RU2819303C1 - Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода - Google Patents
Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819303C1 RU2819303C1 RU2023125990A RU2023125990A RU2819303C1 RU 2819303 C1 RU2819303 C1 RU 2819303C1 RU 2023125990 A RU2023125990 A RU 2023125990A RU 2023125990 A RU2023125990 A RU 2023125990A RU 2819303 C1 RU2819303 C1 RU 2819303C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- noise
- avalanche
- avalanche multiplication
- coefficient
- factor
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к технике выделения сигналов из шума и может быть использовано в любой области, где требуется определение параметров шума. Способ приема оптических сигналов, включающий прием сигналов с помощью лавинного фотодиода в режиме лавинного умножения: поочередно устанавливают коэффициент лавинного умножения М=1, M1>1 и М2>M1, в каждом из этих режимов определяют квадрат среднеквадратического значения шума σ2(М=1)=σ2, σ2(M=M1)=σ1 2 и σ2(М=М2)=σ2 2, после чего вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=Мα по формуле , причем коэффициент лавинного умножения M1 устанавливают в заданном интервале, а затем устанавливают коэффициент М2 путем сравнения отношения М2/М1 с эталоном. Технический результат изобретения - оперативное определение параметров флуктуационного шума при построении миниатюрной, в том числе носимой и встраиваемой, аппаратуры, работающей в широком диапазоне климатических условий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к обнаружению сигналов на фоне флуктуационного шума, в частности, к технике приема импульсных оптических сигналов, и может быть использовано в локации, связи и других областях.
Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1-3]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [4]. Указанные решения не обеспечивают максимального отношения сигнала к шуму, поскольку не контролируют это отношение. Знание характеристик шума важно для правильного построения режима порогового выделения сигналов [4]. Известные методы определения параметров шума, в том числе его дисперсии и шум-фактора [5-9] либо приближенно рассчитываются с учетом общих физических основ построения фотоприемных структур, либо требуют привлечения сложных стационарных приборов, основанных на метрологических принципах, непригодных для портативной аппаратуры, работающей в широком диапазоне внешних эксплуатационных воздействий.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ обнаружения оптических сигналов [10], включающий прием сигналов с помощью лавинного фотодиода в режиме лавинного умножения и пороговую обработку принятых сигналов, причем коэффициент лавинного умножения М устанавливают таким образом, чтобы частота шумовых превышений порога fМ соответствовала заданному значению fM, установленному для лавинного режима, после чего фиксируют напряжение смещения на этом уровне и повышают порог в раз до уровня, при котором частота fp шумовых превышений порога в рабочем режиме соответствует заданным требованиям.
Недостатком указанной процедуры является отсутствие возможности определения параметров шума, в том числе постоянного параметра α шум-фактора Мα, определяющего оптимальную величину М и необходимого для организации правильного режима обработки смеси сигнала и шума.
Задачей изобретения является оперативное определение постоянного параметра α шум-фактора лавинного умножения в процессе проектирования, производства и обслуживания аппаратуры без привлечения специального измерительного оборудования и средств его метрологического обеспечения.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода в режиме лавинного умножения поочередно устанавливают коэффициент лавинного умножения М=1, М1>1 и М2>M1, в каждом из этих режимов определяют квадрат среднеквадратического значения шума σ2 (М=1) =σ2, σ2 (M=M1) =σ1 2 и σ2 (М=М2) =σ2 2, после чего вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=Мα по формуле , причем, коэффициент лавинного умножения M1 устанавливают в заданном интервале, а затем устанавливают коэффициент М2 путем сравнения отношения М2/М1 с эталоном.
Величины M1 и М2 устанавливают в области рабочего значения коэффициента лавинного умножения так, что М2=(1,1-3)М1.
В качестве эталона можно использовать эталонный ослабитель сигнала кратностью K, а коэффициент М2 устанавливают, обеспечивая равенство выходных сигналов от опорного излучателя в режимах M1 и М2/К.
Фиг. 1 представляет циклограмму способа. На фиг. 2 показана гистограмма составляющих погрешности измерений параметра α. На фиг. 3 приведены графики зависимости погрешности измерения α от соотношения коэффициентов лавинного умножения в двух лавинных режимах. На фиг. 4 представлена структурная схема аппаратуры, реализующей способ.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
На первом этапе устанавливают безлавинный режим фотодиода М=1 путем включения низкого напряжения смещения и определяют дисперсию шума σ2 (М=1)=σ*2. На втором и третьем этапах увеличивают напряжение смещения фотодиода, устанавливая значения коэффициента лавинного умножения M1 и М2, согласно их заданному отношению М2/М1, при этом определяют на каждом из этих этапов дисперсию шума σ1 2 и σ2 2.
Известно [1, 3], что в безлавинном режиме (М=1) квадрат среднеквадратического значения шума σ*2 на выходе фотодиода
σа2(М=1)=σ*2=σ0 2+σ1 2, (1)
где σ0 и σ1 - соответственно среднеквадратические значения неумножаемой (σ0) и умножаемой (σ1) составляющих шума.
В лавинном режиме [1]
(2)
где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=Мα, определяемый материалом и структурой фотодиода [3, 6, 10].
Из (2) и (1):
Из (3) можно исключить нестабильный параметр σ1 2 путем сопоставления этой зависимости для двух режимов лавинного умножения.
Учитывая, что σ0 2>>σ1 2, с достаточно высокой точностью можно считать σ2=σ0 2, тогда
Откуда
Режим фотодиода устанавливают в рабочей области, например, в окрестности максимального отношения сигнал/шум.
Квадрат отношения сигнал/шум
η2=М2/σ2 (8)
Обратная η2 величина (квадрат отношения шум/сигнал)
W=σ2/М2=(σ0 2+σ1 2М2+α)/М2=σ0 2М-2+σ1 2Мα (9)
Производная этой величины
dW/dM=-2σ0 2M-3+ασ1 2Mα-1 (10)
Минимум отношения шум/сигнал обеспечивается при dW/dM=0.
ασ1 2Mα-1-2σ0 2M-3=ασ1 2M2+α-2σ0 2=0 (11)
Условие максимума (8) выполняется при
Измерение α производят в следующем порядке.
1 Для ожидаемых значений параметров σ0cp 2, σ1cp 2 и αср устанавливают два значения M1 и М2 в рабочей области М, например, в окрестности Мопт.
Пример 1
σ0cp 2/σ1cp 2=4000; αcp=0,5.
Для этих значений Мопт=48.
Пусть M1=46; М2=50.
2 Вычисляют логарифм отношения М2/М1.
Пример 2
М2/М1=50/46=1,08696.
ln(M2/M1)=0,083382.
3 Измеряют дисперсию шума (1), (2) в каждом из режимов М.
Пример 3
Истинное значение αист=0,52.
σ0 2=4001 отн. ед.; σ1 2=1,1 отн. ед.; σ2=σ0 2+σ1 2=4002,1.
Истинные значения =21043,9 отн. ед.; =25029 отн. ед. (2).
4 Вычисляют оценку параметра α по формуле (7).
Пример 4
Истинное значение αист=0,52.
Оценка .
Относительное отклонение оценки от истинного значения
.
При выборе рабочих значений M1 и М2 следует учитывать, что этот выбор зависит от точности измерения отношения М2/М1.
Пример 5
σ0ср 2=4000; σ1cp 2=1; αср=0,5.
Фактические значения этих параметров
σ0 2=4001; σ1 2=1,1; α=0,52.
Установленные значения M1=30; М2=60.
Истинные значения =9805,145; =37292,536; σ2=4002,1
Оценка α по формуле (10)
α*=0,520225776.
Абсолютная системная погрешность определения α
Δα=α*-α=0,000226.
Относительная системная погрешность
δα=ΔФ/α=4,5⋅10-4 (0,045%).
Реальная погрешность измерения α зависит от ошибки измерения составляющих формулы (7). Их вклад в суммарную погрешность не одинаков. На фиг. 2 приведена гистограмма относительного влияния этих составляющих на абсолютную погрешность Δα. Для оценки такого влияния принято отклонение каждой из составляющих на 0,1%.
Отклонения M1 и М2 от номинальных значений (позиции 1 и 2 на гистограмме фиг. 2) не влияют на итоговую погрешность Δα, поскольку эти отклонения компенсируются изменением дисперсий шума, и оценка α сохраняет истинное значение. Погрешность измерения дисперсий и отражается на итоговом результате в значительной степени (позиции 3 и 4); при этом следует учитывать, что они разнонаправлены и могут взаимно компенсироваться. Погрешность σ2 (позиция 5) сказывается в меньшей степени, так как σ*2<σМ 2.
Особенно критичен результат измерения α к отклонению параметра М2/М1 (позиция 6 на гистограмме фиг. 2).
Пример 6
В условиях Примера 5 при отклонении отношения М2/М1 от номинального значения на 0,1% оценка а отклоняется на 0,36%.
Влияние фактора М2/М1 зависит от разности М2-M1 между установленными значениями M1 и М2 (фиг. 3) и от отношения фактического (М2/М1)факт и номинального (M2/M1)номин значений этого параметра θ=(М2/М1)факт/(М2/М1)номин.
При θ=1 наибольшая точность достигается при минимальном значении М2-M1.
При уменьшении θ область оптимума М2-M1 смещается в сторону увеличения этой разности.
Пример 7
При фиксированном значении М2=60 и θ=0,999 область оптимальных значений M1 лежит в пределах от M1=20 до M1=35 (фиг. 3), что соответствует номинальному значению (M2/M1)номин=1,7…3. При этом ошибка определения α за счет этого фактора не превышает 0,06%. При …θ=0,9999 оптимальный диапазон M1 лежит в пределах от M1=35 до M1=50, что соответствует (M2/M1)номин=1,2…1,7. При этом ошибка определения а не превышает 0,02% в указанном диапазоне M1 и (М2/М1)номин.
Порядок осуществления способа иллюстрируется структурой фиг. 4.
Способ осуществляется в системе фотоприемного устройства и может применяться при проведении исследований, проектировании и производстве аппаратуры переключением работы фотоприемного устройства из штатного режима приема сигналов в режим контроля шум-фактора согласно данному способу.
Возможный вариант измерительной структуры по предлагаемому способу (фиг. 4) содержит проверяемый лавинный фотодиод 1, выход которого через усилитель 2 и эталонный ослабитель 3 подключен к входам датчика дисперсии шума 4 и датчика лавины 5. Выходы датчиков связаны с преобразователем данных 6 подключенным к блоку управления лавиной 7 и решающему устройству 8, также связанному с блоком управления лавиной, управляющим режимом лавинного фотодиода 1. Результаты обработки данных с выхода решающего устройства поступают на оконечное устройство 9, осуществляющее вывод результатов. Работа перечисленных блоков управляется программным устройством 10. С лавинным фотодиодом оптически связан опорный излучатель 11 со схемой питания 12.
Способ осуществляется следующим образом.
По команде с программного устройства 10 на блок управления лавиной 7 устанавливается режим М=1 фотодиода 1 и открывается эталонный ослабитель 3. Шум фотодиода 1 и усилителя 2 поступает на датчик дисперсии 4, и результат измерения σ2 через преобразователь данных 6 передается в цифровой форме в решающее устройство 8. Затем по команде программного устройства в момент времени t1 (фиг. 1) на блок управления лавиной устанавливается лавинный режим M1 по данным с датчика лавины 5, измеряющего уровень сигнала от опорного излучателя 11, и датчик дисперсии определяет в этом режиме дисперсию шума , аналогично σ2 поступающую в решающее устройство. В момент времени t2 по команде с программного устройства включается ослабление K эталонного ослабителя 3, уменьшающего коэффициент передачи тракта в K=М2/М1 раз. По данным с датчика лавины 5 блок управления лавиной 7 устанавливает такой режим фотодиода 1, при котором уровень сигнала от опорного излучателя равен уровню в режиме М1 Тем самым, устанавливается лавинный режим М2, после чего программное устройство открывает эталонный ослабитель 3, датчик дисперсии определяет дисперсию и передает этот результат в решающее устройство 8, по этим данным вычисляющее величину α по формуле (7). Результат вычисления выдается в оконечное устройство 9.
Данным методом коэффициент лавинного умножения M1 устанавливается в относительно широких разрешенных пределах (см. Пример 7), а заданное отношение М2/М1 поддерживается с весьма высокой точностью, определяемой точностью воспроизведения коэффициента K эталонного ослабителя отношению М2/М1.
Устройства, реализующие способ, обладают минимальным временем выхода на рабочий режим. Способ может быть реализован в составе штатного фотоприемного устройства, то есть, именно в той структуре, которая подлежит исследованию.
Таким образом, способ обеспечивает решение поставленной задачи - оперативное определение постоянного параметра α шум-фактора лавинного умножения в процессе проектирования, производства и обслуживания аппаратуры без привлечения специального измерительного оборудования и средств его метрологического обеспечения.
Источники информации
1 И.Д. Анисимова и др. Под ред. В.И. Стафеева. Полупроводниковые фотоприемники приемники. Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. - М.: Радио и связь, 1984 г. - 216 с.
2 Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. - М: Радио и связь, 1989. - С. 340.
3 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. Москва, Физматгиз. 2011, - С. 201-209.
4 Патент РФ №2248670.
5 Насонов B.C. Справочник по радиоизмерительным приборам. - М.: Советское радио, 1976, т. 1., 234 с.
6 Усков А.А. Измерение фактора избыточного шума лавинного фотодиода. ФГАО УВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», Новосибирск, 2016.
7 Яковлева Н.И. и др. Исследование фотодиодных лавинных элементов матричных фотоприемных устройств на основе гетероэпитаксиальных структур InGaAs. Успехи прикладной физики, 2014, том 2, №4., с. 374-382.
8 Останин С.А. Метод измерения малых значений дисперсии белого шума в смеси с гармоническим сигналом. Известия алтайского государственного университета. 2011, №1, С. 174-175.
9 Степанов А.В. Электрические шумы. Спецпрактикум кафедры физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 2003. - С. 17-22.
10 Способ обнаружения оптических сигналов. Патент РФ №2755601 - прототип.
Claims (3)
1. Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода в режиме лавинного умножения, отличающийся тем, что поочередно устанавливают коэффициент лавинного умножения M=1, M1>1 и М2>M1, в каждом из этих режимов определяют квадрат среднеквадратического значения шума σ2(М=1)=σ2, σ2(M=M1)=σ1 2 и σ2(М=М2)=σ2 2, после чего вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=Мα по формуле , причем коэффициент лавинного умножения M1 устанавливают в заданном интервале, а затем устанавливают коэффициент М2 путем сравнения отношения М2/М1 с эталоном.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величины M1 и М2 устанавливают в области рабочего значения коэффициента лавинного умножения так, что М2=(1,1-3)М1.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве эталона используют эталонный ослабитель сигнала кратностью K, а коэффициент М2 устанавливают, обеспечивая равенство выходных сигналов от опорного излучателя в режимах M1 и М2/К.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2819303C1 true RU2819303C1 (ru) | 2024-05-17 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4077718A (en) * | 1976-03-01 | 1978-03-07 | Raytheon Company | Receiver for optical radar |
EP3136127B1 (de) * | 2015-07-31 | 2019-09-11 | Sick Ag | Distanzsensor und verfahren mit einem distanzsensor |
RU2752016C2 (ru) * | 2019-12-23 | 2021-07-22 | Общество с ограниченной ответственностью «Яндекс Беспилотные Технологии» | Лидарные (lidar) способы и системы со сканированием с избирательной плотностью на основе mems |
RU2755602C1 (ru) * | 2020-11-26 | 2021-09-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ порогового обнаружения оптических сигналов |
RU2797660C1 (ru) * | 2023-01-24 | 2023-06-07 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ порогового обнаружения оптических сигналов |
US20230228856A1 (en) * | 2022-01-17 | 2023-07-20 | University Of Dayton Research Institute | Calibration system for 3d flash lidar imagers |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4077718A (en) * | 1976-03-01 | 1978-03-07 | Raytheon Company | Receiver for optical radar |
EP3136127B1 (de) * | 2015-07-31 | 2019-09-11 | Sick Ag | Distanzsensor und verfahren mit einem distanzsensor |
RU2752016C2 (ru) * | 2019-12-23 | 2021-07-22 | Общество с ограниченной ответственностью «Яндекс Беспилотные Технологии» | Лидарные (lidar) способы и системы со сканированием с избирательной плотностью на основе mems |
RU2755602C1 (ru) * | 2020-11-26 | 2021-09-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ порогового обнаружения оптических сигналов |
US20230228856A1 (en) * | 2022-01-17 | 2023-07-20 | University Of Dayton Research Institute | Calibration system for 3d flash lidar imagers |
RU2797660C1 (ru) * | 2023-01-24 | 2023-06-07 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ порогового обнаружения оптических сигналов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11592553B2 (en) | Distance measurement system and method using lidar waveform matching | |
CN104536339B (zh) | 基于高速数字检波的矢量网络分析仪功率控制系统及方法 | |
CN101126784A (zh) | 光纤陀螺用的光电探测器幅频特性测试方法 | |
CN106953600B (zh) | 一种基于dds的后置混频式数字alc控制系统装置 | |
CN113156412B (zh) | 一种激光雷达的电磁干扰检测方法及系统 | |
US20130082687A1 (en) | Transmitter calibration system | |
RU2819303C1 (ru) | Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода | |
CN203519730U (zh) | 一种散射参数测试系统 | |
CN113406656A (zh) | 用于提高激光多普勒相干测速系统信噪比的装置及方法 | |
US20180269994A1 (en) | Dynamic passive intermodulation reference signal generator | |
RU2810708C1 (ru) | Способ обнаружения импульсных оптических сигналов | |
RU2815330C1 (ru) | Способ обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода | |
CN110057546A (zh) | 一种低成本简易光眼图消光比测量方法及系统 | |
CN110617889A (zh) | 一种应用于综合孔径微波辐射计的高稳定性测试方法 | |
CN110677244B (zh) | 一种适用于连续变量量子密钥分发系统的自平衡方法 | |
CN110048769B (zh) | 一种自适应频响特性测试装置及方法 | |
CN109856457B (zh) | 一种自适应负载阻抗检测系统和方法 | |
RU2750443C1 (ru) | Способ приема сигналов | |
CN206684299U (zh) | 一种大量程高速高精度激光测距系统 | |
RU2797660C1 (ru) | Способ порогового обнаружения оптических сигналов | |
CN115128639B (zh) | 一种实时调整种子光功率的差分吸收激光雷达 | |
CN116633429B (zh) | 用于偏振依赖损耗测试仪的校准装置 | |
US11353495B2 (en) | Fabrication variation analysis method of silicon Mach-Zehnder electro- optic modulator | |
CN214703951U (zh) | 一种无人机数据链系统野战检测设备校准系统 | |
RU2750444C1 (ru) | Способ приема импульсных оптических сигналов |