected signal amplitude, after which they switch to the operating mode signal accumulation, in each j-th range channel accumulate weighted sums Σ j of exceedances of operating thresholds, in parallel in each j-th range channel accumulate sums Σ Mj of level exceedances U M , at the end of a series of probing cycles in each range channel calculate the difference values ΔΣ jjMj and, if ΔΣ j exceeds a predetermined threshold number, then a decision is made about the presence of a signal in a given range channel and the distance to the target is judged by the number of this range channel.

Оптимальный режим Mopt устанавливают, включая безлавинный режим смещения фотодиода М=1, затем устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства f<<f0, где f0 - частота пересечения шумом нулевого уровня, после этого увеличивают порог в

Figure 00000001
раз, где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=Мα, порог
Figure 00000002
фиксируют и с помощью напряжения смещения фотодиода устанавливают такой коэффициент лавинного умножения М=Мопт, при котором частота fM шумовых превышений порога UM становится равной частоте f в безлавинном режиме М=1 при пороге U, по достижении частоты fM=f фиксируют достигнутый коэффициент лавинного умножения М=Мопт и включают рабочий режим приема сигналов.The optimal mode M opt is set, including the avalanche-free bias mode of the photodiode M=1, then the response threshold U is set at a level corresponding to the frequency of noise responses of the threshold device f<<f 0 , where f 0 is the frequency of the noise crossing the zero level, then the threshold is increased in
Figure 00000001
times, where α is the noise factor parameter of the avalanche multiplication F=M α , threshold
Figure 00000002
fix and using the bias voltage of the photodiode set such an avalanche multiplication factor M=M opt at which the frequency f M noise exceeding the threshold U M becomes equal to the frequency f in the avalanche-free mode M=1 at the threshold U, when the frequency f M =f is reached, the achieved avalanche multiplication factor M=M opt and include the operating mode of signal reception.

Если амплитуда сигнала в рабочем режиме превышает пороговый уровень UM, то уменьшают коэффициент лавинного умножения до уровня 1≤М≤Мопт, при котором нелинейные искажения сигнала минимальны.If the amplitude of the signal in the operating mode exceeds the threshold level U M then reduce the avalanche multiplication factor to the level 1≤M≤M opt at which the nonlinear distortion of the signal is minimal.

Если в каком-либо из каналов дальности регистрируется сигнал в двух циклах накопления подряд, то принимают решение о наличии цели в данном канале и прекращают накопление, при этом вероятность появления двух подряд микроплазм в любом канале дальности не должна превышать величины W2N=W2⋅N<(1-D), где W2 - вероятность двух подряд микроплазм в одном канале дальности; N - число каналов дальности; D - заданная вероятность правильного обнаружения сигнала.If a signal is recorded in any of the range channels in two accumulation cycles in a row, then a decision is made about the presence of a target in this channel and accumulation is stopped, while the probability of the appearance of two microplasmas in a row in any range channel should not exceed the value W 2N =W 2 ⋅ N<(1-D), where W 2 is the probability of two microplasmas in a row in one range channel; N is the number of range channels; D is the given probability of correct detection of the signal.

На фиг. 1 представлена циклограмма способа. На фиг. 2 - характер смеси сигнала и флуктуационного шума на входе двухпорогового амплитудного анализатора. На фиг. 3 показана схема возможной аппаратурной реализации.In FIG. 1 shows the cyclogram of the method. In FIG. 2 - the nature of the mixture of signal and fluctuation noise at the input of the two-threshold amplitude analyzer. In FIG. 3 shows a diagram of a possible hardware implementation.

На первой стадии подготовительного режима (фиг. 1) напряжение смещения фотодиода соответствует коэффициенту лавинного умножения М=1. При этом преобладают флуктуационные шумы предусилителя со средним квадратом шумового тока I0 2. По частоте f превышения имеющихся пороговых уровней выбросами шума можно судить о среднеквадратическом значении шума. Для порога U известно соотношение

Figure 00000003
, где
Figure 00000004
- частота пересечения шумом нулевого порога; R''(0) - вторая производная корреляционной функции шума на входе порогового устройства R(t) при задержке t=0; σ2 - дисперсия шума I0 2 в размерности порога U.At the first stage of the preparatory mode (Fig. 1) the bias voltage of the photodiode corresponds to the avalanche multiplication factor M=1. In this case, the fluctuation noise of the preamplifier with the mean square noise current I 0 2 dominates. From the frequency f of exceeding the available threshold levels by noise emissions, one can judge the root mean square value of the noise. For the threshold U, we know the relation
Figure 00000003
, Where
Figure 00000004
- frequency of noise crossing the zero threshold; R''(0) - the second derivative of the correlation function of the noise at the input of the threshold device R(t) at a delay of t=0; σ 2 - noise variance I 0 2 in the dimension of the threshold U.

Из этого следует, что если в безлавинном режиме М=1 порогу U соответствует частота f, то при повышении порога в

Figure 00000005
раз и установлении лавинного режима, при котором увеличенному порогу соответствует та же частота f шумовых превышений, коэффициент лавинного умножения М=Мопт, обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум [14]. В первой стадии подготовительного режима в течение времени Тподг1 устанавливают порог U (фиг. 1) Во второй стадии подготовительного режима устанавливают порог
Figure 00000006
и увеличивают напряжение смещения фотодиода до тех пор, пока частота шумовых превышений снова не станет равна f. Тем самым, устанавливают оптимальный коэффициент лавинного умножения Мопт, после чего включают рабочий режим приема светолокационных сигналов.It follows from this that if in the avalanche-free mode M=1 the threshold U corresponds to the frequency f, then with an increase in the threshold in
Figure 00000005
times and the establishment of an avalanche mode, in which the increased threshold corresponds to the same frequency f of noise excesses, the avalanche multiplication factor M=M opt , provides the maximum signal-to-noise ratio [14]. In the first stage of the preparatory mode during the time T preg1, the threshold U is set (Fig. 1) In the second stage of the preparatory mode, the threshold is set
Figure 00000006
and increase the bias voltage of the photodiode until the frequency of noise excesses again becomes equal to f. Thus, the optimal avalanche multiplication factor M opt is set, after which the operating mode for receiving light signals is switched on.

В режиме приема в каждом канале дальности накапливают взвешенные суммы Σj превышений порогов с весовыми коэффициентами, соответствующими превышенным пороговым уровням [11]. Одновременно с этим процессом производят аналогичное многоканальное накопление превышений высокого порога UM, соответствующих выбросам большой амплитуды, идентифицируемым как микроплазмы. В каждом канале дальности накапливаются суммы этих превышений ΣMj. Разность этих сумм ΔΣjjMj характеризует уровень полезного сигнала, и при превышении величиной ΔΣj порогового значения принимают решение о наличии светолокационного сигнала в j-м канале дальности.In the receive mode, each range channel accumulates weighted sums Σj of threshold exceedances with weight coefficients corresponding to exceeded threshold levels [11]. Simultaneously with this process, a similar multi-channel accumulation of excesses of the high threshold U M corresponding to large-amplitude emissions, identified as microplasmas, is carried out. In each range channel, the sums of these excesses Σ Mj are accumulated. The difference between these amounts ΔΣ jjMj characterizes the level of the useful signal, and when the value of ΔΣ j exceeds the threshold value, a decision is made about the presence of a light-location signal in the j-th range channel.

В соответствии с предлагаемым решением ложные срабатывания от микроплазм исключаются из смеси сигнал + шум. Особенности дальнейшего выделения сигнала исследованы в [11]. Существенным критерием является эффективность Е накопления, представляющая собой улучшение отношения сигнал/шум на входе и выходе накопителя:In accordance with the proposed solution, false alarms from microplasmas are excluded from the signal + noise mixture. Features of further signal extraction were studied in [11]. 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 00000007
Figure 00000007

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

σK - среднеквадратическое отклонение накопленной суммы после К циклов накопления;σ K is the standard deviation of the accumulated amount 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 Δu/σ при их симметричном положении от нулевого уровня (фиг. 2). При оптимальном положении порогов 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 Δ u /σ at their symmetrical position from the zero level was studied [11] (Fig. 2). At the optimal position of the thresholds, 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 00000008
Figure 00000008

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

Figure 00000009
Figure 00000009

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/сигнал:Noise/signal ratio W squared:

Figure 00000010
Figure 00000010

где JM 2=2eI1Δƒ.where J M 2 =2eI 1 Δƒ.

Figure 00000011
Figure 00000011

Условие нуля производной:Zero derivative condition:

Figure 00000012
Figure 00000012

илиor

Figure 00000013
Figure 00000013

откуда

Figure 00000014
where
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

Задача настоящего изобретения решается благодаря 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).The task of the present invention is solved due to the hardware interpretation of microplasmas not as false alarms, but as signal skipping factors. Due to this technique, it is possible to allow a higher probability of microplasmas and, thereby, to maintain the avalanche multiplication factor closer to the optimal level (6).

На фиг. 3 показан пример многопороговой (например, двухпороговой) структуры для реализации способа.In FIG. 3 shows an example of a multi-threshold (eg, two-threshold) structure for implementing the method.

Эта локационная структура содержит передающий канал 1, фотоприемный канал 2 со схемой стабилизации лавинного режима фотодиода 3, рабочее многопороговое устройство 4 и дополнительное пороговое устройство 5, подключенные к многоканальным накопителям 6 и 7. Выходные данные накопителей поступают в решающее устройство 8. На выходе фотоприемного канала включен анализатор шума 9, выход которого через схему управления 10 подключен к управляющему входу схемы стабилизации лавинного режима фотодиода 3. Схема управления подключена также к передающему каналу 1 и накопителям 6 и 7, а также к решающему устройству 8.This location structure contains a transmitting channel 1, a photoreceiving channel 2 with a photodiode 3 avalanche mode stabilization circuit, a working multi-threshold device 4 and an additional threshold device 5 connected to multi-channel storage devices 6 and 7. The output data of the storage devices is fed to the decision device 8. At the output of the photoreceiving channel the noise analyzer 9 is switched on, the output of which is connected through the control circuit 10 to the control input of the photodiode 3 avalanche mode stabilization circuit.

Перед приемом сигналов включают фотоприемный канал и выводят его в оптимальный режим. Для этого включают анализатор шума 9. Анализатор шума представляет собой пороговое устройство с низким порогом U, таким, что частота его превышений выбросами шума f>>fM*, где fM* - ожидаемая частота микроплазм. При таком условии микроплазмы не влияют на режим фотодиода. По достижении установившегося значения f схема 9 увеличивает порог в

Figure 00000016
раз и повышает напряжение смещения фотодиода до тех пор, пока не восстановится частота f, при которой коэффициент лавинного умножения М соответствует уровню Мопт. После этого переходят в рабочий режим. По команде от блока управления 10 передающий канал 1 излучает на цель серию K зондирующих импульсов. Одновременно блок управления запускает синхронизацию многоканальных накопителей 6 и 7, переключая их ячейки накопления с периодом τ (фиг. 2). Отраженные целью сигналы принимаются фотоприемным каналом 2, на выходе которого образуется смесь отраженного сигнала, флуктуационного шума и импульсов микроплазм. С выходов порогового устройства 4 сигналы поступают поочередно в ячейки накопителя 6, соответствующие текущему каналу дальности, включаемому тактовым сигналом блока управления 10. Сигналы в накопителе 6 суммируются с весом, соответствующим превышенному порогу. Например, при двухуровневом преобразовании с симметричным положением порогов относительно нуля при пересечении шумовым выбросом верхнего порога вверх в накопитель заносится «+1», а при пересечении нижнего порога вниз заносится «-1». При таком построении аппаратуры обеспечивается выигрыш Е в улучшении отношения сигнал/шум, близкий к теоретическому пределу
Figure 00000017
где K - количество циклов (объем) накопления [2]. В накопителе 7 содержится информация о количестве микроплазм в каждом канале дальности. Решающее устройство 8 вычисляет разность накопленных сумм ΔΣjjMj, компенсируя наличие микроплазм.Before receiving signals, the photoreceiving channel is switched on and brought to the optimal mode. To do this, the noise analyzer 9 is switched on. The noise analyzer is a threshold device with a low threshold U, such that the frequency of its exceedance by noise emissions f>>f M *, where f M * is the expected frequency of microplasmas. Under this condition, the microplasmas do not affect the mode of the photodiode. Upon reaching the steady value of f, circuit 9 increases the threshold by
Figure 00000016
times and increases the bias voltage of the photodiode until the frequency f is restored, at which the avalanche multiplication factor M corresponds to the level M opt . After that, they go into working mode. On command from the control unit 10, the transmitting channel 1 emits a series of K probing pulses to the target. Simultaneously, the control unit starts synchronization of multichannel storage devices 6 and 7, switching their accumulation cells with a period τ (Fig. 2). The signals reflected by the target are received by the photodetector channel 2, at the output of which a mixture of the reflected signal, fluctuation noise, and microplasma pulses is formed. From the outputs of the threshold device 4, the signals are fed in turn to the cells of the drive 6 corresponding to the current range channel, switched on by the clock signal of the control unit 10. The signals in the drive 6 are summed with a weight corresponding to the exceeded threshold. For example, in a two-level transformation with a symmetrical position of the thresholds relative to zero, when the noise emission crosses the upper threshold upwards, “+1” is entered into the accumulator, and when the lower threshold is crossed downwards, “-1” is entered. With such a construction of equipment, a gain E in improving the signal-to-noise ratio is provided, close to the theoretical limit
Figure 00000017
where K is the number of cycles (volume) of accumulation [2]. The drive 7 contains information about the number of microplasmas in each range channel. The solver 8 calculates the difference between the accumulated sums ΔΣ jjMj , compensating for the presence of microplasmas.

Пропуск сигнала вследствие маскировки шумом, характеризуемый вероятностью Qш, и пропуск сигнала вследствие блокировки микроплазмы, характеризуемое вероятностью QM, представляют собой взаимно независимые события [3], поэтому заданную вероятность пропуска сигнала Q=1-D за одно измерение можно представить в виде суммы Q=Qш+QM, где D - вероятность правильного обнаружения сигнала.The signal skip due to noise masking, characterized by the probability Q w , and the signal skip due to microplasma blocking, characterized by the probability Q M , are mutually independent events [3], therefore, the given probability of signal skip Q=1-D in one measurement can be represented as a sum Q=Q w +Q M , where D is the probability of correct signal detection.

При выборе условий:When choosing conditions:

Figure 00000018
Figure 00000018

иAnd

Figure 00000019
Figure 00000019

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 соотношению:Condition (8) is equivalent to the relation:

Figure 00000020
Figure 00000020

где m - допустимое количество микроплазм в одном канале дальности за время накопления;where m is the allowable number of microplasmas in one range channel during the accumulation time;

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 00000021
обеспечивающий условие (7).
Figure 00000021
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 00000022
.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 00000022
.

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 1.Example 1

Объем накопления K=200; среднее значение накопленной суммы в отсутствие сигнала Kcp(0)=0; установленный порог

Figure 00000023
; количество каналов накопления N=104; ширина канала τ=10-8 с; коэффициент
Figure 00000024
Accumulation volume K=200; the average value of the accumulated amount in the absence of the signal K cp (0)=0; set threshold
Figure 00000023
; the number of accumulation channels N=10 4 ; channel width τ=10 -8 s; coefficient
Figure 00000024

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

Figure 00000025
Figure 00000025

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

Figure 00000026
Figure 00000026

Длительность цикла накопления Т=Nτ=104⋅10-8=10-4 с.The duration of the accumulation cycle Т=Nτ=10 4 ⋅10 -8 =10 -4 s.

Допустимая частота микроплазмPermissible frequency of microplasmas

Figure 00000027
Figure 00000027

Вероятность появления микроплазмы в одном канале в двух циклах подряд - W2=m1 2.The probability of the appearance of microplasma in one channel in two cycles in a row - W 2 =m 1 2 .

При указанных ограничениях такое событие означает, что с большой вероятностью имеет место сигнал большой амплитуды. Поэтому принимают решение о приеме сигнала в данном канале дальности и останавливают процесс накопления.Under these constraints, such an event means that a high-amplitude signal is likely to occur. Therefore, a decision is made to receive a signal in a given range channel and the accumulation process is stopped.

Пример 2.Example 2

В условиях предыдущего примера вероятность W2=m1 2=4⋅10-6. При этом вероятность двух подряд микроплазм в любом канале дальности W2N=W2⋅N=4⋅10-2. В существующей практике пропуск сигнала с такой вероятностью считается допустимым.Under the conditions of the previous example, the probability W 2 =m 1 2 =4⋅10 -6 . In this case, the probability of two microplasmas in a row in any range channel is W 2N =W 2 ⋅N=4⋅10 -2 . In current practice, the signal skipping with such a probability is considered acceptable.

Таким образом, обеспечивается задача изобретения - достижение теоретически предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации независимо от 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, regardless of 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 информацииInformation sources

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., 479 с.3 V.E. Gmurman, Probability Theory and Mathematical Statistics. Ed. "Higher School", M., 1977, 479 p.

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 Al "Laser rangefinder and method thereof.5 Patent WO 2005/006016 Al "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 No. 2007137271 dated 10.10.2007. "Method of incoherent accumulation of light-location signals". - Prototype.

7 Тихонов В. И. Выбросы случайных процессов. Изд. «Наука», М, 1970 г., 392 с.7 Tikhonov V. I. Emissions of random processes. Ed. "Science", M, 1970, 392 p.

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 ред. 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. Ed. 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, volume 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 VG et al. Evaluation of the capabilities of a light-location pulse 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."

14 Патент РФ №2755603. «Способ порогового обнаружения оптических сигналов».14 RF Patent No. 2755603. "Method for Threshold Detection of Optical Signals".

Claims (4)

1. Способ некогерентного накопления импульсных светолокационных сигналов, включающий K циклов зондирования цели лазерными импульсами, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала в N каналах дальности, где N=Rmax/ΔR, Rmax - диапазон измеряемых дальностей, ΔR=с τ/2, с - скорость света, τ - тактовый период измерителя задержки отраженного сигнала, в каждом канале дальности сравнение принятого сигнала с одним или несколькими аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней с учетом весового коэффициента уровня, по которой судят о наличии сигнала в этом канале путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, отличающийся тем, что принимают отраженные сигналы с помощью лавинного фотодиода, в подготовительном режиме в отсутствие зондирующих лазерных импульсов устанавливают для рабочего режима оптимальный коэффициент лавинного умножения Мопт фотодиода, при котором отношение сигнал/шум максимально, в режиме Мопт выявляют наличие импульсов микроплазм и определяют минимальную амплитуду импульсов микроплазм UMmin, устанавливают дополнительный пороговый уровень UM в пределах Ucmax<UM<UMmin, где Ucmax - максимальная ожидаемая амплитуда сигнала, после чего переходят в рабочий режим накопления сигнала, в каждом j-м канале дальности накапливают взвешенные суммы Σj превышений рабочих порогов, параллельно в каждом j-м канале дальности накапливают суммы ΣMj превышений уровня UM, по окончании серии циклов зондирования в каждом канале дальности вычисляют разностные величины ΔΣjjMj, и если ΔΣj превышает заранее установленное пороговое число, то принимают решение о наличии сигнала в данном канале дальности и по номеру этого канала дальности судят о дальности до цели.1. The method of incoherent accumulation of pulsed light-location signals, including K cycles of probing the target with laser pulses, in each probing cycle receiving the reflected signal in N range channels, where N=R max /ΔR, R max is the range of measured ranges, ΔR=с τ/2 , c is the speed of light, τ is the clock period of the reflected signal delay meter, in each range channel, comparison of the received signal with one or more analog threshold levels, accumulation of the sum of exceedances of the analog threshold levels, taking into account the weighting factor of the level, which is used to judge the presence of a signal in this channel by comparing the sum of excesses with a threshold number, characterized in that the reflected signals are received using an avalanche photodiode, in the preparatory mode, in the absence of probing laser pulses, the optimal avalanche multiplication coefficient M opt of the photodiode is set for the operating mode, at which the signal-to-noise ratio is maximum, in mode M opt detect the presence of a pulse microplasmas and determine the minimum amplitude of microplasma pulses U Mmin , set an additional threshold level U M within U cmax <U M <U Mmin , where U cmax is the maximum expected signal amplitude, after which they switch to the signal accumulation operating mode, in each j- m range channel accumulate weighted sums Σ j of exceedances of operating thresholds, in parallel in each j-th range channel accumulate sums Σ Mj of level exceedances U M , at the end of a series of probing cycles in each range channel calculate the difference values ΔΣ jjMj , and if ΔΣ j exceeds a predetermined threshold number, then a decision is made on the presence of a signal in a given range channel, and the distance to the target is judged by the number of this range channel. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оптимальный режим Mopt устанавливают, включая безлавинный режим смещения фотодиода М=1, затем устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства f<<f0, где f0 - частота пересечения шумом нулевого уровня, после этого увеличивают порог в
Figure 00000028
раз, где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=Мα, порог
Figure 00000029
фиксируют и с помощью напряжения смещения фотодиода устанавливают такой коэффициент лавинного умножения М=Мопт, при котором частота fM шумовых превышений порога UM становится равной частоте f в безлавинном режиме М=1 при пороге U, по достижении частоты fM=f фиксируют достигнутый коэффициент лавинного умножения М=Мопт и включают рабочий режим приема сигналов.
2. The method according to claim 1, characterized in that the optimal mode M opt is set, including the avalanche-free bias mode of the photodiode M=1, then the operating threshold U is set at a level corresponding to the frequency of noise operations of the threshold device f<<f 0 , where f 0 - the frequency of the noise crossing the zero level, then increase the threshold in
Figure 00000028
times, where α is the noise factor parameter of the avalanche multiplication F=M α , threshold
Figure 00000029
fix and using the bias voltage of the photodiode set such an avalanche multiplication factor M=M opt at which the frequency f M noise exceeding the threshold U M becomes equal to the frequency f in the avalanche-free mode M=1 at the threshold U, when the frequency f M =f is reached, the achieved avalanche multiplication factor M=M opt and include the operating mode of signal reception.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если амплитуда сигнала в рабочем режиме превышает максимальный из пороговых уровней Umax, то уменьшают коэффициент лавинного умножения до уровня 1≤М<Мопт, при котором нелинейные искажения сигнала минимальны.3. The method according to claim 1, characterized in that if the signal amplitude in the operating mode exceeds the maximum of the threshold levels U max , then the avalanche multiplication factor is reduced to the level 1≤M<M opt , at which the nonlinear distortion of the signal is minimal. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если в каком-либо из каналов дальности регистрируется сигнал в двух циклах накопления подряд, то принимают решение о наличии цели в данном канале и прекращают накопление, при этом вероятность появления двух подряд микроплазм в любом канале дальности не должна превышать величины W2N=W2⋅N<(1-D), где W2 - вероятность двух подряд микроплазм в одном канале дальности; N - число каналов дальности; D - заданная вероятность правильного обнаружения сигнала.4. The method according to claim 1, characterized in that if a signal is recorded in any of the range channels in two accumulation cycles in a row, then a decision is made about the presence of a target in this channel and the accumulation is stopped, while the probability of the appearance of two consecutive microplasmas in any the range channel should not exceed the value of W 2N =W 2 ⋅N<(1-D), where W 2 is the probability of two microplasmas in a row in one range channel; N is the number of range channels; D is the given probability of correct detection of the signal.
RU2022116046A 2022-06-15 Method for incoherent accumulation of pulsed light-location signals RU2791151C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2791151C1 true RU2791151C1 (en) 2023-03-03

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 (3)

* 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
RU2560011C1 (en) * 2014-06-09 2015-08-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Laser range finder
RU2653558C1 (en) * 2017-06-06 2018-05-11 Владимир Владиславович Имшенецкий Optical device for determining distance to object

Patent Citations (3)

* 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
RU2560011C1 (en) * 2014-06-09 2015-08-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Laser range finder
RU2653558C1 (en) * 2017-06-06 2018-05-11 Владимир Владиславович Имшенецкий Optical device for determining distance to object

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
US10585174B2 (en) LiDAR readout circuit
US9835490B2 (en) Discriminating photo counts and dark counts in an avalanche photodiode
US7499829B2 (en) Laser rangefinder and method thereof
IL195988A (en) Automatic avalanche photodiode bias setting system based on unity-gain noise measurement
CN113534107A (en) Detection circuit with adjustable output pulse width, receiving unit and laser radar
CN111983586B (en) Control method and control system of photoelectric detector and laser radar
RU2791151C1 (en) Method for incoherent accumulation of pulsed light-location signals
US7184130B1 (en) Method for improving the received signal to noise ratio of a laser rangefinder
RU2788940C1 (en) Method for incoherent accumulation of light-location signals
CN106483546B (en) Signal processing device and radiation measuring device
RU2810710C1 (en) Method for accumulating light-location signals
US10473521B2 (en) Analog photon counting
RU2359226C1 (en) Method of incoherent accumulation of light-detecting signals
US20220221563A1 (en) Method for operating a photodiode and device for carrying out the method
JP6632484B2 (en) Optical receiving circuit and laser radar device
RU2791186C1 (en) Laser pulse rangefinder
US20210088661A1 (en) Photodetector and optical ranging apparatus using the same
RU2792086C1 (en) Method for pulse location ranging
CN114706058A (en) Laser receiving system and laser ranging system
RU2778047C1 (en) Method for receiving optical signals
CN112363148A (en) Photoelectric detection circuit and photoelectric detector
RU2791438C1 (en) Method for isolating optical pulses
Hallman et al. Note: Detection jitter of pulsed time-of-flight lidar with dual pulse triggering
RU2778048C1 (en) Method for receiving pulsed optical signals
RU2778629C1 (en) Method for threshold detection of optical signals