WO2023113646A1 - Device and method for receiving an optical signal reflected from a probed object - Google Patents

Device and method for receiving an optical signal reflected from a probed object Download PDF

Info

Publication number
WO2023113646A1
WO2023113646A1 PCT/RU2022/050368 RU2022050368W WO2023113646A1 WO 2023113646 A1 WO2023113646 A1 WO 2023113646A1 RU 2022050368 W RU2022050368 W RU 2022050368W WO 2023113646 A1 WO2023113646 A1 WO 2023113646A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal
sensor
sequence
block
optical
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/050368
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Владимир Владиславович ИМШЕНЕЦКИЙ
Original Assignee
Владимир Владиславович ИМШЕНЕЦКИЙ
Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Техническое Объединение "Ирэ-Пoлюс"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2021137360A external-priority patent/RU2778546C1/en
Application filed by Владимир Владиславович ИМШЕНЕЦКИЙ, Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Техническое Объединение "Ирэ-Пoлюс" filed Critical Владимир Владиславович ИМШЕНЕЦКИЙ
Publication of WO2023113646A1 publication Critical patent/WO2023113646A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out

Definitions

  • This invention relates to the field of receiving optical modulated signals, including signals used in measuring the time it takes a signal to travel a distance from a signal emitting source to an optical signal receiving device, in communication devices using pseudonoise optical signals, including a clock signal generator, an optical receiver a device operating in a non-linear mode, a matched filtering unit, a signal threshold detection module, and can be used, for example, in navigation, in laser ranging, reflectometry, locating complex extended objects that have many constituent elements and moving relative to the signal receiver, for time synchronization of optical lines with synchronous detection of an optical signal.
  • LIDAR transliteration LIDAR English Light Identification Detection and Ranging - light detection and ranging
  • Lidar as a device, is at least an active optical range finder. Usually in Russia, such devices are called laser rangefinders and laser radars.
  • Optical radiation - electromagnetic waves the lengths of which are in the range with conditional boundaries from 3000 pm to 0.25 pm.
  • PWB Pseudo-random (pseudo-noise) sequences are completely deterministic digital sequences that appear random to an external observer.
  • ⁇ takes values from the interval from 0 to p - 1, has the maximum possible minimum period equal to p n - 1.
  • sequences are binary irregular sequences.
  • sequence /3 of length N we will call the sequence of modulating shifts, and the sequence a - a binary position-modulated sequence (PM).
  • PM binary position-modulated sequence
  • the second output of stage 1.1 of block 1 is the output of block 1.
  • the first input of each next stage is connected to the first output of the previous stage, that is, the input of block 1.2 is connected to the first output of block 1.1, etc.
  • the first output of the last thirty-sixth cascade 1.36 is connected to the second input of the same cascade 1.36.
  • Each stage consists of a discrete delay line (marked on the diagram as positions 1.1.2, 1.2.2, 1.3.2), etc., and one element that performs the disjunction operation (or), marked on the diagram as positions 1.1.1, 1.2.1 , 1.3.1 connected as shown in block diagram 1 in Fig. 1 .
  • a sequence is fed to the input of block 1, the zero (in the accepted numbering) member of which is equal to 1, and the remaining members of the sequence are equal to 0.
  • the binary sequence a is fed to the input of block 2 (consistent filtering block).
  • Figure 1 shows:
  • Block 2 (matched filtering unit) consists of thirty-six cascades connected in series 2.1, 2.2, ... 2.36, connected in the same way as in block 1.
  • Each cascade of block 2 consists of a discrete delay line (marked in the diagram of Fig.1 as 2.1. 2, 2.2.2, 2.3.3, ...2.36.2) and one addition element connected as shown in fig. 1 (marked in the diagram of Fig. 1 as 2.1 .1 , 2.2.1 , 2.3.1 , ... 2.36.1 )
  • Table 1 Formulas for determining the delays in the delay line of the cascades of blocks 1 and 2 in FIG. 1 .
  • Figure 2 shows a fragment of the response at the output of the matched filter of block 2, fixed by the registration and display unit T2 of Fig. 1 when applying to its input the sequence a fixed by block T1 of FIG. 1. (bottom graph).
  • the position of the reference has eaten, and with the number - 1 non-zero in sequence at the input of the matched filter (input of block 2) coincides with the (main) peak of the response at the output of the matched filter captured by block T2.
  • the readings adjacent to the response peak will be called the response side lobes (peak) (there is a name in the literature side peaks), and the ratio of their maximum amplitude to the response peak amplitude will be called the UBL level of the side lobes (response).
  • the term side peak level is also used.
  • Modulating discrete sequence - a sequence of finite length, the numbers of members of which are confined to the numbers of time positions at which the lidar emits an optical pulse, if the member of the modulating sequence is different from zero.
  • T mod - duration of the PIM signal time position fmod /Tmod ⁇ modulation frequency of the emitted optical signal.
  • a member of the modulating sequence can be not only a binary value, (0 - not emitting, 1 - emitting), but an array of data, characterizing the shape, frequency, amplitude, phase, polarization of the emitted pulse, i.e., the given characteristics of the optical pulse.
  • Position-pulse modulation PIM
  • the modulating sequence is a binary PM sequence
  • the sequence of emitted optical pulses modulated by it is called a position modulated sequence of (optical) pulses or a position-pulse modulated (PIM) sequence of (optical) pulses (PMPOI).
  • the probing signal is a modulated sequence of optical pulses emitted by the lidar.
  • Quantum efficiency the probability of generation of a single free carrier photon hitting the optical sensor, which will reach a high field region sufficient for impact ionization or the probability of sensor operation when a single photon hits the sensor surface.
  • Dynamic conversion factor dynamic sensitivity
  • photocurrent/power For optical sensors operating in the power-to-photocurrent conversion mode, the dynamic conversion factor.
  • ESR Effective Scattering Surface
  • Received optical signal reflectograms. Under the received signal we mean the final discrete sequence formed in the process of receiving the optical signal. Each member of this sequence is formed based on the results of the operation of the sensor (or a group of optical sensors) at the corresponding time interval T d
  • such a signal is also called the primary reflectogram or binary detection signal (sequence).
  • the secondary reflectogram is understood as the primary reflectogram processed by the matched filtering method.
  • the secondary reflectogram is used to calculate the time delays of the optical signal reflected or generated by the probed object.
  • Figure 1 shows a graph, where the abscissa of graphs B, C, D, E plots the numbers of samples of the binary sequence obtained by the method considered in the example. On the ordinates of the graphs B, C, D, E, the amplitudes of the readings are plotted, the binary sequence obtained by the method considered in the example, differing in the position of the gating signals, the variants of which are shown in the graphs B, C, D, E in figure 4.
  • Figure 7 depicts a fragment of the filter response (from cycle 74000 to cycle 76750) at the output matched at point T2 of Fig.6 (on the registration device and display T2) and at the output of the notch filter at point T3 of Fig 6 (on the registration device and display of T3).
  • Figure 8 depicts a functional diagram of the stand for imitation of the receiving and transmitting paths of the lidar, without the functional blocks for processing reflectograms implemented programmatically in a PC.
  • P dc the probability of sensor operation in the absence of radiation on the surface.
  • sensor for a time interval T d dark count probability
  • - quantum efficiency the average number of photons that hit the sensor for a time interval T d .
  • Equation (1) can be conveniently represented as (2)
  • the signal component of the response at the output of the matched PIM sequence filter can be estimated as the mathematical expectation of the value of the response peak count at the output of the matched filter equal to MR DS , where M is the number of optical pulses received in the gating mode and contributing to the formation of the matched filtering response peak, and the noise component, as standard deviation of 8 output samples of the matched filter when applying to its input a sequence obtained by detecting only the noise component .
  • the average frequency of sensor responses is determined mainly by the value of P CN , determined by the noise component, and it, in turn, is determined by equation (5) by the product T] N .
  • the value of P CN decreases, which requires more time to estimate the average frequency of sensor triggers f c , therefore, it is advisable to use the method when S/N) in is not more than 5, preferably not more than 3.
  • the time t is defined as the time sufficient to determine the average relative frequency of sensor responses with an acceptable error. Since the average relative frequency of sensor responses is determined by the quantum efficiency of the sensor, as the time t increases, the fluctuations in the quantum efficiency of the sensor will also decrease. In fact, the control loop maintains the average frequency of sensor responses close to the control setpoint through the control action on the quantum efficiency of the sensor, but the changes in the control action must be smooth and provide a minimum relative fluctuation of the quantum efficiency during the control process. Relative fluctuations in the steady-state control mode within ⁇ 5% of the average steady-state value does not significantly affect the technical characteristics of the receiving path of the lidar or other device using the considered method.
  • Adaptive gating can be used to reduce sensor false alarms associated with an effect known as "after-pulsing probability” (APP) described for example in B [DOI: 10.1155/2018/9585931].
  • APP after-pulsing probability
  • the duration of the strobing pulses (strobes) T d 205 ps , which corresponds to the period of strobing increased pulse duration in the detected PIM signal.
  • the synchronous detection device works according to the following principle:
  • the sequence formed in the described manner is fed in cycles to the matched filter - block 2, which is shown in Fig. 1 .
  • modulated probing signals makes it possible to improve the selectivity of the resolution of the probed objects after the matched filtering of the detected signal due to the low level of the side lobes of the normalized ACF (no more than 1/N), where N is the number of positions in the modulating binary sequence different from 0 and simultaneously with this, to minimize the losses in the signal-to-noise ratio for "ordinary" signals separated by matched filtering, if a signal receiver operating in the limiting receiver is used for their reception and a superposition of the received detected signals from various resolvable objects is fed to the input of this receiver . [Proc. IEEE vol. 54, p. 438-439 (1966) / DOk 10.1109/PROC.1966.4745].
  • Block 105 generates a gate signal adaptation logic signal.
  • the matched filtering module is designed to calculate the secondary reflectogram.
  • P-2 - an array of memory cells for recording, storing and reading the secondary reflectogram.
  • the interface block IM1 reads from the memory cells P-1 to the PC the reflectogram previously recorded in it (or zero values entered into the memory cells P-1 before the first probing cycle) and adds the read primary reflectogram d to it term by term and writes the result of addition term by term into memory cells P-1.
  • the numbering of memory cells P-1 corresponds to the order of numbering of readings of the primary reflectogram.
  • the sequence of operations indicated above is carried out the required number of times from 1 to K.
  • the formation of a binary sequence 8 used as a gating adaptation signal from the gating adaptation signal generator 105 is carried out in the third processing cycle.
  • Module 308 simulates the operation of the matched filter block 4 of FIG. 6.
  • the gating adaptation signal can also be obtained using an additional sensor located in an adjacent optical path, and the adjacent optical path is designed so that the moment of arrival of the front of the optical pulse wave on the surface of the additional optical sensor is ahead of the time of its arrival at the surface of the sensor, the gating of which is being adapted.
  • FIG. 16 shows a possible diagram of such an optical device.
  • the device consists of two optical systems: an objective 404 that focuses optical radiation on the surface of the sensor (or sensors) 401 and a fragment of a parabolic mirror 403 that focuses optical radiation on the surface of the sensor (or sensors) 402. Both sensors are located at the focus of the parabolic sensor side by side, as shown in Fig.16.
  • the essence of the solution is that in order to determine the signal transit time from the transmitter to an object with a “strong” and/or “ordinary” ESR and back to the receiving sensor, further than the transit time, it is sufficient to use probing sequences with a smaller number of optical pulses, the so-called . test signals.
  • Example 5 differs from Example 4 in that adaptive gating has been disabled.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

The present invention relates to the field of receiving modulated optical signals and can be used, for example, in navigation, laser ranging, reflectometry and the detection of complex elongate objects having multiple component parts and being in motion relative to a signal receiver, in order to time synchronize optical lines, with synchronous detection of an optical signal. The invention makes it possible to create scanners (lidars) for remotely detecting metal items in crowds and undergrowth, to remote detect and determine the concentration of gases in air, and to create lidars capable of functioning in conditions of limited visibility (to the human eye). According to the invention, the device contains a unit for adjusting quantum efficiency according to the operating frequency of a sensor, and an assembly for generating a strobing adaptation signal.

Description

УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРИЕМА ОПТИЧЕСКОГО DEVICE AND METHOD OF RECEIVING OPTICAL
СИГНАЛА, ОТРАЖЕННОГО ОТ ЗОНДИРУЕМОГО ОБЪЕКТА OF THE SIGNAL REFLECTED FROM THE SOUNDED OBJECT
Область техники, к которой относится изобретение. The field of technology to which the invention belongs.
Данное изобретение относится к области приема оптических модулированных сигналов, в том числе сигналов, применяемых при измерении времени прохождения сигналом расстояния от источника излучения сигнала к устройству оптического приема сигнала, в устройствах связи с использованием псевдошумовых оптических сигналов, включающих в себя генератор тактового сигнала, оптическое приемное устройство, работающее в нелинейном режиме, блок согласованной фильтрации, модуль порогового обнаружения сигнала, и может быть использовано, например, в навигации, в лазерной локации, рефлектометрии, локации сложных протяженных объектов, имеющих множество составных элементов, и движущихся по отношению к приемнику сигнала, для синхронизации по времени оптических линий с синхронным детектированием оптического сигнала. This invention relates to the field of receiving optical modulated signals, including signals used in measuring the time it takes a signal to travel a distance from a signal emitting source to an optical signal receiving device, in communication devices using pseudonoise optical signals, including a clock signal generator, an optical receiver a device operating in a non-linear mode, a matched filtering unit, a signal threshold detection module, and can be used, for example, in navigation, in laser ranging, reflectometry, locating complex extended objects that have many constituent elements and moving relative to the signal receiver, for time synchronization of optical lines with synchronous detection of an optical signal.
В данном описании используются следующие термины. In this description, the following terms are used.
ЛИДАР (транслитерация LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging — световое обнаружение и определение дальности) — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Лидар, как прибор представляет собой, как минимум, активный дальномер оптического диапазона. Обычно в России подобные устройства называются лазерными дальномерами и лазерными локаторами. LIDAR (transliteration LIDAR English Light Identification Detection and Ranging - light detection and ranging) is a technology for obtaining and processing information about distant objects using active optical systems that use the phenomena of light reflection and its scattering in transparent and translucent media. Lidar, as a device, is at least an active optical range finder. Usually in Russia, such devices are called laser rangefinders and laser radars.
Оптическое излучение - электромагнитные волны, длины которых заключены в диапазоне с условными границами от 3000 pm до 0.25 pm. Optical radiation - electromagnetic waves, the lengths of which are in the range with conditional boundaries from 3000 pm to 0.25 pm.
ПШП, Псевдослучайные (псевдошумовые) последовательности — это полностью детерминированные цифровые последовательности, которые внешнему наблюдателю кажутся случайными. PWB, Pseudo-random (pseudo-noise) sequences are completely deterministic digital sequences that appear random to an external observer.
М-последовательности. М-последовательность - это рекуррентная последовательность порядка п по модулю р, где р - простое число, порождаемая уравнением: y(j + п) = (aoy i + п — 1) + «1/ + п — 2)+ an-i/(0) modp Рекуррентная последовательность порядка п по модулю р при любом простом р и некоторых комбинациях (^принимает значения из интервала от 0 до р- 1 , имеет максимально возможный минимальный период равный рп - 1. M-sequences. An M-sequence is a recurrent sequence of order n modulo p, where p is a prime generated by the equation: y(j + n) = (a o yi + n - 1) + "1/ + n - 2) + a ni /(0) modp A recurrent sequence of order n modulo p for any prime p and some combinations (^ takes values from the interval from 0 to p - 1, has the maximum possible minimum period equal to p n - 1.
Пример М-последовательности. An example of an M-sequence.
М-последовательность первого порядка по модулю 37, периода 371 - 1 = 36 порождается уравнением M-sequence of the first order modulo 37, period 37 1 - 1 = 36 is generated by the equation
(30 = 8; (3i+1 = (ao i) mod 37 где,а0 = 5; (3 0 = 8; (3 i+1 = (ao i) mod 37 where, and 0 = 5;
Последовательность /3
Figure imgf000004_0001
получена из первых 37 членов этой М- последовательности. Sequence /3
Figure imgf000004_0001
obtained from the first 37 members of this M-sequence.
[3= {8; 3; 15; 1 ; 5; 25; 14; 33; 17; 11 ; 18; 16; 6; 30; 2; 10; 13; 28; 29; 34; 22; 36; 32; 12; 23; 4; 20; 26; 19; 21 ; 31 ; 7; 35; 27; 24; 9; 8}. [3= {8; 3; 15; 1 ; 5; 25; 14; 33; 17; eleven ; 18; 16; 6; thirty; 2; 10; 13; 28; 29; 34; 22; 36; 32; 12; 23; 4; 20; 26; 19; 21; 31; 7; 35; 27; 24; 9; 8}.
Двоичные, позиционно модулированные (ПМ) последовательности. В иностранной литературе такие последовательности, называются - nonuniform trains, position modulated trains, non-uniformly spaced trains. Binary, position modulated (PM) sequences. In foreign literature, such sequences are called - nonuniform trains, position modulated trains, non-uniformly spaced trains.
Последовательности a = {ctfc} длины L в которой члены последовательности принимают значения 0 и 1 и только N членов последовательности принимают значение равное 1 . Sequences a = {ct fc } of length L in which the members of the sequence take the values 0 and 1 and only N members of the sequence take the value equal to 1 .
Члены последовательности а с номерами (М * i + /З^ - /30), где i = 0,1,2, равны 1 , а остальные члены последовательности а равны 0. Такие последовательности относятся к двоичным нерегулярным последовательностям. Последовательность /3 длины N, назовем последовательностью модулирующих сдвигов, а последовательность а - двоичной позиционно-модулированной последовательностью (ПМ). Примером последовательности /3 может служить М-последовательность, приведенная выше. The members of the sequence a with numbers (M * i + /3^ - /3 0 ), where i = 0,1,2, are equal to 1, and the remaining members of the sequence a are equal to 0. Such sequences are binary irregular sequences. The sequence /3 of length N, we will call the sequence of modulating shifts, and the sequence a - a binary position-modulated sequence (PM). An example of a /3 sequence is the M-sequence above.
Продлим последовательность а так, что при k < 0 v\ k > N - l ак = 0, тогда ненормированная АКФ последовательности a Ra(/)= 2п=/ anan-i принимает значение равное N при i = 0, и не более К при i 0. Такая последовательность называется последовательность со свойством «не более К совпадений». Let us extend the sequence a so that for k < 0 v\ k > N - l and k = 0, then the non-normalized ACF of the sequence a more than K for i 0. Such a sequence is called a sequence with the property "no more than K matches".
Двоичные последовательности, у которых К=1 , называются последовательностями со свойством «не более одного совпадения». Binary sequences that have K=1 are called sequences with the "no more than one match" property.
Для примеров, рассматриваемых в патенте, принято следующее: Нумерация членов двоичной последовательности начинается с нулевого члена. For the examples discussed in the patent, the following is accepted: The numbering of the members of a binary sequence starts from the zero member.
• Члены двоичной последовательности с номерами j, для которой верно равенство 0 = (J)' mod2 называются членами с четными номерами. • Members of a binary sequence with numbers j, for which the equality 0 = (J)' mod2 is true, are called members with even numbers.
• Члены двоичной последовательности с номерами j, для которой верно равенство 1 = (J)' mod2 называются членами с не четными номерами. • Members of a binary sequence with numbers j, for which the equality 1 = (J)' mod2 is true, are called members with odd numbers.
Если последовательность у длины L со свойством «не более К совпадений» содержит члены равные «1 », как с четными, так и нечетными номерами, разделить на две последовательности: а, состоящую из членов последовательности у с четными номерами и последовательность If a sequence y of length L with the property “no more than K matches” contains terms equal to “1”, both with even and odd numbers, divide into two sequences: a, consisting of even-numbered members of the sequence y and the sequence
8 , состоящую из членов последовательности у с нечетными номерами, то будет верно, что для последовательностей а и 8 так же выполняется свойство «не более К совпадений», т. е. уровень боковых лепестков ненормированной АКФ последовательностей а и 8 не будет принимать значения более К. 8, consisting of members of the sequence y with odd numbers, then it will be true that for sequences a and 8 the property “no more than K matches” is also satisfied, i.e. the level of side lobes of the non-normalized ACF of sequences a and 8 will not take values greater than TO.
Пример формирования и согласованная фильтрация двоичной ПМ последовательности со свойством не более одного совпадения. An example of the formation and matched filtering of a binary PM sequence with the property of no more than one match.
Из модулирующей последовательности /3
Figure imgf000005_0001
длины N = 37, приведенной в примере (М-последовательности), сформируем последовательность
Figure imgf000005_0002
Li = 56 - 36 + 8 - 8 + 1 = 2017From modulating sequence /3
Figure imgf000005_0001
of length N = 37 given in the example (M-sequence), we form the sequence
Figure imgf000005_0002
Li = 56 - 36 + 8 - 8 + 1 = 2017
Члены (Zj с номерами Мг • i + - ?0, где i = 0,1,2, . . N - 1 равны 1 , а остальные члены равны 0. Последовательность а обладает свойством «не более одного совпадения». Members (Zj with numbers M r • i + - ? 0 , where i = 0,1,2, . . N - 1 are equal to 1, and the remaining members are equal to 0. The sequence a has the property "no more than one match".
На фиг. 1 представлена схема формирования и последующей согласованной фильтрации ПМ-последовательности. Схема состоит из блока 1 формирования ПМ последовательности а =
Figure imgf000005_0003
ДЛИНЫ г. Блок 1 содержит тридцать шесть последовательно включенных каскадов 1.1. In FIG. 1 shows the scheme of formation and subsequent matched filtering of the PM sequence. The scheme consists of block 1 for the formation of the PM sequence a =
Figure imgf000005_0003
LENGTH Block 1 contains thirty-six cascades connected in series 1.1.
Первый вход каскада 1.1 является входом блока 1. The first input of cascade 1.1 is the input of block 1.
Второй выход каскада 1.1 блока 1 является выходом блока 1. Первый вход каждого следующего каскада соединен с первым выходом предыдущего каскада, то есть вход блока 1 .2 соединен с первым выходом блока 1.1 и т.д. The second output of stage 1.1 of block 1 is the output of block 1. The first input of each next stage is connected to the first output of the previous stage, that is, the input of block 1.2 is connected to the first output of block 1.1, etc.
Второй выход каждого каскада соединен с вторым входом предыдущего каскада, то есть второй выход бока 1.2 соединен с вторым входом блока 1.1 и так далее. The second output of each cascade is connected to the second input of the previous cascade, that is, the second output of side 1.2 is connected to the second input of block 1.1, and so on.
Первый выход последнего тридцать шестого каскада 1 .36 соединен с вторым входом этого же каскада 1 .36. The first output of the last thirty-sixth cascade 1.36 is connected to the second input of the same cascade 1.36.
Каждый каскад состоит из дискретной линии задержки (отмечены на схеме как позиции 1.1.2, 1.2.2, 1.3.2) и т. д. и одного элемента, выполняющего операцию дизъюнкции (или), отмечены на схеме как позиции 1.1.1 , 1.2.1 , 1.3.1 , соединенных, как показано на схеме блока 1 на фиг. 1 . Для формирования ПМ последовательности а и ее последующей согласованной фильтрации на вход блока 1 подается последовательность, нулевой (в принятой нумерации) член которой равен 1 , а остальные члены последовательности равны 0. Начиная с нулевого по
Figure imgf000006_0001
- 1 такт работы устройства в точке соединения блоков 1 и 2 при помощи блока записи и отображения Т1 фиг. 1 зафиксируем последовательность а. Двоичная последовательность а поступает на вход блока 2 (блок согласованной фильтрации). Each stage consists of a discrete delay line (marked on the diagram as positions 1.1.2, 1.2.2, 1.3.2), etc., and one element that performs the disjunction operation (or), marked on the diagram as positions 1.1.1, 1.2.1 , 1.3.1 connected as shown in block diagram 1 in Fig. 1 . To form the PM sequence a and its subsequent matched filtering, a sequence is fed to the input of block 1, the zero (in the accepted numbering) member of which is equal to 1, and the remaining members of the sequence are equal to 0. Starting from zero to
Figure imgf000006_0001
- 1 cycle of operation of the device at the connection point of blocks 1 and 2 using the recording and display unit T1 of FIG. 1 we fix the sequence a. The binary sequence a is fed to the input of block 2 (consistent filtering block).
На фигуре 1 обозначено: Figure 1 shows:
1 - блок формирования ПМ-последовательности а =
Figure imgf000006_0002
длины1 - block for the formation of the PM sequence a =
Figure imgf000006_0002
length
2 - блок согласованной фильтрации 2 - matched filtering unit
1.1 , 1.2, 1 .3 ... 1.36 - каскады блока 1 . 1.1, 1.2, 1.3 ... 1.36 - cascades of block 1.
2.1 , 2.2, 2.3, ... 2.36 - каскады блока 2. 2.1, 2.2, 2.3, ... 2.36 - cascades of block 2.
Блок 2 (блок согласованной фильтрации) состоит из тридцати шести последовательно включенных каскадов 2.1 , 2.2, ... 2.36, соединенных аналогично, как в блоке 1. Каждый каскад блока 2 состоит из дискретной линии задержки (отмечены на схеме фиг.1 как 2.1.2, 2.2.2, 2.3.3, ...2.36.2) и одного элемента, выполняющего сложение, соединенных как показано на фиг. 1 (отмечены на схеме фиг. 1 как 2.1 .1 , 2.2.1 , 2.3.1 , ...2.36.1 ) Block 2 (matched filtering unit) consists of thirty-six cascades connected in series 2.1, 2.2, ... 2.36, connected in the same way as in block 1. Each cascade of block 2 consists of a discrete delay line (marked in the diagram of Fig.1 as 2.1. 2, 2.2.2, 2.3.3, ...2.36.2) and one addition element connected as shown in fig. 1 (marked in the diagram of Fig. 1 as 2.1 .1 , 2.2.1 , 2.3.1 , ... 2.36.1 )
Таблица 1. Формулы для определения задержек в линии задержки каскадов блоков 1 и 2 на фиг. 1 .
Figure imgf000007_0002
Table 1. Formulas for determining the delays in the delay line of the cascades of blocks 1 and 2 in FIG. 1 .
Figure imgf000007_0002
На фигуре 2 (верхний график) приведен фрагмент отклика на выходе согласованного фильтра блока 2, зафиксированный блоком регистрации и отображения Т2 фиг. 1 при подаче на его вход последовательности а зафиксированной блоком Т1 фиг. 1. (нижний график). Figure 2 (upper graph) shows a fragment of the response at the output of the matched filter of block 2, fixed by the registration and display unit T2 of Fig. 1 when applying to its input the sequence a fixed by block T1 of FIG. 1. (bottom graph).
Как видно, положение отсчета поел, а с номером
Figure imgf000007_0001
- 1 не равного нулю в последовательности на входе согласованного фильтра (вх. Блока 2) совпадает с (главным) пиком отклика на выходе согласованно фильтра, зафиксированного блоком Т2. Отсчеты, соседствующие с пиком отклика, будем называть боковыми лепестками (пика) отклика (в литературе встречается название боковые пики), а отношение их максимальной амплитуды к амплитуде пика отклика будем называть УБЛ уровнем боковых лепестков (отклика). В литературе так же используют термин уровень боковых пиков. As you can see, the position of the reference has eaten, and with the number
Figure imgf000007_0001
- 1 non-zero in sequence at the input of the matched filter (input of block 2) coincides with the (main) peak of the response at the output of the matched filter captured by block T2. The readings adjacent to the response peak will be called the response side lobes (peak) (there is a name in the literature side peaks), and the ratio of their maximum amplitude to the response peak amplitude will be called the UBL level of the side lobes (response). In the literature, the term side peak level is also used.
Модулирующая дискретная последовательность - последовательность конечной длины, номера членов которой приурочены к номерам временных позиций, на которых происходит испускание лидаром оптического импульса, если член модулирующей последовательности отличен от нуля. Modulating discrete sequence - a sequence of finite length, the numbers of members of which are confined to the numbers of time positions at which the lidar emits an optical pulse, if the member of the modulating sequence is different from zero.
Tmod - длительность временной позиции ПИМ сигнала fmod = /Tmod ~ частота модуляции испускаемого оптического сигнала.T mod - duration of the PIM signal time position fmod = /Tmod ~ modulation frequency of the emitted optical signal.
Член модулирующей последовательности может быть, не только двоичной величиной, (0 - не испускание, 1 - испускание), но массивом данных, характеризующим форму, частоту, амплитуду, фазу, поляризацию испускаемого импульса, т. е. заданные характеристики оптического импульса. A member of the modulating sequence can be not only a binary value, (0 - not emitting, 1 - emitting), but an array of data, characterizing the shape, frequency, amplitude, phase, polarization of the emitted pulse, i.e., the given characteristics of the optical pulse.
Позиционно-импульсная модуляция (ПИМ). Если модулирующая последовательность является двоичной ПМ последовательностью, то модулированная ей последовательность испускаемых оптических импульсов называется позиционно модулированной последовательностью (оптических) импульсов или позиционно-импульсно модулированной (ПИМ) последовательностью (оптических) импульсов (ПИМПОИ). Position-pulse modulation (PIM). If the modulating sequence is a binary PM sequence, then the sequence of emitted optical pulses modulated by it is called a position modulated sequence of (optical) pulses or a position-pulse modulated (PIM) sequence of (optical) pulses (PMPOI).
В иностранной литературе такие последовательности испускаемых импульсов называются «PPM sequence». В патенте США US 8072582 приведен близкий тип модуляции последовательностей импульсов, называемый «pulse timing sequence, with pseudo-random timing». In foreign literature, such sequences of emitted pulses are called "PPM sequence". US Pat. No. 8,072,582 describes a closely related type of pulse train modulation called "pulse timing sequence, with pseudo-random timing".
Зондирующий сигнал - модулированная последовательность оптичеких импульсов , испускаемя лидаром. The probing signal is a modulated sequence of optical pulses emitted by the lidar.
Квантовая эффективность - вероятность генерации попадающим на оптический сенсор одиночным фотоном свободного носителя, который достигнет области высокого поля, достаточного для ударной ионизации или вероятность срабатывания сенсора при попадании на поверхность сенсора одиночного фотона. Quantum efficiency - the probability of generation of a single free carrier photon hitting the optical sensor, which will reach a high field region sufficient for impact ionization or the probability of sensor operation when a single photon hits the sensor surface.
Динамическая квантовая эффективность - отношение прироста вероятности срабатывания сенсора на интервале времени Тд при условии увеличения числа фотонов q попадающих на поверхность сенсора на интервале времени Тд , на величину Лг|, к величине Лг| при Aq/q менее 0,1 . Dynamic quantum efficiency - the ratio of the increase in the probability of triggering the sensor in the time interval T d under the condition of increasing the number of photons q falling on the sensor surface in the time interval T d , by the value of Lg|, to the value of Lg| when Aq/q is less than 0.1.
Динамический коэффициент преобразования (динамическая чувствительность) фототок/мощность. Для оптических сенсоров, работающих в режиме преобразования мощность в фототок, динамический коэффициент преобразования. Dynamic conversion factor (dynamic sensitivity) photocurrent/power. For optical sensors operating in the power-to-photocurrent conversion mode, the dynamic conversion factor.
/^(W) = dl/dW , где I фототок, W мощность излучения, попадающая на сенсор. /^(W) = dl/dW , where I is the photocurrent, W is the radiation power incident on the sensor.
Примером такого оптического сенсора служит матричный кремниевый фотоумножитель, в зарубежной литературе именуемый SiPM. An example of such an optical sensor is a matrix silicon photomultiplier, referred to in foreign literature as SiPM.
Динамический коэффициент преобразования фототок/мощность так же снижается при увеличении мощности излучения поступающего на поверхность сенсора. Режим детектирования квантовым оптическим сенсором оптического сигнала, при котором показатель «динамическая квантовая эффективность» снижается в два и более или раз, или режим детектирования оптическим сенсором, работающим в режиме преобразования мощность в фототок, при котором динамический коэффициент преобразования фототок/мощность снижается в два или более раз, будем называть режимом работы сенсора в режиме насыщения или ограничения. The dynamic photocurrent/power conversion ratio also decreases with an increase in the radiation power coming to the sensor surface. The mode of detecting an optical signal by a quantum optical sensor, in which the “dynamic quantum efficiency” index is reduced by two or more or times, or the detection mode by an optical sensor operating in the power-to-photocurrent conversion mode, in which the dynamic photocurrent/power conversion coefficient is reduced by two or more more times, we will call the mode of operation of the sensor in the mode of saturation or limitation.
Порог насыщения - минимальная мощность излучения или среднее число фотонов за заданный интервал времени, поступающие на сенсор при которой сенсор работает в режиме насыщения (ограничения). Saturation threshold - the minimum radiation power or the average number of photons for a given time interval arriving at the sensor at which the sensor operates in saturation (limitation) mode.
Разрешаемый объект - объект или элемент/сегмент объекта, попадающий в створ луча, в котором сосредоточено оптическое излучение, испускаемое передатчиком лидара и в створ луча, в котором сосредоточено отраженное излучение, попадающее на поверхность оптического сенсора приемника лидара. A resolvable object is an object or element/segment of an object that enters the beam target, in which the optical radiation emitted by the lidar transmitter is concentrated and into the beam target, in which the reflected radiation is concentrated, falling on the surface of the optical sensor of the lidar receiver.
ЭПР (эффективная поверхность рассеяния) - является количественной мерой свойства разрешаемого объекта рассеивать часть оптического излучения по направлению к приемному сенсору. Энергия отраженного зондирующего сигнала, поступающая на оптический сенсор, пропорциональна ЭПР разрешаемого объекта. ESR (Effective Scattering Surface) - is a quantitative measure of the property of a resolvable object to scatter part of the optical radiation towards the receiving sensor. The energy of the reflected probing signal arriving at the optical sensor is proportional to the RCS of the resolved object.
Принимаемый сигнал - представляет собой, поступающую на поверхность оптического сенсора или сенсоров, если оптический сенсор содержит несколько приемных элементов, суперпозицию отраженных зондирующих сигналов от объекта/-ов расстояние, до которого/-ых измеряется, так и отраженных зондирующих сигналов от других (объектов) и шумового излучения. The received signal is a superposition of the reflected probing signals from the object/s, the distance to which/s is measured, and the reflected probing signals from other (objects) arriving at the surface of the optical sensor or sensors, if the optical sensor contains several receiving elements and noise emission.
В этой суперпозиции отраженные оптические сигналы поступающие на поверхность сенсора могут различаться по интенсивности, в том числе сигналы интенсивность которых недостаточна для разрешения объекта методом с которым производится сравнение, назовем «слабыми», сигналы интенсивности которых на поверхности сенсора превышают порог насыщения назовем «сильными» (т.е. к сильным сигналам относятся те сигналы в которых одиночные оптические импульсы поступающие на поверхность сенсора приводят к его срабатыванию с вероятностью близкой к 1.0) , а сигналы, интенсивности которых на поверхности сенсора не превышают порог насыщения сенсора, и при этом разрешаемые с использованием метода с которым производится сравнение назовем «ординарными». Аналогично назовем и ЭПР объектов, и сами объекты, порождающие отраженные сигналы, как «слабые», «сильные», «ординарные». In this superposition, the reflected optical signals arriving at the sensor surface can differ in intensity, including signals whose intensity is insufficient to resolve the object by the method with which the comparison is made, we will call "weak", the intensity signals of which on the sensor surface exceed the saturation threshold, we will call "strong" ( i.e. strong signals include those signals in which single optical pulses arriving at the sensor surface lead to its operation with a probability close to 1.0), and signals whose intensities on the sensor surface do not exceed the saturation threshold of the sensor, and at the same time are resolved using the method with which the comparison is made will be called "ordinary". Similarly, we will call the EPR of objects, and the objects themselves, generating reflected signals, as "weak", "strong", "ordinary".
Селективность - способность лидара разрешать (достоверно определять дальность до зондируемого объекта при помощи порогового обнаружителя) зондируемый объект или сегмент протяженного зондируемого объекта, попадающего в створ луча при наличии в створе луча других расположенных рядом объектов (элементов составного объекта) с большими ЭПР и шумового излучения, попадающего на поверхность приемного сенсора. Можно говорить, о том, что если пик отклика или пики откликов от зондируемого объекта/объектов, или элемента/элементов объекта/объектов четко выделяются на рефлектограмме над уровнем шума, боковых лепестков откликов, то лидар, использующий способ или устройство, приводящее к получению настоящей рефлектограммы, использует способ, который селективно разрешает объекты (элементы объектов) и порождает разрешаемые пики откликов на вторичной рефлектограмме. Selectivity - the ability of a lidar to resolve (reliably determine the range to a probed object using a threshold detector) a probed object or a segment of an extended probed object that enters the beam target in the presence of other nearby objects (elements of a composite object) with large RCS and noise radiation in the beam target, hitting the surface of the receiving sensor. It can be said that if the peak of the response or peaks of the responses from the probed object/objects, or the element/elements of the object/objects are clearly distinguished on the reflectogram above the noise level, side lobes of the responses, then a lidar using a method or device that leads to obtaining a real trace uses a method that selectively resolves objects (elements of objects) and generates resolvable response peaks on the secondary trace.
Оптические сенсоры, работающие в режиме счетчика Гейгера. Optical sensors operating in Geiger counter mode.
Известны сенсоры (оптические приемные элементы) для регистрации оптического излучения SSPD (Superconducting Single-Photon Detector) или сверхпроводниковые однофотонные детекторы, работающие при температурах близких к абсолютному нулю и применяемые для регистрации единичных фотонов и работающие в режиме счетчика Гейгера в диапазоне длин волн от 250 до 3000 пт. Примером такого сенсора может служить сенсор, описанный в патенте RU 2346357, опубликован в 2009 г., на основе тонкопленочных сверхпроводниковых структур. Подобного рода сенсоры характеризуются квантовой эффективностью до 80- 90%, временным разрешение до 25 ps. На основе подобных приемников создаются интегральные системы регистрации, имеющие десятки каналов (пикселов). Недостатком использования SSPD сенсоров является, необходимость охлаждения сенсора до температур близких к абсолютному нулю. Known sensors (optical receiving elements) for detecting optical radiation SSPD (Superconducting Single-Photon Detector) or superconducting single-photon detectors operating at temperatures close to absolute zero and used to detect single photons and operating in the Geiger counter mode in the wavelength range from 250 to 3000 pt. An example of such a sensor is the sensor described in patent RU 2346357, published in 2009, based on thin-film superconducting structures. Such sensors are characterized by quantum efficiency up to 80-90%, time resolution up to 25 ps. On the basis of such receivers, integrated registration systems are created with dozens of channels (pixels). The disadvantage of using SSPD sensors is the need to cool the sensor to temperatures close to absolute zero.
Известны сенсоры регистрации оптического излучения InGaAs /InP SPAD (Indium Gallium Arsenide I Indium Phosphide Single-Photon Avalanche Diode ) или Арсенйд галлий-йндиевые однофотонные лавинные диоды на основе, применяемые для регистрации единичных фотонов, работающих в режиме счетчика Гейгера в диапазоне длин волн от 900 до 1700 пт. По сравнению со сверхпроводящими однофотонными детекторами они не требуют дорогостоящих криогенных охладителей. Основным недостатком SPAD сенсоров является высокая вероятность повторного срабатывания сенсора после приема оптического импульса в интервале времени до 100 ns, для компенсации этого недостатка используют, особый режим работы SPAD, называемы быстрое стробирование. Known sensors for detecting optical radiation InGaAs / InP SPAD (Indium Gallium Arsenide I Indium Phosphide Single-Photon Avalanche Diode) or Arsenide gallium-indium single-photon avalanche diodes based on, used to detect single photons operating in the Geiger counter mode in the wavelength range from 900 up to 1700 pt. Compared to superconducting single photon detectors, they do not require expensive cryogenic coolers. The main disadvantage of SPAD sensors is the high probability repeated triggering of the sensor after receiving an optical pulse in the time interval up to 100 ns, to compensate for this shortcoming, a special SPAD operation mode is used, called fast gating.
Быстрое стробирование (Ultra-short gating, extremely short gating) - режим работы оптического сенсора при котором сенсор на очень короткие интервалы времени, составляющие 100-200 ps переключают в режим счетчика Гейгера. Быстрое стробирование позволяет снизить время, в течение которого сенсор не готов к работе, за счет протекающих в нем переходных процессов, возникающих в следствии приема оптического излучения в режиме счетчика Гейгера и снизить вероятность повторного срабатывания сенсора (afterpulsing probability) при последующих после приема оптического излучения быстрых стробированиях оптического сенсора. Fast gating (Ultra-short gating, extremely short gating) is an optical sensor operating mode in which the sensor is switched to the Geiger counter mode for very short time intervals of 100-200 ps. Fast gating allows to reduce the time during which the sensor is not ready for operation due to the transient processes occurring in it that occur as a result of receiving optical radiation in the Geiger counter mode and to reduce the probability of the sensor re-triggering (afterpulsing probability) during subsequent fast pulses after receiving optical radiation. gating of the optical sensor.
Быстрое стробирование может быть осуществлено различными способами. В патенте США US 7705284 предложен способ и устройство стробирования в котором на анод диода подается сумма напряжения смещения стробирующего синусоидального сигнала. В течении каждого периода стробирующего сигнала фотон может быть обнаружен на интервалне времении, в котором напряжение на аноде диода превышает напряжение пробоя и диод находится в активном состоянии (готов к приему фотона). С сопротивления в цепи катода диода снимается сигнал, представляющий суперпозицию лавинного сигнала и синусоидального сигнала. Лавинный сигнал отделяется от синосоидального на режекторном фильтре, подавляющем первую гармонику частоты стробирования. К недостаткам этого способа можно отнести то, что мгновенная эффективность приема фотона на интервале времении, в котором напряжение на аноде превышает напряжения пробоя непостоянна и определяется формой напряжения на аноде изменяемой по синусоидальному закону. Инревал времени стробирования зависит от частоты стробирования и амплитуд напряжения смещения синусоидального сигнала и самого синусоидального сигнала . Fast gating can be done in a variety of ways. US Pat. No. 7,705,284 proposes a gating method and apparatus in which the sum of the bias voltage of the gating sinusoidal signal is applied to the anode of the diode. During each period of the strobe signal, a photon can be detected at the time interval in which the voltage at the anode of the diode exceeds the breakdown voltage and the diode is in an active state (ready to receive a photon). A signal representing a superposition of an avalanche signal and a sinusoidal signal is taken from the resistance in the diode cathode circuit. The avalanche signal is separated from the sinusoidal signal by a notch filter that suppresses the first harmonic of the sampling frequency. The disadvantages of this method include the fact that the instantaneous efficiency of photon reception in the time interval in which the voltage at the anode exceeds the breakdown voltage is not constant and is determined by the shape of the voltage at the anode, which changes according to a sinusoidal law. The gate time interval depends on the gate frequency and amplitudes of the bias voltage of the sinusoidal signal and the sinusoidal signal itself.
В патенте США US 9012860 описан способ и устройство для однофотонного приема в режиме быстрого стробирования. Устройство содержит два идентичных ЛПД диода, на которые через делитель сигнала на катоды диодов подается стробирующий сигнал в виде меандра и положительное напряжения смещения. Первый ЛПД диод адоптирован, как приемник излучения, а второй является холостым и используется в качестве источника, идентичного в первом емкостного переходного процесса, возникающего на первом ЛПД при подаче на него стробирующего сигнала в виде меандра. Лавинный сигнал с первого ЛПД выделяется путем вычитания из него переходного процесса, формируемого на втором ЛПД. За счет использования меандра в качестве сигнала стробирования квантовая эффективность на интервале времени, когда напряжение на диоде превышает напряжение пробоя, примерно постоянна. Интервал времени, в котором диод находится в состоянии приема фотона почти, не зависит от амплитуды меандра и напряжения смещения. Это способ приема является наиболее приемлемым для использования в описываемом изобретении, но не ограничивает его. US Pat. No. 9,012,860 describes a method and apparatus for single photon reception in fast gating mode. The device contains two identical LTD diodes, to which a strobe signal in the form of a meander and a positive bias voltage are supplied through a signal divider to the cathodes of the diodes. The first APD diode is adopted as a radiation receiver, and the second is idle and is used as a source, identical to the first capacitive one. the transient process that occurs on the first APD when a strobe signal in the form of a meander is applied to it. The avalanche signal from the first LTD is extracted by subtracting from it the transient process formed on the second LTD. Due to the use of a square wave as a gating signal, the quantum efficiency in the time interval when the diode voltage exceeds the breakdown voltage is approximately constant. The time interval in which the diode is in the state of receiving a photon is almost independent of the meander amplitude and bias voltage. This method of reception is the most suitable for use in the described invention, but does not limit it.
Быстрое стробирование позволяет принять сенсором оптическое излучение, поступающее на сенсор только на интервалах стробирования. Тд Fast gating allows the sensor to receive optical radiation that enters the sensor only at gating intervals. T d
Оптический сенсор. Под оптическим сенсором понимаем одиночный оптический сенсор, работающий в режиме быстрого стробирования или группу сенсоров, работающих в режиме быстрого стробирования. Optical sensor. By optical sensor we mean a single optical sensor operating in the fast gating mode or a group of sensors operating in the fast gating mode.
Принятый оптический сигнал, рефлектограммы. Под принятым сигналом понимаем конечную дискретную последовательность, формируемую в процессе приема оптического сигнала. Каждый член этой последовательности формируется по результатам работы сенсора (или группы оптических сенсоров) на соответствующем временном интервале Тд Received optical signal, reflectograms. Under the received signal we mean the final discrete sequence formed in the process of receiving the optical signal. Each member of this sequence is formed based on the results of the operation of the sensor (or a group of optical sensors) at the corresponding time interval T d
В нашем случае такой сигнал также называется первичной рефлектограммой или сигналом (последовательностью) двоичного детектирования. In our case, such a signal is also called the primary reflectogram or binary detection signal (sequence).
Под вторичной рефлектограммой понимается обработанная методом согласованной фильтрации первичная рефлектограмма. Вторичная рефлектограмма применяется для вычисления временных задержек оптического сигнала, отраженного или порождаемого зондируемым объектом. The secondary reflectogram is understood as the primary reflectogram processed by the matched filtering method. The secondary reflectogram is used to calculate the time delays of the optical signal reflected or generated by the probed object.
ПК - компьютер с программным обеспечением и интерфейсными модулями предназначенный для управление стендом, имитирующим работу лидара и для обработки первичных рефлектограмм, формируемых стендом, для формирования вспомогательных последовательностей загружаемых в память блоков стенда. PC - a computer with software and interface modules designed to control the bench that simulates the operation of the lidar and to process the primary reflectograms generated by the bench to form auxiliary sequences of the bench blocks loaded into the memory.
Цели изобретения. Purpose of the invention.
Очевидным способом увеличения эффективности разрешения элементов цели со «слабыми» ЭПР является увеличение энергии зондирующих оптических импульсов, что позволяет увеличить соотношение сигнал/шум на поверхности оптического сенсора. Но часто увеличение энергии требует значительных материальных затрат или технически, на данном уровне техники, не реализуемо. В тоже время известны относительно доступные способы генерации оптического излучения, имеющие ограничения по пиковой мощности, и источники, например такие как лазерные диоды, оптико-терагерцевые преобразователи, например использующие эффект Дембера [ DOI: 10.1364/OL.428599 ]. An obvious way to increase the efficiency of resolving target elements with “weak” EPR is to increase the energy of probing optical pulses, which makes it possible to increase the signal-to-noise ratio on the surface optical sensor. But often an increase in energy requires significant material costs or technically, at this level of technology, is not feasible. At the same time, relatively accessible methods for generating optical radiation are known, which have limitations in terms of peak power, and sources, such as laser diodes, optical-terahertz converters, for example, using the Dember effect [DOI: 10.1364/OL.428599].
Использование подобных источников импульсного терагерцевого излучения совместно с приемниками терагерцевого излучения (см., например, SSPD) в режиме быстрого стробирования с применением технических решений, описанных в настоящем патенте, позволяет создавать сканеры (лидары) для дистанционного обнаружения металлических предметов и определения их формы, например, в людской толпе, в зарослях при наличии тумана, для дистанционного определения малых концентраций газов в атмосфере и т.д. The use of such sources of pulsed terahertz radiation in conjunction with terahertz radiation receivers (see, for example, SSPD) in the fast gating mode using the technical solutions described in this patent makes it possible to create scanners (lidars) for remote detection of metal objects and determining their shape, for example , in a crowd of people, in thickets in the presence of fog, for remote determination of low concentrations of gases in the atmosphere, etc.
Цель данного изобретения состоит в том, чтобы обеспечить обнаружение всех элементов зондируемого объекта в том случае, когда энергия испускаемых оптических импульсов является недостаточной для обеспечения надежного разрешения, зондируемых объектов и при этом есть ограничения по времени, отводимом на разрешение указанных объектов. Предпочтительно, чтобы время, необходимое для разрешения не превышало одного цикла зондирования. The purpose of this invention is to ensure the detection of all elements of the probed object in the case when the energy of the emitted optical pulses is insufficient to provide reliable resolution of the probed objects and there are time limits for resolving these objects. Preferably, the time required for resolution does not exceed one probing cycle.
Или, иными словами, ставится задача - улучшение селективности разрешения зондируемых объектов при ограниченной мощности зондирующего сигнала и/или длительности зондирующего сигнала. Or, in other words, the task is to improve the selectivity of the resolution of probed objects with limited probing signal power and/or probing signal duration.
Раскрытие изобретения. Disclosure of the invention.
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить устройство для приема оптического сигнала, включающее в себя генератор тактового сигнала, соединенный с оптическим приемным устройством, работающим в нелинейном режиме, блоком согласованной фильтрации, модулем порогового обнаружения сигнала, позволяющее, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно обеспечить обнаружение всех элементов зондируемого объекта в том случае, когда энергия испускаемых оптических импульсов является недостаточной для обеспечения надежного разрешения, зондируемых объектов известными методами и при этом есть ограничения по времени зондирования, что и является поставленной технической задачей настоящего изобретения. Based on this original observation, the present invention mainly aims to provide an apparatus for receiving an optical signal, including a clock signal generator connected to an optical receiver operating in a non-linear mode, a matched filtering unit, a signal threshold detection module, allowing, by at least smooth out at least one of the above disadvantages, namely, to ensure the detection of all elements of the probed object in the case when the energy of the emitted optical pulses is insufficient to ensure reliable resolution of the probed objects known methods and there are limitations on the time of probing, which is the technical problem of the present invention.
Для достижения этой цели устройство включает в себя генератор тактового сигнала 17.1 узел регулировки квантовой эффективности по средней частоте срабатываний сенсора 108-2 и блок формирования сигнала адаптации стробирования 105. To achieve this goal, the device includes a clock signal generator 17.1, a quantum efficiency adjustment unit based on the average frequency of sensor responses 108-2, and a gating adaptation signal generator 105.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность сократить время осуществления зондирования, осуществлять зондирование всех элементов зондируемого объекта, попадающих в створ зондирующего луча одновременно. Due to these advantageous characteristics, it becomes possible to reduce the time of probing, to carry out probing of all elements of the probed object that fall into the target of the probing beam at the same time.
Также изобретение относится к способам приема оптического сигнала, при котором генерируют тактовый сигнал, принимают отраженный от разрешаемого объекта сигнал оптическим приемным устройством 17.2, работающем в нелинейном режиме, имеющим блок согласованной фильтрации 17.3 и модуль порогового обнаружения сигнала 17.4. The invention also relates to methods for receiving an optical signal, in which a clock signal is generated, a signal reflected from a resolvable object is received by an optical receiver 17.2 operating in a non-linear mode, having a matched filtering unit 17.3 and a threshold signal detection module 17.4.
Для того, чтобы обеспечить обнаружение всех элементов зондируемого объекта в том случае, когда энергия испускаемых оптических импульсов является недостаточной для обеспечения надежного разрешения, зондируемых объектов и при этом есть ограничения по времени зондирования предлагается, согласно изобретению, необходимо добавить этап, при котором адаптируют стробирующий сигнал, регулируют квантовую эффективность по частоте срабатываний сенсора. In order to ensure the detection of all elements of the probed object in the case when the energy of the emitted optical pulses is insufficient to ensure reliable resolution of the probed objects and there are restrictions on the probing time, it is proposed, according to the invention, it is necessary to add a step in which the gate signal is adapted , regulate the quantum efficiency by the frequency of the sensor operation.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность сократить время осуществления зондирования, осуществлять зондирование всех элементов зондируемого объекта, попадающих в створ зондирующего луча одновременно. Due to these advantageous characteristics, it becomes possible to reduce the time of probing, to carry out probing of all elements of the probed object that fall into the target of the probing beam at the same time.
Существует вариант изобретения, в котором формирование сигнала адаптации стробирования осуществляется в процессе зондирования по результатам согласованной фильтрации фрагмента зондирующей ПИ последовательности или отдельного зондирующего пилот-сигнала, позволяющего оценить временные задержки отраженно сигнала от элементов зондируемого объекта о «сильными» ЭПР. There is a variant of the invention in which the formation of the gating adaptation signal is carried out in the process of probing based on the results of matched filtering of a fragment of the probing PI sequence or a separate probing pilot signal, which makes it possible to estimate the time delays of the reflected signal from the elements of the probed object about "strong" RCS.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность отказаться от использования дополнительного оптического тракта необходимого для формирования сигнала адаптации стробирования. Краткое описание чертежей. Thanks to these advantageous characteristics, it becomes possible to refuse the use of an additional optical path necessary for the formation of the gating adaptation signal. Brief description of the drawings.
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых: Other features and advantages of the present invention will clearly appear from the description below, by way of illustration and without being restrictive, with reference to the accompanying figures, in which:
Фигура 1 показывает схему блока формирования ПИМ последовательности а =
Figure imgf000015_0001
и ее согласованной фильтрации. Figure 1 shows the block diagram of the PIM sequence generation a =
Figure imgf000015_0001
and its matched filtering.
Фигура 2 изображает фрагменты дискретных последовательностей, зафиксированных и отображаемых блоками Т2 (верхний график) и Т1 (нижний график). По абсциссе отложены такты работы устройства фиг. 1 . Figure 2 depicts fragments of discrete sequences captured and displayed by blocks T2 (upper graph) and T1 (lower graph). The abscissa indicates the operation cycles of the device of FIG. 1 .
Фигура 3 изображает график, поясняющий способ формирования импульсного сигнала стробирования. Figure 3 is a graph explaining a method for generating a gate pulse signal.
Фигура 4 показывает варианты возможного временного положения стробов (стробирующих импульсов), относительно принимаемой ПИМ последовательности (оптических) импульсов. Figure 4 shows options for the possible timing of the strobes (strobe pulses) relative to the received PIM sequence of (optical) pulses.
- график А - схематически изображает два фрагмента, принимаемого ПИМ сигнала, содержащий четыре временные позиции сигнала, четные временные позиции отмечены знаком «0», нечетные знаком «1 ». - graph A - schematically depicts two fragments of the received PIM signal, containing four time positions of the signal, even time positions are marked with the sign "0", odd ones with the sign "1".
- графики В, С, D, Е схематически отображают периодические сигналы стробирования, отличающиеся только своим положением во времени относительно начала четных временных позиций сигнала. - graphs B, C, D, E schematically display periodic gating signals, differing only in their position in time relative to the beginning of the even time positions of the signal.
Фигура 1 показывает график, где по абсциссе графиков В, С, D, Е отложены номера отсчетов двоичной последовательности, полученной рассматриваемым в примере методом. На ординатах графиков В, С, D, Е отложены амплитуды отсчетов, двоичной последовательности, полученной рассматриваемым в примере методом, отличающиеся положением сигналов стробирования, варианты которых приведены на графиках В, С, D, Е на фигуре 4. Figure 1 shows a graph, where the abscissa of graphs B, C, D, E plots the numbers of samples of the binary sequence obtained by the method considered in the example. On the ordinates of the graphs B, C, D, E, the amplitudes of the readings are plotted, the binary sequence obtained by the method considered in the example, differing in the position of the gating signals, the variants of which are shown in the graphs B, C, D, E in figure 4.
Фигура 6 показывает схему формирования и последующей согласованной фильтрации ПИМ последовательности. Figure 6 shows a diagram of the generation and subsequent matched filtering of the PIM sequence.
Фигура 7 изображает фрагмент отклика фильтра (от такта 74000 до такта 76750) на выходе согласованного в точке Т2 фиг.6 (на устройстве регистрации и отображении Т2) и на выходе режекторного фильтра в точке ТЗ фиг 6 (на устройстве регистрации и отображении ТЗ). Фигура 8 изображает функциональную схему стенда имитации приемного и передающего тракта лидара, без функциональных блоков обработки рефлектограмм, реализуемых программно в ПК. Figure 7 depicts a fragment of the filter response (from cycle 74000 to cycle 76750) at the output matched at point T2 of Fig.6 (on the registration device and display T2) and at the output of the notch filter at point T3 of Fig 6 (on the registration device and display of T3). Figure 8 depicts a functional diagram of the stand for imitation of the receiving and transmitting paths of the lidar, without the functional blocks for processing reflectograms implemented programmatically in a PC.
Фигура 9 изображает роботу блока формирования модулирующей двоичной ПМ последовательности. Figure 9 depicts the robot of the block for the formation of the modulating binary PM sequence.
Фигура 10 изображает работу блока формирования сигнала адаптации стробирования 105. Figure 10 depicts the operation of the gating adaptation signal generator 105.
Фигура 11 схематически изображает устройство блока имитации сложного зондируемого объекта (БИЗО). Figure 11 schematically depicts the device of the block for simulating a complex probed object (CISO).
Фигура 12 схематически отображает связь отсчетов в последовательности двоичного детектирования (график Е на фиг.12) с временными интервалами стробирования (график D) и временного положения тактовых импульсов (график В). Figure 12 schematically depicts the relationship of samples in the binary detection sequence (plot E in Fig. 12) with gate time intervals (plot D) and clock timing (plot B).
Фигура 13 показывает функциональную схема обработки и формирования сигналов, реализованную программно на ПК. Figure 13 shows a functional diagram of signal processing and generation implemented in PC software.
Фигуры 14 и 15 показывают фрагменты рефлектограммы Z, полученные после обработки первичных рефлектограмм путем согласованной фильтрацией и соответствующие им фрагменты вспомогательной последовательности 5*Y. Figures 14 and 15 show fragments of the Z trace obtained after processing the primary traces by matched filtering and the corresponding fragments of the 5*Y auxiliary sequence.
На фиг. 16 представлена возможная схема оптического тракта устройства формирования сигнала адаптации стробирования. In FIG. 16 shows a possible diagram of the optical path of the gating adaptation signal generator.
Осуществление изобретения. Implementation of the invention.
Покажем, как происходит управление квантовой эффективностью сенсора в режиме быстрого стробирования. Вероятность срабатывания оптического сенсора за Тд от числа фотонов с пуассоновским распределение по времени по материалам [DOS: 10.1049/е!: 19840411 ] можно представить в виде простого уравнения (1 ) Let us show how the quantum efficiency of the sensor is controlled in the fast gating mode. The probability of operation of an optical sensor for T d from the number of photons with a Poisson time distribution for materials [DOS: 10.1049 / e!: 19840411 ] can be represented as a simple equation (1)
(1 ) Рс = 1 - (1 - Pdc)exp(-^) , где (1 ) Р c = 1 - (1 - P dc )exp(-^) , where
Pdc - вероятность срабатывания сенсора при отсутствии излучения на пов. сенсора за интервал времени Тд (dark count probability), - квантовая эффективность, ту- среднее число фотонов, попадающее на сенсор за интервал времени Тд . P dc - the probability of sensor operation in the absence of radiation on the surface. sensor for a time interval T d (dark count probability), - quantum efficiency, tu - the average number of photons that hit the sensor for a time interval T d .
Уравнение (1 ) удобно представить в виде (2) Equation (1) can be conveniently represented as (2)
(2) Рс = 1 - ехр(— (ту + ?ydc)) , где
Figure imgf000016_0001
При практическом применения этого уравнения число фотонов ту попадающее на поверхность сенсора за время стробирования Тд состоит из фотонов шумовой составляющей (нижний индекс N) И собственно сигнальной (нижний индекс s) (2) Р c = 1 - exp(— (my + ?y dc )) , where
Figure imgf000016_0001
In the practical application of this equation, the number of photons that hit the sensor surface during the gating time T d consists of photons of the noise component (subscript N) AND the actual signal component (subscript s)
(3) rj = TJN + Tjs (3) rj = TJ N + Tj s
С практической точки зрения, самопроизвольное срабатывание сенсора, выражаемое переменной jydc можно рассматривать, как элемент шумовой составляющей в детектируемом сигнале несмотря на то, что он связан с внутренней природой сенсора. From a practical point of view, the spontaneous operation of the sensor, expressed by the variable jy dc , can be considered as an element of the noise component in the detected signal, despite the fact that it is associated with the internal nature of the sensor.
Известно, что Pdc и соответственно jydc в режиме скоростного стробирования увеличивается при уличении показателя путем увеличения напряжения смещения на ЛПД, работающем в режиме счетчика Гейгера, увеличения рабочей температуры сенсора и сокращения времени прошедшего от момента предшествующего срабатывания сенсора до момента начала нового стробирования. It is known that P dc and, accordingly, jy dc in the high-speed gating mode increases when the indicator is increased by increasing the bias voltage on the LTD operating in the Geiger counter mode, increasing the operating temperature of the sensor, and reducing the time elapsed from the moment of the previous sensor operation to the start of a new gating.
На практике, под шумовой составляющей jyw понимают собственно сумму среднего числа шумовых фотонов, попадающих на поверхность сенсора за время стробирования обозначаемую здесь как г^п и величины jydc , характеризующей собственный шум сенсора. jyw - эквивалентное число шумовых фотонов. In practice, the noise component jy w is actually the sum of the average number of noise photons that hit the sensor surface during the gating time, denoted here as r^ n , and the value jy dc , which characterizes the intrinsic noise of the sensor. jy w is the equivalent number of noise photons.
(4) rjN = i)fn + T]dc (4) rj N = i) fn + T] dc
Вероятность срабатывания сенсора за время стробирования при отсутствии попадания на поверхность сенсора сигнального оптического импульса можно выразить уравнением: The probability of sensor operation during the gating time in the absence of a signal optical pulse hitting the sensor surface can be expressed by the equation:
(5) PCN = 1 - ехр(— <fjyw) (5) P CN = 1 - exp(- < fjy w )
Вероятность срабатывания сенсора за время стробирования при попадании на поверхность сенсора сигнального оптического импульса можно выразить уравнением: The probability of sensor operation during the gating time when a signal optical pulse hits the sensor surface can be expressed by the equation:
(6) Pcs = 1 - ехр(
Figure imgf000017_0001
где S/N = i sh N. (6) P cs = 1 - exp(
Figure imgf000017_0001
where S/N = i s h N .
Прирост вероятности срабатывания сенсора при попадании на поверхность сенсора оптического сигнала можно определить как Рдс = Pcs - PCN The increase in the probability of sensor operation when an optical signal hits the sensor surface can be defined as Р ds = P cs - P CN
Наличие прироста позволяет выделить из детектированного оптического сигнала путем согласованной фильтрации, информацию о времени начала поступления на оптический сенсор ПИМПОИ, например, отраженной от элемента зондируемого объекта. При согласованной фильтрации одной ПИМ последовательности соотношение S/N в отсчете - пике отклика на выходе дискретного согласованного фильтра будет увеличено по сравнению с соотношением при условиях детектирования. The presence of the gain allows you to extract from the detected optical signal by matched filtering, information about the time of the start of arrival at the optical sensor of the PIMPOI, for example, reflected from the element of the probed object. With matched filtering of one PIM sequence, the S/N ratio in the sample - peak response at the output of a discrete matched filter will be increased compared to the ratio under detection conditions.
Обозначим соотношение S/N при условиях детектирования, как (S/N)tn Let us denote the S/N ratio under the detection conditions as (S/N)t n
Сигнальную составляющую отклика на выходе согласованно фильтра ПИМ последовательности можно оценить, как математическое ожидание величины отсчета пика отклика на выходе согласованно фильтра равное МРДС, где М число оптических импульсов принимаемых в режиме стробирования и вносящих вклад в формирование пика отклика согласованной фильтрации, а шумовую, как среднеквадратическое отклонение 8 выходных отсчетов согласованного фильтра при подаче на его вход последовательности, получаемой при детектировании только шумовой составляющей .
Figure imgf000018_0001
The signal component of the response at the output of the matched PIM sequence filter can be estimated as the mathematical expectation of the value of the response peak count at the output of the matched filter equal to MR DS , where M is the number of optical pulses received in the gating mode and contributing to the formation of the matched filtering response peak, and the noise component, as standard deviation of 8 output samples of the matched filter when applying to its input a sequence obtained by detecting only the noise component .
Figure imgf000018_0001
S/N на для пика отклика на выходе согласованно фильтра можно записать как, The S/N on for the peak response at the output of the matched filter can be written as,
(8) (S/N)out = VM(exp(-(l + ( )in)
Figure imgf000018_0002
Максимум no (S/N)out достигается если выполняется условие (S/N)tn > 1 и
Figure imgf000018_0003
при 0 < (5//V)£n < 1 . (8) (S/N) out = VM(exp(-(l + ( )in)
Figure imgf000018_0002
The maximum no (S/N) out is reached if the condition (S/N) tn > 1 is satisfied and
Figure imgf000018_0003
for 0 < (5//V) £n < 1 .
Из уравнения (10) следует, что при (S/N)tn < 1 и заданном T]N при оптимальной квантовой эффективности квантовой эффективности, при которой показатель (S/N)out максимален, вероятность срабатывания сенсора от шумовой составляющей на интервале времени Тд составит PCN ~ 0,63 « 1 - е-1 , а из уравнения (9) следует, что с увеличением соотношения (S/N)in должна убывать обратно пропорционально (S/N)tn и при (S/N)in > 5 составит PCN ~ l/(5//V)£n. It follows from equation (10) that at (S/N)t n < 1 and given T] N at the optimal quantum efficiency of the quantum efficiency at which the exponent (S/N) out is maximum, the probability of the sensor triggering from the noise component in the time interval T d will be P CN ~ 0.63 « 1 - e -1 , and from equation (9) it follows that with an increase in the ratio (S / N) in should decrease inversely proportional to (S / N) t n and with (S / N) in > 5 is P CN ~ l/(5//V) £n .
Пример оценки средней частоты срабатываний сенсора An example of estimating the average frequency of sensor activations
ПИМПОИ содержит N « 500 оптических импульсов из этих импульсов только часть в количестве М=200 по времени достижения поверхности сенсора совпадает с временными интервалами скоростного стробирования сенсора. Длительность ПИМПОИ составляет 20000/ 5 , где fg - частота стробирования сенсора. Среднее число фотонов в каждом оптическом импульсе, поступающем на поверхность сенсора равно 1 . r/s = 1 , Соотношение сингал/шум определяемое, как отношение среднего числа фотонов в оптическом импульсе, поступающем на интервале стробирования на поверхность сенсора к эквивалентному среднему числу шумовых фотонов, поступающих на интервале стробирования на поверхность сенсора (S/N n= 1 ,0. PIMPOI contains N ≈ 500 optical pulses of these pulses, only a part in the amount of M=200 in time to reach the sensor surface coincides with the time intervals of high-speed gating of the sensor. The duration of PIMPOI is 20000/ 5 , where f g is the sampling frequency of the sensor. The average number of photons in each optical pulse arriving at the surface sensor is 1 . r/ s = 1 , The singal/noise ratio is defined as the ratio of the average number of photons in the optical pulse arriving at the sensor surface during the gating interval to the equivalent average number of noise photons arriving at the sensor surface during the gating interval (S/N n = 1 , 0.
Тогда, согласно уравнения (9) необходимо установить сенсора равный или не выше 0,69/1 = 69%, устанавливаем = 25% , как максимально достижимый для данного типа сенсоров. Then, according to equation (9), it is necessary to set the sensor equal to or not higher than 0.69/1 = 69%, set = 25% as the maximum achievable for this type of sensors.
Для = 25% получим, что For = 25% we get that
МР&С = M PCS - PCN) = М(0,39 - 0,22 ) = 0,17М
Figure imgf000019_0001
MP & C \u003d MP CS - P CN ) \u003d M (0.39 - 0.22) \u003d 0.17 M
Figure imgf000019_0001
(S/N out= 0,17/0,42 VM" = 0,42 «14,14 = 5,87 при этом средняя частота срабатываний сенсора fc составит fc = (PCN (20000-М)/20000 +PCS M/20000) fg = (S / N out \u003d 0.17 / 0.42 VM "\u003d 0.42 "14.14 \u003d 5.87 in this case, the average sensor actuation frequency f c will be f c \u003d (P CN (20000-M) / 20000 + P CS M/20000) f g =
= (0,22*(20000-M)/20000 +0,39*M/20000) fg « 0,22 = (0.22*(20000-M)/20000 +0.39*M/20000) f g « 0.22
Как видно из приведенного выше примера средняя частота срабатываний сенсора определяется в основном величиной PCN, определяемой шумовой составляющей, а она в свою очередь определяется по уравнению (5) произведением T]N. С повышением соотношения (S/N)tn , величина PCN снижается, что требует большего времени для оценки средней частоты срабатываний сенсора fc , поэтому применение метода целесообразно использовать при S/N)in не более 5, предпочтительно не более 3. As can be seen from the above example, the average frequency of sensor responses is determined mainly by the value of P CN , determined by the noise component, and it, in turn, is determined by equation (5) by the product T] N . With an increase in the ratio (S/N)t n , the value of P CN decreases, which requires more time to estimate the average frequency of sensor triggers f c , therefore, it is advisable to use the method when S/N) in is not more than 5, preferably not more than 3.
Таким образом, при заданных: уровне шума T]N на сенсоре и минимальном рабочем соотношении S/N)in для оптимизации S/N)out на выходе согласованного фильтра необходимо поддерживать фиксированную среднюю за время т частоту срабатываний сенсора, путем регулирования квантовой эффективности сенсора. Такое регулирование можно реализовать, например, при помощи контура регулирования амплитуды напряжения смещения Vbias, подаваемого в сумме с прямоугольным сигналом стробирования на ЛПД диод, эксплуатируемый в режиме счетчика Гейгера или непосредственно регулируя напряжение стробирования. Поясняющая способ формирования сигнала стробирования фигура приведена на фиг. 3. Таблица 2 Обозначения на фиг. 3.
Figure imgf000020_0001
Thus, given: the noise level T] N on the sensor and the minimum operating ratio S/N) in, to optimize S/N) out at the output of the matched filter, it is necessary to maintain a fixed average over time t sensor actuation frequency by adjusting the quantum efficiency of the sensor. Such regulation can be implemented, for example, using a bias voltage amplitude control loop V bias supplied in total with a rectangular gating signal to an LPD diode operated in the Geiger counter mode or by directly regulating the gating voltage. A figure explaining the method of generating the strobe signal is shown in FIG. 3. Table 2 3.
Figure imgf000020_0001
Время т определяется как время, достаточное для определения средней относительной частоты срабатываний сенсора с допустимой погрешностью. Поскольку средняя относительная частота срабатываний сенсора определяется квантовой эффективностью сенсора, то при увеличении время т будут снижаться и колебания квантовой эффективности сенсора. Фактически, контур регулирования поддерживает близкой к уставке регулирования среднюю частоту срабатываний сенсора через управляющее воздействие на квантовую эффективность сенсора, но изменения управляющего воздействия должны быть плавными и обеспечивать минимальное относительное колебание квантовой эффективности в процессе регулирования. Относительные колебания в установившемся режиме регулирования в пределах ± 5 % от среднего установившегося значения, не оказывает существенно влияния на технические характеристики приемного тракта лидара или иного устройства, использующего рассматриваемый метод. The time t is defined as the time sufficient to determine the average relative frequency of sensor responses with an acceptable error. Since the average relative frequency of sensor responses is determined by the quantum efficiency of the sensor, as the time t increases, the fluctuations in the quantum efficiency of the sensor will also decrease. In fact, the control loop maintains the average frequency of sensor responses close to the control setpoint through the control action on the quantum efficiency of the sensor, but the changes in the control action must be smooth and provide a minimum relative fluctuation of the quantum efficiency during the control process. Relative fluctuations in the steady-state control mode within ± 5% of the average steady-state value does not significantly affect the technical characteristics of the receiving path of the lidar or other device using the considered method.
Данный контур регулирования (узел регулировки) можно использовать при скоростном стробировании оптического сенсора, например, по способу, описанному в патенте США US 9012860. Адаптация стробирования сенсоров. This control loop (adjustment assembly) can be used in high-speed gating of an optical sensor, for example, according to the method described in US patent US 9012860. Sensor gating adaptation.
Адаптивное стробирование можно использовать для снижения уровня ложных срабатываний сенсора, связанных с эффектом, известным как «after-pulsing probability» (АРР) описанным, например, B [DOI: 10.1155/2018/9585931 ]. Adaptive gating can be used to reduce sensor false alarms associated with an effect known as "after-pulsing probability" (APP) described for example in B [DOI: 10.1155/2018/9585931].
Действительно, существует проблема, заключающаяся в том, что увеличение сенсора путем увеличения амплитуды напряжения в моменты работы сенсора в режиме счетчика Гейгера приводит к увеличению т. н. ложных срабатываний сенсора, как постоянно, так и дополнительно на интервале времени, необходимом для полного восстановления параметров сенсора. Indeed, there is a problem that increasing the sensor by increasing the voltage amplitude at the moments of the sensor operation in the Geiger counter mode leads to an increase in the so-called. false positives of the sensor, both permanently and additionally at the time interval necessary for the complete restoration of the sensor parameters.
Число ложных срабатываний, индуцированное приемом оптических импульсов от «сильных» и «ординарных» или «сильных» сигналов, можно снизить путем выключения сенсора из режима счетчика Гейгера в моменты предполагаемого попадания на поверхность сенсора оптических импульсов, отраженных от объектов с сильными и ординарными ЭПР (сильных и ординарных сигналов). The number of false alarms induced by the reception of optical pulses from "strong" and "ordinary" or "strong" signals can be reduced by turning off the sensor from the Geiger counter mode at the moments when optical pulses reflected from objects with strong and ordinary EPR are expected to hit the sensor surface ( strong and ordinary signals).
Стробирующий сигнал, подаваемый на сенсор, может быть адаптирован на основании априорной информации о моментах поступления на поверхность сенсора оптических «сильных» и «ординарных» оптических импульсов. The strobe signal applied to the sensor can be adapted based on a priori information about the moments when optical "strong" and "ordinary" optical pulses arrive at the sensor surface.
Очевидным применением адаптивного стробирования является отключение приемного сенсора в интервалы времени, задержанные относительно интервалов времени испускания оптического импульса на время, необходимое для прохождения оптического импульса от передатчика оптических импульсов к поверхности сенсора. Например, это востребовано в тех случаях, когда сенсор и передатчик оптических импульсов используют общий приемо-передающий оптический тракт. В данном случае адаптивное стробирование может быть реализовано адаптацией сигнала путем выполнения операции конъюнкции над сигналом стробирования («1 » - есть стробирование сенсора, «0» - нет стробирования сенсора) и инверсированным сигналом испуская оптических импульсов («1 » - нет испускания оптического импульса на интервале стробирования, «0» - есть испускание оптического импульса на интервале стробирования). An obvious application of adaptive gating is to turn off the receiving sensor at time intervals delayed from the optical pulse emission time intervals by the time required for the optical pulse to travel from the optical pulse transmitter to the sensor surface. For example, this is required in cases where the sensor and the transmitter of optical pulses use a common transmit-receive optical path. In this case, adaptive gating can be implemented by adapting the signal by performing a conjunction operation on the gating signal (“1” - there is sensor gating, “0” - there is no sensor gating) and the inverted signal emitting optical pulses (“1” - there is no emission of an optical pulse on gating interval, "0" - is the emission of an optical pulse at the gating interval).
Пример №1 Example #1
Представим ПИМ сигнал, который модулирован ПМ-последовательностью а из примера: «Пример формирования и согласованная фильтрация двоичной ПМ- последовательности co свойством не более одного совпадения». Число членов, отличных от нуля, с четными номерами членов в последовательности а близко к числу членов с нечетными номерами. Imagine a PIM signal that is modulated by the PM sequence a from the example: “An example of the formation and matched filtering of a binary PM sequences with at most one match property. The number of non-zero terms with even-numbered terms in the sequence a is close to the number of odd-numbered terms.
Длительность импульсов в ПИМ сигнале Тр = 10 ps . The duration of the pulses in the PIM signal is T p = 10 ps.
Частота модуляции ПИМ сигнала fmod = 5 GHz PIM signal modulation frequency f mod = 5 GHz
Период модуляции ПИМ сигнала То = l/fmOd = 200 ps Modulation period of the PIM signal T o \u003d l / f mO d \u003d 200 ps
Данный ПИМ сигнал поступает на устройство синхронного детектирования, на которое также подается периодический сигнал импульсов стробирования с периодом Td = 400 ps. (частота сигнала стробирования fg = 2,5 GHz ). Длительность импульсов стробирования (стробов) Тд = 205 ps , что соответствует периода стробирования увеличенного длительности импульсов в детектируемом ПИМ сигнале. This PIM signal is fed to the synchronous detection device, which is also supplied with a periodic signal of strobe pulses with a period of T d = 400 ps. (gate signal frequency f g = 2.5 GHz). The duration of the strobing pulses (strobes) T d = 205 ps , which corresponds to the period of strobing increased pulse duration in the detected PIM signal.
Устройство синхронного детектирования работает по следующему принципу:The synchronous detection device works according to the following principle:
- при совпадении во времени хотя бы одного импульса ПИМ последовательности или его фрагмента длительностью не менее от длительности оптического импульса и импульса стробирования (строба) по заднему фронту строба формируется логическая единица длительностью 200 ps и следом за ней логический «нуль», длительностью 200 ps; - if at least one PIM pulse of the sequence or its fragment with a duration of at least the duration of the optical pulse and the strobe (strobe) pulse coincides in time, a logical unit with a duration of 200 ps is formed along the trailing edge of the strobe, followed by a logical "zero", with a duration of 200 ps;
- в противном случае (если нет совпадения или совпадение во времени строба и оптического импульса составляет менее от длительности импульса ПИМ сигнала) по заднему фронту строба формируются два логических нуля длительностью 200 ps. Таким образом, формируется двоичная последовательность, с временем тактового перехода 200 ps. - otherwise (if there is no coincidence or the coincidence in time of the strobe and the optical pulse is less than the duration of the PIM signal pulse), two logical zeros with a duration of 200 ps are formed on the trailing edge of the strobe. Thus, a binary sequence is formed, with a clock transition time of 200 ps.
Назовем, подобный способ приема двоичным детектированием сигнала.Let's call this method of receiving binary signal detection.
Сформированная описанным образом последовательность потактно подается на согласованный фильтр - блок 2, который изображен на фиг. 1 . The sequence formed in the described manner is fed in cycles to the matched filter - block 2, which is shown in Fig. 1 .
Специалисту очевидно, что поскольку каждый второй отсчет в обрабатываемой последовательности — это сигнал «0», то при обработке сигнала число операций сложения можно снизить вдвое и вдвое снизить частоту выполнения поточных операций, необходимых для осуществления согласованной фильтрации. Однако, поскольку целью настоящего патента не является сокращение операций сложения при согласованной фильтрации, в описании использовано упрощенное описание устройств фильтрации. На фиг. 4 схематически показано, как временное положение стробов относительно начала четных временных позиций импульсов ПИМ сигнала влияет на форму выходной двоичной последовательности (сигнала двоичного детектирования). Под четными временными позициями понимаем временные позиции, которые приурочены к четным членам последовательности а, под нечётными, которые приурочены к нечетным членам последовательности а. It is obvious to the specialist that since every second sample in the processed sequence is a “0” signal, then when processing the signal, the number of addition operations can be halved and the frequency of performing streaming operations necessary to implement matched filtering can be halved. However, since the purpose of this patent is not to reduce the addition operations in matched filtering, a simplified description of the filtering devices is used in the description. In FIG. 4 schematically shows how the time position of the gates relative to the start of the even time positions of the PIM signal pulses affects the shape of the output binary sequence (binary detection signal). By even time positions we mean time positions that are confined to the even members of the sequence a, by odd ones, which are confined to the odd members of the sequence a.
На фиг. 4 (график А) схематически отображен фрагмент принимаемого ПИМ сигнала, содержащий четыре временные позиции импульсов (нулевую (четную), первую (нечетную), вторую (четную) и j-тую (нечётную)). На месте нулевой (четной) и j-той (нечетной) временной позиции импульсов отображены принимаемые импульсы, на месте первой (нечетной) и второй (четной) позиции отображено отсутствие принимаемого импульса. In FIG. 4 (plot A) schematically shows a fragment of the received PIM signal containing four time positions of the pulses (zero (even), first (odd), second (even) and j-th (odd)). In place of the zero (even) and j-th (odd) time positions of the pulses, the received pulses are displayed, in the place of the first (odd) and second (even) positions, the absence of the received pulse is displayed.
На фиг. 4 (графики В, С, D, Е) схематически отображены периодические сигналы стробирования, отличающиеся только своим положением во времени относительно начала четных временных позиций импульсов. Так, сигнал стробирования «В» обеспечивает стробирование только четных временных позиций импульсов, а сигнал стробирования «Е» - только нечётных позиций импульсов. Сигнал «С» обеспечивает стробирование четных позиций и частично нечетных. Сигнал «D» обеспечивает стробирование нечетных позиций и частично четных. In FIG. 4 (plots B, C, D, E) are schematic representations of periodic gating signals, differing only in their position in time relative to the start of the even time positions of the pulses. So, the gate signal "B" ensures the gate of only even time positions of the pulses, and the gate signal "E" - only the odd positions of the pulses. Signal "C" provides gating of even positions and partially odd ones. The "D" signal provides gating for odd positions and partially even ones.
На фиг. 5. представлены сигналы (фрагменты дискретных последовательностей - рефлектограмм) на выходе рассматриваемого в примере согласованного фильтра - блок 2, который изображен на фиг. 1 с импульсной х-кой а =
Figure imgf000023_0001
полученные при подаче на его вход дискретных последовательностей, полученных при двоичном детектировании ПИМ сигнала, рассматриваемого в настоящем примере, при вариантах положения стробов относительно временных позиций кода (В, С, D, Е), приведенных на фиг. 4. In FIG. 5. shows the signals (fragments of discrete sequences - reflectograms) at the output of the matched filter considered in the example - block 2, which is shown in FIG. 1 with impulse x-coy a =
Figure imgf000023_0001
obtained by applying to its input discrete sequences obtained during binary detection of the PIM signal considered in this example, with options for the position of the gates relative to the time positions of the code (B, C, D, E) shown in Fig. 4.
Обозначения вариантов относительного положения стробов на фиг. (В, С, D, Е) соответствуют обозначениям полученных на выходе согласованного фильтра фрагментам дискретных последовательностей. Designations of variants of the relative position of the gates in Fig. (B, C, D, E) correspond to the notation obtained at the output of the matched filter fragments of discrete sequences.
Как видно из фиг. 5 - рефлектограммы В и Е позволяют определить временное положение ПИМ последовательности (положение заднего фронта последнего импульса в принимаемой ПИМ последовательности) с точностью до ±100ps, а рефлектограммы С и D позволяют определить положение с точностью до ±200 ps. As can be seen from FIG. 5 - reflectograms B and E make it possible to determine the time position of the PIM sequence (the position of the trailing edge of the last pulse in the received PIM sequence) with an accuracy of ±100ps, and traces C and D allow positioning to within ±200 ps.
Таким образом, для применения в измерениях дальности точность определения расстояния до зондируемого объекта не будет превышать ±30 mm. Thus, for use in distance measurements, the accuracy of determining the distance to the probed object will not exceed ±30 mm.
Практика применения ПИМ сигналов. The practice of using PIM signals.
Известно, что при зондировании объектов, применяются ПИМ последовательности импульсов, в том числе, полученные путем позиционно импульсной модуляции с использованием в качестве модулирующей последовательности двоичной, ПМ последовательности со свойством «не более одного совпадения». [«High resolution waveforms suitable for a multiple target environment»/ Resnick, Joel В/ Thesis (M.S.) --MIT, Dept, of Electrical Engineering, 1962. URI: http://hdl. handle. net/1721.1 /11436]. It is known that when probing objects, PIM pulse sequences are used, including those obtained by position-pulse modulation using a binary, PM sequence with the property "no more than one match" as a modulating sequence. ["High resolution waveforms suitable for a multiple target environment" / Resnick, Joel B / Thesis (M.S.) --MIT, Dept. of Electrical Engineering, 1962. URI: http://hdl. handle. net/1721.1/11436].
Применение, таким образом, модулированных зондирующих сигналов позволяет, улучшить селективность разрешения зондируемых объектов после согласованной фильтрации детектированного сигнала за счет низкого уровня боковых лепестков нормированной АКФ (не более 1/N), где N - число позиций в модулирующей двоичной последовательности отличных от 0 и одновременно с этим минимизировать потери в соотношении сигнал/шум для «ординарных» сигналов, выделяемых путем согласованной фильтрации, если для их приема используется приемник сигнала, работающий в режиме ограничения (limiting receiver) и на вход этого приемника поступает суперпозиция принятых детектированных сигналов от различных разрешаемых объектов. [Proc. IEEE vol. 54, р. 438-439 (1966) / DOk 10.1109/PROC.1966.4745]. The use of modulated probing signals in this way makes it possible to improve the selectivity of the resolution of the probed objects after the matched filtering of the detected signal due to the low level of the side lobes of the normalized ACF (no more than 1/N), where N is the number of positions in the modulating binary sequence different from 0 and simultaneously with this, to minimize the losses in the signal-to-noise ratio for "ordinary" signals separated by matched filtering, if a signal receiver operating in the limiting receiver is used for their reception and a superposition of the received detected signals from various resolvable objects is fed to the input of this receiver . [Proc. IEEE vol. 54, p. 438-439 (1966) / DOk 10.1109/PROC.1966.4745].
Недостаткам использования зондирующих сигналов со свойством модулирующей последовательности «не более одного совпадения» является то, что, длительность зондирующего сигнала Ts квадратично зависит от N - число ненулевых позиций в двоичной модулирующей последовательности. Согласно сведениям, приведенным в монографии [“Оптимальные дискретные сигналы”/ М.Б.Свердик / “Сов. Радио” 1975]. Длительность зондируемого сигнала Ts = (L - l)Tmocl = (0.71 -t- 0.83) TmodN2 , где L -число членов в двоичной модулирующей последовательности, Tmod длительность временной позиции ПИМ сигнала. The disadvantages of using probing signals with the property of the modulating sequence "no more than one match" is that the duration of the probing signal T s depends squarely on N - the number of non-zero positions in the binary modulating sequence. According to the information given in the monograph [“Optimal discrete signals”/ M.B. Sverdik / “Sov. Radio” 1975]. The duration of the probed signal is T s = (L - l)T mocl = (0.71 - t- 0.83) T mod N 2 , where L is the number of members in the binary modulating sequence, T mod is the duration of the PIM signal time position.
Этот недостаток приведет к увеличению времени зондирования и длительности зондирующего сигнала и не решает задачи сокращения времени зондирования при условии ограничения по максимальной излучаемой мощности (энергии импульса) импульсного излучателя. Дополнительно, в случае зондирования скоростной цели, существует и ограничение по длительности зондирующего сигнала, связанные с его допплеровским «растягиванием» или «сжатием» в зависимости оттого, удаляется или приближается к сенсору зондируемый объект. Условия, ограничивающие рамки применения «доплеровской» модели, следующие: L < 0.1(С/|/?|') где, С- скорость света, L - число членов в двоичной модулирующей последовательности, |/?|' - скорость модуля радиус- вектора цели. К примеру, если |/?|'= 6000 m/с, то L < 5000. Этот недостаток можно преодолеть. Так, например, пусть групповая цель движется по направлению к приемнику (сенсору), при этом отраженные сигналы от элементов цели поступающие на сенсор от элементов цели «сжимается». Для компенсации этого «сжатия»/ «растяжения» необходимо всего лишь увеличить/уменьшить частоту синхроимпусов стробирования сенсоров. Новая частота синхроимпульсов стробирования будет определяться следующим образом:
Figure imgf000025_0001
= fd (1/(1 - 2|/?|'/С) где fd частота стробирования без поправки на радиальную скорость. This drawback will lead to an increase in the probing time and the duration of the probing signal and does not solve the problem of reducing the time sounding, subject to the limitation on the maximum radiated power (pulse energy) of the pulsed emitter. Additionally, in the case of probing a high-speed target, there is also a limitation on the duration of the probing signal associated with its Doppler “stretching” or “compression”, depending on whether the probed object is moving away or approaching the sensor. The conditions limiting the application of the "Doppler" model are as follows: L <0.1(C/|/?|') where, C is the speed of light, L is the number of terms in the binary modulating sequence, |/?|' - velocity of the radius-vector modulus of the target. For example, if |/?|'= 6000 m/s, then L < 5000. This shortcoming can be overcome. So, for example, let a group target move towards the receiver (sensor), while the reflected signals from the target elements arriving at the sensor from the target elements are “compressed”. To compensate for this "squeezing" / "stretching", it is only necessary to increase / decrease the frequency of the strobe clock of the sensors. The new gate clock frequency will be determined as follows:
Figure imgf000025_0001
= f d (1/(1 - 2|/?|'/C) where f d is the gating frequency without radial velocity correction.
Для компенсации доплеровского эффекта, в блок-схеме лидара или иного приемного устройства должен быть предусмотрен блок формирования синхроимпульсов с частотой fd (блок формирования синхроимпульсов приема). To compensate for the Doppler effect, in the block diagram of the lidar or other receiving device, a block for generating clock pulses with a frequency f d (a block for generating clock reception pulses) must be provided.
Сократить длительность зондируемого сигнала можно если отказаться от использования ПИМ последовательностей со свойством «не более одного совпадения», заменим их последовательностями со свойством не более «К совпадений». Это позволит сократить длительность зондируемого сигнала примерно в К раз, но при этом увеличивается уровень боковых лепестков АКФ функции зондируемых сигналов в К раз, следовательно, объекты с малыми ЭПР отклики от которых на рефлектограмме (отклике на выходе согласованного фильтра) меньше или соразмерены с уровнем боковых лепестков, от откликов от объектов с «сильными» ЭПР и не будут разрешены. It is possible to reduce the duration of the probed signal if we refuse to use PIM sequences with the property “no more than one match”, we will replace them with sequences with the property no more than “K matches”. This will reduce the duration of the probed signal by about K times, but at the same time, the level of side lobes of the ACF of the function of the probed signals will increase by K times, therefore, objects with low RCS, the responses from which on the reflectogram (response at the output of the matched filter) are smaller or commensurate with the level of side lobes. lobes, from responses from objects with "strong" EPR and will not be allowed.
Пример №2. Example #2.
На фиг. 6 представлена схема формирования и последующей согласованной фильтрации ПИМ последовательности. Блок 3 формирования ПИМ последовательности длины l_=l_i+l_2- 1 =2017+74629-1 =76645 состоит из двух последовательно включенных блоков формирования ПИМ последовательностей, 3.1 и 3.2, где блок 3.1 формирует последовательность длины г, а блок 3.2 формирует последовательность длины L2. In FIG. 6 shows a diagram of the formation and subsequent matched filtering of the PIM sequence. Block 3 for generating a PIM sequence of length l_=l_i+l_2- 1 =2017+74629-1 =76645 consists of two sequentially connected blocks for generating PIM sequences, 3.1 and 3.2, where block 3.1 generates a sequence of length r , and block 3.2 generates a sequence of length L 2 .
Ь2 = М2 • (N - 1) + 1 = 74629, М2 = 2073,
Figure imgf000026_0001
2017, Mi = 56, b 2 \u003d M 2 • (N - 1) + 1 \u003d 74629, M 2 \u003d 2073,
Figure imgf000026_0001
2017, Mi = 56,
Блок 4 согласованной фильтрации ПИМ последовательности длины L состоит из последовательно включенных блоков 4.1 и 4.2 согласованной фильтрации, блок 4.1 - для последовательности длины г, блок 4.2 - для последовательности длины L2. Block 4 matched filtering PIM sequence of length L consists of sequentially connected blocks 4.1 and 4.2 of matched filtering, block 4.1 for a sequence of length r , block 4.2 for a sequence of length L 2 .
При последовательном включении получается согласованный фильтр для ПИМ последовательности длины L=LI+I_2-1 =2017+74629-1 =76645. When connected in series, a matched filter is obtained for the PIM sequence of length L=LI+I_2-1 =2017+74629-1 =76645.
Каждый из блоков формирования ПИМ последовательности 3.1 и 3.2 и блоков согласованной фильтрации 4.1 и 4.2 состоят из тридцати шести каскадов, аналогичных тем, что изображены на фигуре 1 . Each of the blocks for the formation of PIM sequences 3.1 and 3.2 and blocks of matched filtering 4.1 and 4.2 consist of thirty-six stages, similar to those shown in figure 1.
Формулы для вычисления числа тактов задержки ЛЗ каждого каскада приведено в таблице 3. The formulas for calculating the number of DL delay cycles for each stage are given in Table 3.
Таблица 3 Формулы вычисления числа тактов задержки в ЛЗ первого и второго блоков формирования ПИМ последовательностей и третьего и четвертого блоков.
Figure imgf000026_0002
Figure imgf000027_0001
Table 3 Formulas for calculating the number of delay cycles in the DL of the first and second blocks for the formation of PIM sequences and the third and fourth blocks.
Figure imgf000026_0002
Figure imgf000027_0001
Дополнительно в схему на фигуре 6 введен дискретный режекторный фильтр 5, состоящий из Additionally, a discrete notch filter 5 is introduced into the circuit in figure 6, consisting of
- ограничителя сигнала по амплитуде 5.1 , - signal limiter in amplitude 5.1,
- ФНЧ (фильтра нижних частот) 5.2 первого порядка с коэффициентом усиления по постоянной составляющей сигнала равной 1 , - LPF (low-pass filter) 5.2 of the first order with a gain in the constant component of the signal equal to 1,
- усилителя 5.3 с коэффициентом усиления 10-50, - amplifier 5.3 with a gain of 10-50,
- элемента 5.4, производящего вычитание сигнала с выхода усилителя поз. 5.3 из сигнала (последовательности, отклика), поступающего на вход режекторного фильтра 5 и - element 5.4, subtracting the signal from the output of the amplifier pos. 5.3 from the signal (sequence, response) input to the notch filter 5 and
- дополнительного элемента 5.5, производящего вычитание из сигнала с выхода элемента 5.4 сигнала с выхода ФНЧ 5.2. - an additional element 5.5, which subtracts from the signal from the output of the element 5.4 the signal from the output of the LPF 5.2.
Далее в примерах, используется аналогичный режекторный фильтр 5. Further in the examples, a similar notch filter 5 is used.
Подадим на вход схемы фиг. 6 последовательность длины 2L - 1, где L = 76645 в которой член с номером 0, равен 1 , а остальные члены равны 0. Let us apply to the input of the circuit of Fig. 6 is a sequence of length 2L - 1, where L = 76645 in which the term with number 0 is equal to 1 and the remaining terms are equal to 0.
В точке Т1 будет зафиксирована последовательность той же длины, первые L членов которой являются ПИМ последовательностью, согласованной с фильтром ПИМ последовательности 4 фиг 6. At point T1, a sequence of the same length will be fixed, the first L members of which are a PIM sequence matched with the PIM sequence filter 4 of Fig. 6.
В точке Т2 будет зафиксирован отклик согласованного фильтра на подачу на его вход (вход блока 3) согласованной ПИМ последовательности. На 76644-м такте (нумерация тактов начинается с нулевого такта) в точке Т2 будет зафиксирован пик отклика с амплитудой К= N2 =1369. Этому же такту соответствует последний член ПИМ последовательности, равный 1 , подаваемый на вход согласованного фильтра 4 фиг 6, состоящий из последовательно включенных блоков 4.1 и 4.2. фиг 6. At point T2, the response of the matched filter to the input to its input (input of block 3) of the matched PIM sequence will be recorded. At the 76644th cycle (the numbering of cycles starts from the zero cycle), at the point T2, a peak of the response with the amplitude K = N2 = 1369 will be recorded. The same cycle corresponds to the last member of the PIM sequence, equal to 1 applied to the input of the matched filter 4 of Fig. 6, consisting of blocks 4.1 and 4.2 connected in series. fig 6.
Амплитуда других членов отклика (боковых лепестков) на выходе согласованного фильтра (выход блока 4.1 ) не будет превышать 60. Для снижения уровня боковых лепестков, примыкающих к пику отклика, используется режекторный фильтр 5 фиг 6 .. Благодаря чему амплитуда боковых лепестков снижается с до 30, что можно наблюдать по фрагменту рефлектограммы зафиксированному в точке ТЗ. The amplitude of the other response terms (side lobes) at the output of the matched filter (output of block 4.1) will not exceed 60. To reduce the level of side lobes adjacent to the response peak, a notch filter 5 Fig 6 is used .. Due to which the amplitude of the side lobes is reduced from to 30 , which can be observed from a fragment of the reflectogram fixed at the point of TZ.
При использовании подобного (с добавлением режекторного фильтра 5 к блокам 4.1 и 4.2) согласованного фильтра при обработке сигналов, полученных двоичным детектированием оптического сигнала, важно отметить, что режекторный фильтр 5 так же подавляет постоянную составляющую, вызванную т. н. фоновой засветкой, «бэкграунд лайт», подающей на сенсор вместе с оптическим сигналом. Нелинейный элемент 5.1 ограничитель амплитуды поступающих на полосовой фильтр отсчетов снижает амплитуду переходных процессов при поступлении на вход режекторного фильтра 5 пика отклика. Режекторный фильтр 5 с нелинейным элементом необходимо размещать после согласованного фильтра. When using a similar (with the addition of notch filter 5 to blocks 4.1 and 4.2) matched filter when processing signals obtained by binary detection of an optical signal, it is important to note that the notch filter 5 also suppresses the DC component caused by the so-called. background illumination, “background light”, which is fed to the sensor along with the optical signal. Nonlinear element 5.1 amplitude limiter received on the band pass filter samples reduces the amplitude of transients when received at the input of the notch filter 5 peak response. Notch filter 5 with a non-linear element must be placed after the matched filter.
Отклик, зафиксированный в точке Т2, в настоящем примере дает информацию о потерях в энергии первого сигнала (точнее числе непринятых импульсов первого сигнала) при совместном приеме со вторым сигналом, являющимся репликой первого сигнала, задержанной или опережающий первый сигнал на число тактов W, если результирующий сигнал получен дизъюнкцией первого и второго сигнала, (дизъюнкция аналог совместного приема двух сингалов пороговым устройством). Для оценки числа непринятых импульсов необходимо число тактов задержки/опережения W отложить по оси X (оси тактов/времени) от пика отклика, при этом амплитуда бокового лепестка, соответствующая расстоянию W от пика отклика, определяет число импульсов в первом сигнале, которое не будет принято т. к. сенсор будет срабатывать от импульсов второго сигнала. Таким образом, показатель УБЛ, вычисленный по рефлектограмме, зафиксированной в точке Т2 дает представление о доле потерянных отсчетов сигналом 1 если он принимается двоичным детектированием с сигналом 2, являющимся задержанной на W тактов репликой сигнала 1 . The response recorded at point T2, in this example, provides information about the energy loss of the first signal (more precisely, the number of missed pulses of the first signal) when received jointly with the second signal, which is a replica of the first signal, delayed or ahead of the first signal by the number of cycles W, if the resulting the signal is obtained by disjunction of the first and second signals (disjunction is analogous to the joint reception of two singals by a threshold device). To estimate the number of missed pulses, it is necessary to plot the number of delay/advance cycles W along the X axis (clock/time axis) from the response peak, while the sidelobe amplitude corresponding to the distance W from the response peak determines the number of impulses in the first signal that will not be received since the sensor will be triggered by the pulses of the second signal. Thus, the NBL index calculated from the reflectogram recorded at point T2 gives an idea of the percentage of lost samples by signal 1 if it is received by binary detection with signal 2, which is a replica of signal 1 delayed by W cycles.
На фиг. 7 фрагмент отклика фильтра (от такта 74000 до такта 76750) на выходе согласованного в точке Т2 (на устройстве регистрации и отображении Т2) и в точке ТЗ (на выходе режкторного фильтра 5). По оси абсцисс фиг. 7 отложено число тактов умноженное на 10-4. Сформированная на выходе блока 3 ПИМ последовательность не является минимаксной в смысле минимальности уровня боковых лепестков АКФ двоичной ПИМ последовательности при заданных L и N, но описание способа ее получения и согласованной фильтрации наиболее просто и позволяет сократить описание настоящего патента. In FIG. 7 is a fragment of the filter response (from cycle 74000 to cycle 76750) at the output matched at point T2 (at the registration and display device T2) and at point TK (at the output of notch filter 5). Along the abscissa of Fig. 7 is the number of cycles multiplied by 10 -4 . The PIM sequence generated at the output of block 3 is not minimax in the sense of the minimum level of the side lobes of the ACF of the binary PIM sequence for given L and N, but the description of the method for obtaining it and matched filtering is the simplest and allows us to shorten the description of this patent.
В данном примере мы отошли от правила «не более одного совпадения», что привело к сокращению длительности последовательно L =76645 против ожидаемой (0.71 0.83)/V2 = 1330654 -^ 1555554, т.е. длительность последовательности , а следовательно и время испускания зондирующего сигнала сократилось в 17-^20 раз, но при этом в 60 раз увеличился уровень боковых лепестков АКФ ПИМ сигнала, используемого при зондировании. В данном примере сигнал не оптимизирован по уровню боковых лепестков АКФ и используется в примере для упрощения и сокращения описания, т. к. целью настоящего изобретения не является сокращения уровня боковых лепестков АКФ ПИМ сигнала. In this example, we deviated from the “no more than one match” rule, which led to a reduction in the duration successively L = 76645 against the expected (0.71 0.83) / V 2 = 1330654 - ^ 1555554, i.e. the duration of the sequence and, consequently, the time of emission of the probing signal decreased by 17–20 times, but at the same time, the level of side lobes of the ACF of the PIM signal increased by 60 times, used in sounding. In this example, the signal is not optimized for the level of ACF sidelobes and is used in the example to simplify and shorten the description, since the purpose of the present invention is not to reduce the sidelobe level of the PIM ACF signal.
Стенд имитации работы лидара. Stand for imitation of lidar operation.
На фиг. 8 представлена функциональная схема стенда имитации приемного и передающего тракта лидара, без функциональных блоков обработки рефлектограмм, реализуемых на ПК. Первичные рефлектограммы, представляющие собой двоичные последовательности, регистрируются блоком Т4, см. фиг.8 и далее считываются, и передаются на ПК для формирования вторичных рефлектограмм. In FIG. Fig. 8 shows a functional diagram of the stand for imitation of the receiving and transmitting paths of the lidar, without the functional blocks for processing reflectograms implemented on a PC. Primary reflectograms, which are binary sequences, are recorded by the T4 block, see Fig.8 and then read out and transferred to a PC to form secondary reflectograms.
101 - Блок формирования синхроимпульса начала цикла зондирования.101 - The block for the formation of the clock pulse of the beginning of the probing cycle.
102 - Блок формирования тактового сигнала. 102 - Clock signal generation unit.
103 - Блок формирования модулирующей двоичной ПИМ последовательности (поел. р). 103 - Block for the formation of a modulating binary PIM sequence (poel. R).
103-1 - Вход на блок 103. 103-1 - Entrance to block 103.
103-2 - Вход для передачи на блок 103 модулирующей последовательности с ПК. 103-2 - Input for transmission to block 103 of the modulating sequence from the PC.
105 - Блок формирования сигнала адаптации сигнала стробирования. 105 - Signal conditioning unit for adapting the gating signal.
105-1 - Вход на блок 105. 105-1 - Entrance to block 105.
105-2 - Вход для передачи с ПК на блок 105 последовательности адаптации стробирования 105-2 - Input for transmission from the PC to the block 105 of the sequence of adaptation of the gating
106 - Блок адаптации сигнала стробирования. 106 - Strobe signal adaptation block.
106-3 - вход на блок 106 и блок 106-1 106-3 - entrance to block 106 and block 106-1
106-5 - вход на блок 106, 106-5 - entrance to block 106,
106-4 - вход (инверсионный) на блок 106-1 106-4 - input (inverted) to block 106-1
106-1 - Элемент, выполняющий операцию конъюнкции над операндом с входа 106-3 и инверсионным значением операнда со входа 106-4. 106-1 - An element that performs a conjunction operation on the operand from input 106-3 and the inverse value of the operand from input 106-4.
«0» - Задатчик логического нуля блока 106 "0" - Logic zero setter block 106
106-2 - Ключ на два положения, переключающий вход 106-4 элемента 106— 1 либо к выходу задатчика логического нуля «0» (первое положение ключа - «нет адаптации стробирования»), либо к выходу 105-3 блока 105 (второе положение ключа - «адаптация стробирования»). Ключ управляется с ПК. 106-2 - A two-position key that switches input 106-4 of element 106 - 1 either to the output of the logical zero generator "0" (the first position of the key is "no gating adaptation"), or to the output 105-3 of block 105 (second position key - "adaptation gating"). The key is controlled from a PC.
107 - Блок имитации сложного зондируемого объекта (БИЗО). 108 - Блок оптического приема с узлом регулировки. 107 - Block of imitation of a complex probed object (BISO). 108 - Optical reception unit with adjustment unit.
108-4 - Оптический вход блока 108. 108-4 - Optical input of block 108.
108-5 - Вход логического сигнала стробирования. 108-5 - Gate logic input.
108-1 - Блок осуществления стробирования сенсора. Блок формирует сигнал определяющий, текущее состояние сенсора (режим работы) и его квантовую эффективность. Блок имеет два входа. На первый вход подается логический сигнал стробирования с блока 106. 108-1 - Sensor gating implementation unit. The block generates a signal that determines the current state of the sensor (operation mode) and its quantum efficiency. The block has two entrances. The first input is a gate logic signal from block 106.
108-1 -1 вход (второй) блока 108-1 через который с блока 108-2 подается сигнал определяющий квантовую эффективность сенсора блока 108-3. 108-1 -1 is the (second) input of block 108-1 through which a signal is supplied from block 108-2 that determines the quantum efficiency of the sensor of block 108-3.
108-2 - узел регулировки квантовой эффективности по частоте срабатываний сенсора. 108-2 - node for adjusting the quantum efficiency by the frequency of sensor activations.
108-3 - Оптический сенсор и схема формирования сигнала двоичного детектирования. Оптический сигнал подается на блок 108-3 через вход 108-4 (первый), на второй вход (108-3-1 ) блока 108-3 подается управляющий сенсором сигнал с блока 108-1 108-3 - Optical sensor and binary detection signal generation circuit. The optical signal is supplied to block 108-3 through input 108-4 (first), the second input (108-3-1) of block 108-3 is supplied with a sensor control signal from block 108-1
108-3-1 - второй вход блока 108-3, через который подается управляющий сенсором сигнал. 108-3-1 - the second input of block 108-3, through which the sensor control signal is supplied.
SP1 - Задатчик уставки априорной амплитуды напряжения смещения сенсора блока 108-3 или задатчик априорной квантовой эффективности сенсора блока 108-3, т. к. квантовая эффективность сенсора определяется напряжением смещения. Уставка передается в задатчик с ПК (порт для передачи уставки в задатчик на фиг.8 не указан). SP1 - Setpoint of the a priori amplitude of the bias voltage of the sensor of block 108-3 or setter of the a priori quantum efficiency of the sensor of block 108-3, since the quantum efficiency of the sensor is determined by the bias voltage. The setpoint is transferred to the setter from the PC (the port for transferring the setpoint to the setter is not indicated in Fig. 8).
SP2 - Задатчик уставки средней нормированной частоты срабатываний сенсора блока 108-3. Уставка передается в задатчик с ПК (порт для передачи уставки в задатчик не указан). SP2 - Setpoint adjuster for the average normalized frequency of operation of the sensor block 108-3. The setpoint is transferred to the master from the PC (the port for transferring the setpoint to the master is not specified).
SP3 - Задатчик уставки фиксированного напряжения смещения с амплитудой Vbias, определяющего квантовую эффективность сенсора блока 108-3 или задатчик квантовой эффективности сенсора блока 108-3. Уставка передается в задатчик с ПК (порт для передачи уставки в задатчик фиг.8 не указан). SP3 - Setpoint of a fixed bias voltage with amplitude V bias , which determines the quantum efficiency of the sensor of block 108-3 or the quantum efficiency of the sensor of block 108-3. The setpoint is transferred to the setter from the PC (the port for transferring the setpoint to the setter is not specified in Fig. 8).
108-2-1 - Формирователь разностного сигнала. (Элемент, производящий операцию вычитания из уставки регулирования нормированной частоты срабатываний сенсора блока 108-3 сигнала двоичного детектирования с блока 108-3) 108-2-1 - Differential signal generator. (The element that performs the operation of subtracting the signal of binary detection from the block 108-3 from the regulation setting of the normalized frequency of the sensor operation of block 108-3)
108-2-2 - Интегратор разностного сигнала. 108-2-3 - Элемент, производящий операцию прибавления к сигналу на выходе интегратора 108-2-2 первоначального (априорного) напряжения смещения (или иного сигнала, определяющего априорную квантовую эффективностью сенсора). 108-2-2 - Difference signal integrator. 108-2-3 - An element that performs the operation of adding to the signal at the output of the integrator 108-2-2 the initial (a priori) bias voltage (or another signal that determines the a priori quantum efficiency of the sensor).
108-2-4 - Ключ на два положения, переключающий вход блока 108-2-5 либо к выходу задатчика SP3 (первое положение ключа - «заданная квантовая эффективность сенсора»), либо к выходу сумматора 108-2-3 (второе положение ключа - «регулирование (подстройка) квантовой эффективности сенсора» блока 108-3). Положение ключа управляется с ПК. 108-2-4 - A two-position switch that switches the input of block 108-2-5 either to the output of the master SP3 (the first position of the key is “given quantum efficiency of the sensor”), or to the output of the adder 108-2-3 (the second position of the key - "regulation (tuning) of the quantum efficiency of the sensor" block 108-3). Key position is controlled by PC.
108-2-5 - Ограничитель напряжения смещения ограничивающий диапазон регулирующего сигнала с блока 108-2 диапазоном [VbiasMiN^biasMAx] (или иного сигнала, регулирующего квантовую эффективностью сенсора). 108-2-5 - Bias voltage limiter limiting the range of the control signal from block 108-2 in the range [VbiasMiN^biasMAx] ( or another signal that regulates the quantum efficiency of the sensor).
Т4 - Блок регистрации и считывания первичной рефлектограммы. T4 - Block of registration and reading of the primary reflectogram.
Стенд состоит из блока 101 формирования синхроимпульса начала цикла зондирования, соединенного с блоком 102 формирования тактового сигнала, соединенного с входами блоков 106 (Блок адаптации сигнала стробирования), 105 (Блок формирования сигнала адаптации сигнала стробирования) и 103 (Блок формирования модулирующей двоичной ПИМ последовательности) The stand consists of a block 101 for generating a clock pulse at the beginning of the probing cycle, connected to a block 102 for generating a clock signal, connected to the inputs of blocks 106 (Gating signal adaptation block), 105 (Gating signal adaptation signal generating block) and 103 (Binary modulating PIM sequence generation block)
Выход блока 105 соединен через второй вход 106-5 блока 106 со входом 108- 5 блока 108 (Блок приема оптического сигнала в режиме быстрого стробирования). The output of the block 105 is connected through the second input 106-5 of the block 106 with the input 108-5 of the block 108 (Optical signal receiving block in fast gating mode).
Выход блока 103, соединен с входом блока 107 (БИЗО) оптический выход которого соединен с оптическим входом 108-4 блока 108. The output of block 103 is connected to the input of block 107 (BISO), the optical output of which is connected to the optical input 108-4 of block 108.
К выходу блока 108 присоединен блок регистрации и считывания первичной рефлектограммы поз. Т4. To the output of block 108 is connected to the block of registration and reading of the primary reflectogram pos. T4.
Блок 103 Формирует ПИМ последовательность импульсов. Block 103 Generates a PIM pulse train.
Блок формирования сигнала адаптации стробирования 105 формирует сигнал адаптации стробирования, инициирующий отключение сенсора в интервалы времени поступления на сенсор «сильных» и «ординарных» или «сильных» оптических импульсов. (По существу, двоичная последовательность адаптации сигнала стробирования вычисляется на ПК и записывается в блок 105 для дальнейшего формирования сигнала адаптации стробирования. Таким образом блок 105 имитирует работу практического блока формирования сигнала адаптации стробирования. Gating adaptation signal generator 105 generates a gating adaptation signal that initiates sensor shutdown at time intervals where "strong" and "ordinary" or "strong" optical pulses arrive at the sensor. (Essentially, the bit adaptation sequence of the gating signal is computed by the PC and written to block 105 to further generate the gating adaptation signal. In this way, block 105 simulates the operation of a practical gating adaptation signal generator.
Блок 107 имитирует отраженный оптический сигнал от сложной цели. Блок 106 адаптирует логический сигнал стробирования, по существу являющийся тактовым сигналом блока 108 так, чтобы в моменты поступления на оптический сенсор «сильных» и «ординарных» или «сильных» оптических импульсов сенсор блока 108-3 не находился в режиме счетчика Гейгера. Block 107 simulates the reflected optical signal from a complex target. Unit 106 adapts the strobe logic signal, which is essentially the clock signal of unit 108, so that when "strong" and "ordinary" or "strong" optical pulses arrive at the optical sensor, the sensor of unit 108-3 is not in Geiger counter mode.
Блок 108 осуществляет двоичный прием оптических импульсов, поступающих на поверхность приемного сенсора в моменты его стробирования (нахождения в режиме счетчика Гейгера) и формирует логический сигнал двоичного детектирования. Block 108 performs binary reception of optical pulses arriving at the surface of the receiving sensor at the moments of its strobing (being in the Geiger counter mode) and generates a binary detection logic signal.
Описание принципов работы и назначения блоков стенда. Description of the principles of operation and purpose of the stand blocks.
Блок 101. Формирует импульс начала цикла зондирования. Block 101. Generates a pulse to start the probing cycle.
По импульсу начала цикла зондирования начинается отсчет тактовых импульсов цикла зондирования, по которым осуществляется: By the pulse of the beginning of the probing cycle, the counting of the clock pulses of the probing cycle begins, according to which:
1 ) запись сигналов блоком регистрации и считывания (передачи) первичной рефлектограммы (Т4). Такт записи составляет 400 ps 1) recording of signals by the block of registration and reading (transmission) of the primary reflectogram (T4). The recording cycle is 400 ps
2) формирование ПИМ последовательности блоком 103; 2) the formation of the PIM sequence block 103;
3) формирование блоком 105 сигнала адаптации стробирования. 3) generation by block 105 of the gating adaptation signal.
Блок 102. Блок формирует двоичную последовательность из периодически сменяющихся логических нулей и единиц. Частота перехода от единицы к нулю составляет 2,5 GHz. Частота тактового перехода 5 GHz. Block 102. The block generates a binary sequence of periodically changing logical zeros and ones. The frequency of transition from one to zero is 2.5 GHz. The clock transition frequency is 5 GHz.
Сигнал логической единицы на выходе блока 102 по переднему фронту -The logic unit signal at the output of block 102 on the rising edge -
1 ) на входе 106-3 блока 106-1 при условии, что сигнал на входе 106-4 блока 106-1 есть логический ноль, инициирует перевод сенсора в блоке 108 в режим счетчика Гейгера; 1) at input 106-3 of block 106-1, provided that the signal at input 106-4 of block 106-1 is a logical zero, initiates the transfer of the sensor in block 108 to the Geiger counter mode;
2) на входе 105-1 блока 105 инициирует считывание с блока 105 одного бита сигнала адаптации стробирования на вход 106-5 блока 106. 2) at input 105-1 of block 105, initiates reading from block 105 of one bit of the gating adaptation signal to input 106-5 of block 106.
3) на входе 103-1 блока 103 инициирует считывание двух членов ПИМ последовательности из последовательной памяти блока 103 для последующего формирования блоком ПИМ последовательности импульсов, подаваемых на блок БИЗО 107. 3) at the input 103-1 of block 103, it initiates the reading of two members of the PIM sequence from the serial memory of block 103 for the subsequent formation by the PIM block of a sequence of pulses supplied to the BISO block 107.
Блок 103. Формирует ПИМ последовательность импульсов, подаваемую на блок 107 (БИЗО). Блок представляет собой устройство последовательного считывания двухбитного кода, которым представлена модулирующая последовательность. Считывание производится по переднему фронту импульса логической единицы с блока 102. Четные члены ПМ последовательности представлены первым битом кода, а нечетные вторым битом кода. После считывания двухбитного кода по тактовому переходу (генератор тактовых импульсов на функциональной схеме не указан) к логическому нулю происходит формирование четного импульса ПИМ последовательности, если первый бит кода равен «1 », и с задержкой в 200 ps на следующем тактовом переходе (от нуля к единице) от происходит формирование нечетного импульса ПИМ последовательности импульсов, при условии, если второй бит кода равен «1 ». Если биты кода равны «0» формирование импульсов не осуществляется. Таким образом формируется ПИМ последовательность импульсов с частотой модуляции 5GHz, равной частоте тактовых импульсов. Интервал тактовых импульсов равен 200ps и обозначается символом То. Block 103. Forms a PIM pulse sequence applied to block 107 (BISO). The block is a device for sequential reading of a two-bit code, which represents the modulating sequence. Reading is performed on the leading edge of the pulse logical unit from block 102. The even members of the PM sequence are represented by the first bit of the code, and the odd ones by the second bit of the code. After reading the two-bit code at the clock transition (the clock generator is not indicated on the functional diagram) to logic zero, an even pulse of the PIM sequence is generated if the first bit of the code is “1”, and with a delay of 200 ps at the next clock transition (from zero to unit) from the formation of an odd PIM pulse of a sequence of pulses, provided that the second bit of the code is equal to "1". If the code bits are equal to "0", the formation of pulses is not carried out. Thus, a PIM pulse sequence is formed with a modulation frequency of 5 GHz, equal to the frequency of the clock pulses. The clock pulse interval is 200ps and is denoted by the symbol T o .
Фигура 9 изображает работу блока 103 Figure 9 depicts the operation of block 103
9А - Схематическое изображение поел, тактовых импульсов и их нумерация 9В - Схематическое изображение последовательности лог. единиц и нулей, формируемых блоком 102 фиг 8 стенда, и их нумерация. 9A - Schematic representation of ate, clock pulses and their numbering 9B - Schematic representation of the sequence log. ones and zeros generated by block 102 of Fig. 8 of the stand, and their numbering.
9С - Значения двоичной модулирующая дискретная последовательность в двоичном коде и ее формальное представление в виде индексированной последовательности {и(0), тэ( 1 ), в(2) . . . . } длины (L + 1) /2 9C - Values of the binary modulating discrete sequence in binary code and its formal representation as an indexed sequence {u(0), te( 1 ), v(2) . . . . } of length (L + 1) /2
9D - Сформированная ПИМ последовательность импульсов ее формальное представление в виде двоичной индексированной последовательности 9D - Formed PIM pulse sequence its formal representation as a binary indexed sequence
{в(0), в(1), в(2), в(3) } длины L - 1. Временные позиции, соответствующие отсчетам равным нулю отмечены точками, временные позиции отсчетов равных единице отмечены вертикальными чертами. {at(0), at(1), at(2), at(3) } of length L - 1. Time positions corresponding to counts equal to zero are marked with dots, time positions of counts equal to one are marked with vertical lines.
Блок 105 формирует логический сигнал адаптации сигнала стробирования.Block 105 generates a gate signal adaptation logic signal.
Сигнал представляет собой двоичный логический сигнал, формируемый на основании двоичной последовательности, считываемой из устройства последовательной памяти блока 105. The signal is a binary logic signal generated based on the binary sequence read from the serial memory unit 105.
Считывание производится по тактовому переходу из логической единицы в логический ноль в двоичном сигнале с блока 102. Если считывается логическая единица, то на следующем переходе из логического нуля в единицу на выходе блока 105 формируется логическая единица, существующая до тактового перехода в двоичном сигнале с блока 102 с нуля в единицу. И иначе, если считывается логически ноль, то формируется логический ноль, существующий до следующего формирования логической единицы при ее считывании. Логическая единица в сигнале, как правило, приурочена к событию поступления на поверхность сенсора в блоке 108 на временном интервале стробирования длительности Тд «сильного» или «ординарного» оптического импульса. Если ключ на два положения 106-2 находится в положении «адаптация стробирования», то сигнал логической единицы с блока 105 отменяет стробирование сенсора в блоке 108. The reading is performed on a clock transition from a logical one to a logical zero in a binary signal from block 102. If a logical one is read, then at the next transition from logical zero to one, a logical one is formed at the output of block 105, which exists before the clock transition in the binary signal from block 102 from zero to one. And otherwise, if a logical zero is read, then a logical zero is formed that exists until the next formation of a logical unit when it is read. The logical unit in the signal, as a rule, is timed to the event of arrival on the surface of the sensor in block 108 at the time interval of gating duration T d "strong" or "ordinary" optical pulse. If the two-position switch 106-2 is in the "gating adapt" position, then the logic-one signal from block 105 cancels the sensor gating at block 108.
Фигура 10 изображает работу блока 105 и блока 106, и программного модуля 307 Figure 10 depicts the operation of block 105 and block 106, and program module 307
15А - Схематическое изображение поел, тактовых импульсов и их нумерация 15В - Схематическое изображение последовательности лог. единиц и нулей, формируемых блоком 102 стенда, и их нумерация. 15A - Schematic representation of ate, clock pulses and their numbering 15B - Schematic representation of the sequence log. units and zeros generated by the block 102 of the stand, and their numbering.
15С - Значения двоичной последовательности, считываемой из памяти блока 105 5 и ее формальное представление в виде индексированной последовательности {б (0), б (1 ), б (2) } длины N 15C - Values of the binary sequence read from the memory of block 105 5 and its formal representation as an indexed sequence {b (0), b (1 ), b (2) } of length N
15D - Сформированный блоком 105 сигнал адаптации стробирования, 15Е- адаптированный блоком 106 сигнал стробирования. 15D - Gating adaptation signal generated by block 105, 15E - gate signal adapted by block 106.
15G - формируемая программным модулем 307 двоичная последовательность при имитации адаптивного стробирования с целью вычисления вспомогательной последовательности Y. 15G is the binary sequence generated by the program module 307 when simulating adaptive gating to calculate the auxiliary Y sequence.
Блок 106 - адаптирует логический сигнал стробирования, поступающий на вход 106-3 блока 106 с блока 102 путем исключения из последовательности логических нулей и единиц, логических единиц, временные позиции которых приурочены к временными позициями логических единиц в последовательности сигнала адаптации стробирования, поступающего с блока 105 на вход 106-5 блока 106. Функционально блок осуществляет операцию конъюнкции сигнала стробирования и инверсионного (в котором лог. единицы заменены нулями и наоборот) сигнала адаптации стробирования. Блок дополнен ключом на два положения позиция 106-2 на фиг.8 (положения ключа «адаптация стробирования» и «нет адаптации стробирования»), положение которого управляется программой, установленной на ПК. При положении ключа «нет адаптации стробирования» адаптация сигнала стробирования не осуществляется на вход 106-4 блока 106-1 подается логический ноль с задатчика логического нуля, обозначенного на фиг. 8 значком «0». Block 106 - adapts the gate logic signal supplied to the input 106-3 of block 106 from block 102 by excluding from the sequence of logical zeros and ones, logic ones, the time positions of which are timed with the time positions of logic ones in the sequence of the gate adaptation signal coming from block 105 to the input 106-5 of the block 106. Functionally, the block performs the operation of the conjunction of the gating signal and the inversion (in which logical units are replaced by zeros and vice versa) gating adaptation signal. The block is supplemented with a two-position key, position 106-2 in Fig. 8 (key positions “gating adaptation” and “no gating adaptation”), the position of which is controlled by the program installed on the PC. When the key is set to “no gating adaptation”, the gating signal is not adapted to the input 106-4 of block 106-1, a logical zero is supplied from the logical zero generator indicated in FIG. 8 icon "0".
Блок 107. Блок имитации сигнала от зондируемого объекта (БИЗО). Схема блока 107 представлена на фиг. 11 Block 107. Block for simulating a signal from a probed object (BISO). Block diagram 107 is shown in FIG. eleven
На фигуре 11 обозначено: Figure 11 shows:
201 - формирователь оптического зондирующего сигнала и задержки сигнала. 201 - shaper of the optical probing signal and signal delay.
202 - оптический делитель сигнала (сплиттер), разделяющий сигнал на девять равных потоков. 202 - optical signal splitter (splitter), dividing the signal into nine equal streams.
2031 -2039 - линии задержки оптического сигнала, 2031 -2039 - optical signal delay lines,
204 - оптический сумматор, 204 - optical adder,
2051-2053 - аттенюаторы сигнала, 2051-2053 - signal attenuators,
207 - линии формирования сигнала, имитирующего сигнал помехи. 207 - signal generation lines simulating an interference signal.
Блок 201 состоит из блока формирования импульсного питания лазерного диода (2011 ) , лазерного диода (2012) формирующего короткие импульсы длительностью до 100 ps, оптического аттенюатора (2013) и линию задержки в виде оптоволоконного волновода (2014) имитирующей задержку отраженного сигнала от сложного объекта. Block 201 consists of a laser diode pulse power generation unit (2011), a laser diode (2012) that generates short pulses up to 100 ps, an optical attenuator (2013) and a delay line in the form of a fiber optic waveguide (2014) simulating the delay of the reflected signal from a complex object.
Девять линий задержки оптического сигнала (2031 , 2032, ... 2039), представляющих собой оптоволоконные волноводы, задерживающих оптический сигнал на соответствующее число долей ns и имитирующих задержку отраженных сигналов от отражающих элементов сложного зондируемого объекта. Nine optical signal delay lines (2031, 2032, ... 2039), which are fiber optic waveguides that delay the optical signal by the corresponding number of fractions ns and simulate the delay of reflected signals from reflective elements of a complex probed object.
Таблица 4. Спецификация на оптические линии задержки (ЛЗ)
Figure imgf000035_0001
К первым шести входам сумматора 204 подключены линии задержки, в порядке, перечисленном в таблице 4. Table 4. Specification for optical delay lines (DL)
Figure imgf000035_0001
Delay lines are connected to the first six inputs of adder 204, in the order listed in Table 4.
Сигналы с линий задержки 2037 и 2038, и 2039 подключены к седьмому, восьмому и девятому входам сумматора 204 через аттенюаторы 2051 , 2052, 2053. The signals from the delay lines 2037 and 2038, and 2039 are connected to the seventh, eighth and ninth inputs of the adder 204 through attenuators 2051, 2052, 2053.
Линии формирования сигнала, имитирующего сигнал помехи 207, подключенная к десятому входу сумматора 204 состоит из формирователя напряжения питания лазерного диода 2071 , лазерного диода 2072, аттенюатора сигнала 2073, соединительного оптического волновода 2074. The signal generation line simulating an interference signal 207 connected to the tenth input of the adder 204 consists of a laser diode supply voltage driver 2071, a laser diode 2072, a signal attenuator 2073, and a connecting optical waveguide 2074.
Лазерные диоды (2012 и 2072) и сенсор блока 108 адаптированы для работы на длине волны 1550 пт. Лазерный диод 2012 по сигналу с блока 103 формирует короткие импульсы длительностью до 100 ps. Последовательность оптических импульсов с лазерного диода 2012, имитирующая зондирующий сигнал, через аттенюатор 2013 и оптический волновод 2014 подается на вход оптического делителя сигнала 202. Через линии задержки и аттенюаторы суммируется на сумматоре 204 и смешивается на сумматоре 204 с шумовой составляющей с 207 и через дополнительный аттенюатор и оптический волновод (не указаны на фиг. 12) через вход 108-4 (фиг.8) поступают на сенсор оптического сигнала в блоке 108. The laser diodes (2012 and 2072) and the sensor of block 108 are adapted to operate at a wavelength of 1550 pt. Laser diode 2012 generates short pulses with a duration of up to 100 ps based on a signal from block 103. A sequence of optical pulses from a laser diode 2012, simulating a probing signal, is fed through an attenuator 2013 and an optical waveguide 2014 to the input of the optical signal divider 202. It is summed through the delay lines and attenuators at the adder 204 and mixed at the adder 204 with the noise component from 207 and through an additional attenuator and an optical waveguide (not shown in Fig. 12) through the input 108-4 (Fig. 8) are fed to the optical signal sensor in block 108.
Сигналы с линий задержки 2031-2036 имитируют «сильные» отраженные сигналы от элементов зондируемого объекта. Signals from delay lines 2031-2036 imitate "strong" reflected signals from the elements of the probed object.
Сигналы с линий задержки 2038-2039 имитируют «слабые» отраженные сигналы от элементов зондируемого объекта. Signals from delay lines 2038-2039 imitate "weak" reflected signals from the elements of the probed object.
Сигналы с линии задержки 2037 имитирует «ординарный» отраженный сигнал от элементов зондируемого объекта. Signals from the delay line 2037 simulates the "ordinary" reflected signal from the elements of the probed object.
Блок 108. Блок приема оптического сигнала в режиме быстрого стробирования, включая сенсор. Схема блока приема 108 с узлом регулировки приведена на фиг. 8. Block 108. Block for receiving an optical signal in the fast strobing mode, including the sensor. The diagram of the receiving unit 108 with the adjustment unit is shown in FIG. 8.
Блок 108-1. Блок осуществления стробирования сенсора. Block 108-1. Sensor strobing block.
Сигнал, управляющий стробированием сенсора блока 108-3 подается на вход 108-3-1 блока 108-3 формируется блоком 108-1 , на основании логического сигнала стробирования подаваемого на вход 108-5 и сигнала задающего квантовую эффективность сенсора блока 108-3 и подаваемого на вход 108-1 -1 и представляет собой суперпозицию напряжения постоянного смещения с амплитудой vbias и прямоугольного сигнала стробирования с периодом Td и длительностью импульсов стробирования Тд и амплитудами положительной и отрицательной полуволны соответственно vm+ и vm_. Суммарная амплитуда vg =vbias + vm+ определяет квантовую эффективность сенсора на интервале стробирования длительности Тд. При этом для осуществления стробирования должно выполняться условие Voff =Vbias ~ Vm- < Vbr (CM. фИГ. 3 И Таблицу 2). СИГНЭЛ СТробирОВЭНИЯ - ПрЯМОуГОЛЬНЫЙ сигнал с заданными амплитудами Vm+ и Vm_ и длительностью импульсов стробирования Тд формируется в этом же блоке на основании сигнала, поступающего на вход 108-5 блока 108. Временное положение переднего фронта импульсов стробирования совпадает с положением переднего фронта логических единиц в логическом сигнале стробирования на входе 108-5 блока 108. The signal that controls the gating of the sensor block 108-3 is fed to the input 108-3-1 of the block 108-3 is formed by the block 108-1, based on the gate logic signal applied to the input 108-5 and the signal that specifies the quantum efficiency of the sensor block 108-3 and applied to the input 108-1 -1 and is a superposition of a DC bias voltage with an amplitude v bias and a rectangular gating signal with a period T d and the duration of the gating pulses T d and the amplitudes of the positive and negative half-waves v m+ and v m _, respectively. The total amplitude v g =v bias + v m+ determines the quantum efficiency of the sensor in the gating interval of duration T d . In this case, for the implementation of gating, the condition V off =V bias ~ V m- < V br (CM. FIG. 3 and Table 2) must be met. GATE SIGNAL - A RECTANGULAR signal with given amplitudes V m+ and V m _ and the duration of the strobing pulses T d is formed in the same block based on the signal input 108-5 of block 108. The time position of the leading edge of the strobing pulses coincides with the position of the leading edge of the logical units in the logical gate signal at the input 108-5 block 108.
Блок 108-2. Узел регулировки сигнала управляющего квантовой эффективностью сенсора. Block 108-2. Node for adjusting the signal controlling the quantum efficiency of the sensor.
Регулирование сигнала управляющего квантовой эффективностью сенсора осуществляется узлом регулировки 108-2, который The regulation of the signal controlling the quantum efficiency of the sensor is carried out by the adjustment node 108-2, which
1 ) при снижении средней, нормированной на fg (частота неадаптированного сигнала стробирования) частоты срабатываний сенсора Fc (здесь и далее нормированные частоты обозначаются заглавной буквой F) ниже уставки средней частоты срабатываний сенсора FSP или диапазона уставок регулирования нормированных частот [FMiN FMAX] увеличивает амплитуду напряжения стробирования vg на интервалах стробирования (сигнала стробирования формируемого блоком 108-1 и подаваемого на сенсор блока 108-3 через вход 108-3-1 ) , так чтобы текущая средняя нормированная частота срабатываний сенсора находилась в заданном диапазоне уставок регулирования [FMIN FMAX] ИЛИ была по крайней мере максимально приближена к заданному диапазону уставок или уставке регулирования FSP, но таким образом чтобы vg не превышало максимально допустимого рабочим диапазоном напряжений стробирования vgMAX , 1 ) when the average, normalized to f g (frequency of the non-adapted gating signal) sensor actuation frequency F c (hereinafter, the normalized frequencies are denoted by the capital letter F) is lower than the average sensor actuation frequency setting F SP or the normalized frequency control setting range [F MiN F MAX ] increases the amplitude of the gating voltage v g at the gating intervals (gating signal generated by block 108-1 and supplied to the sensor of block 108-3 through input 108-3-1 ) so that the current average normalized sensor actuation frequency is within the specified range of control settings [F MIN FMAX] OR is at least as close as possible to the specified setting range or control setpoint F SP , but in such a way that v g does not exceed the maximum allowed gate voltage operating range v gMAX ,
2) при увеличении средней нормированной частоты срабатываний сенсора Fc , ниже уставки FSP или границы уставок_диапазона регулирования [FMIN FMAX], снижает амплитуду напряжения стробирования vg на интервалах стробирования, так чтобы текущая средняя нормированная частота срабатываний сенсора находилась в заданном диапазоне уставок регулирования [FMIN FMAX] или была по крайней мере максимально приближена к заданному диапазону уставок или уставке регулирования FSP, но таким образом, чтобы vg не опускалось ниже vbr. Такой блок регулировки можно выполнить, например, в виде стандартного контура регулирования, состоящего из интегрирующего регулятора (1-регулятора) сигнал на выходе которого может изменяться в диапазоне допустимых значений определяющих диапазон изменения напряжения стробирования или напряжения смещения или квантовой эффективности сенсора, а на вход подается сигнал, представляющий собой разность уставки регулирования FSP и двоичного сигнал с выхода блока 8-3. Постоянная составляющая сигнала на выходе блока 8-3 пропорциональна нормированной частоте срабатываний сенсора. Уставка регулирования нормированной средней частоты срабатываний сенсора (FSP) формируется задатчиком SP2, по значению записываемому в него (в задатчик) из ПК. 2) with an increase in the average normalized sensor actuation frequency F c , below the setting F SP or the limit of the settings_regulation range [F MIN F MAX ], reduces the gating voltage amplitude v g at the gating intervals, so that the current average normalized sensor actuation frequency is within the specified setting range [F MIN F MAX ] or is at least as close as possible to the specified setting range or control setpoint F SP , but in such a way that v g does not fall below v br . Such an adjustment unit can be made, for example, in the form of a standard control loop, consisting of an integrating controller (1-controller), the output signal of which can vary in the range of acceptable values that determine the range of change in the gating voltage or bias voltage, or the quantum efficiency of the sensor, and the input is a signal representing the difference between the control setpoint F SP and the binary signal from the output of block 8-3. The constant component of the signal at the output of block 8-3 is proportional to the normalized frequency of sensor responses. The setpoint for regulating the normalized average frequency of sensor operation (F SP ) is formed by the SP2 setter, according to the value written to it (in the setter) from the PC.
Предпочтительная величина уставки регулирования FSP лежит в диапазоне [0,2 0,6]. Разница уставки регулирования нормированной средней частоты срабатываний сенсора FSP и сигнала с выхода блока 108-3 (сигнал можно представить, как сумму постоянной составляющей сигнала и переменной) с элемента 108-2-1 подается на интегратор 108-2-2, который увеличивает сигнал на своем выходе только если разница между уставкой и постоянной составляющей сигнала положительна и, наоборот, уменьшает если разница отрицательна и ничего не изменяет если разница нулевая. Переменная же, составляющая сигнала, максимально подавляется интегратором 108-2-2 и не влияет на процесс регулирования. Весовой коэффициент интегрирования, выполняемого интегратором 108-2-2 обратно пропорционален постоянной т контура регулирования. Весовой коэффициент интегрирования подбирается так, чтобы обеспечить, достаточную относительную погрешность регулирования средней нормированной частоты срабатываний сенсора и относительные колебания в установившемся режиме регулирования. Для ускорения регулирования возможно динамическое изменение весового коэффициент интегрирования, так если амплитуда разностного сигнала на выходе блока 8-2-1 достаточно велика, то весовой коэффициент можно увеличить в 2-3 раза, но по мере снижения амплитуды разностного сигнала его необходимо уменьшать до начального значения. The preferred value for the control setpoint F SP lies in the range [0.2 0.6]. The difference between the regulation setpoint of the normalized average frequency of sensor operation F SP and the signal from the output of block 108-3 (the signal can be represented as the sum of the constant component of the signal and the variable) from element 108-2-1 is fed to the integrator 108-2-2, which increases the signal at its output only if the difference between the setpoint and the constant component of the signal is positive and, conversely, reduces if the difference is negative and does not change anything if the difference is zero. The variable component of the signal is maximally suppressed by the integrator 108-2-2 and does not affect the regulation process. The weighting factor for the integration performed by the integrator 108-2-2 is inversely proportional to the constant t of the control loop. The weighting coefficient of integration is chosen so as to provide a sufficient relative error in the regulation of the average normalized frequency of sensor responses and relative fluctuations in the steady state control mode. To speed up the regulation, it is possible to dynamically change the weighting coefficient of integration, so if the amplitude of the difference signal at the output of block 8-2-1 is large enough, then the weighting factor can be increased by 2-3 times, but as the amplitude of the difference signal decreases, it must be reduced to the initial value .
Для ускорения процесса регулирования (подстройки квантовой эффективности сенсора) дополнительно к сигналу на выходе интегратора (108-2-2 фиг. 8) блоком 108-2-3 прибавляется уставка формируемая задатчиком SP1. Эта уставка задает значение априорной (ожидаемой) квантовой эффективности на интервалах стробирования сенсора блока 108-3. To speed up the regulation process (tuning the quantum efficiency of the sensor), in addition to the signal at the output of the integrator (108-2-2 Fig. 8), block 108-2-3 adds the setpoint generated by the SP1 generator. This the setting specifies the value of the a priori (expected) quantum efficiency at the gating intervals of the block 108-3 sensor.
Для осуществления сравнительного примера №7 блок 108-2 также может и работать и в режиме выдачи на вход 108-1 -1 блока 108-1 фиксированного сигнала, амплитуда которого определяет фиксированную квантовую эффективность на интервалах стробирования сенсора блока 108-3. Этот режим используется для сравнения приема с регулированием (подстройкой) квантовой эффективности (примеры №№ 4,5,6 ) с приемом сигнала с постоянной квантовой эффективностью сенсора (пример №7) . Для переключения в этот режим используется ключ на два положения 108-2-4, в режиме фиксации квантовой эффективности на вход 108-1 -1 блока 108-1 подается с задатчика сигнала SP3 сигнал уставки, амплитуда которого определяет заданную квантовую эффективность SP сенсора блока 108-3. Блок 108- 2-5 это ограничитель регулирующего сигнала определяющий диапазон изменения напряжения смещения и/или напряжения стробирования и/или квантовой эффективности сенсора блока 108-3. For the implementation of comparative example No. 7, block 108-2 can also operate in the mode of issuing a fixed signal to the input 108-1 -1 of block 108-1, the amplitude of which determines the fixed quantum efficiency at the gating intervals of the sensor of block 108-3. This mode is used to compare reception with regulation (adjustment) of quantum efficiency (examples No. 4,5,6) with the reception of a signal with a constant quantum efficiency of the sensor (example No. 7) . To switch to this mode, a two-position key 108-2-4 is used; in the mode of fixing the quantum efficiency, a setpoint signal is supplied from the signal generator SP3 to the input 108-1 -1 of block 108-1, the amplitude of which determines the specified quantum efficiency SP of the sensor of block 108 -3. Block 108-2-5 is a control signal limiter that determines the range of bias voltage and/or gating voltage and/or quantum efficiency of the sensor block 108-3.
Блок 108-3. Оптический сенсор и схема формирования сигнала (последовательности) двоичного детектирования. Block 108-3. Optical sensor and binary detection signal (sequence) generation circuit.
На выходе блока 108-3 формируется сигнал двоичного детектирования, представляющий собой последовательность из логических нулей и единиц. Логическая единица соответствует событию срабатывания сенсора на интервале стробирования, логический нуль, отсутствию срабатывания сенсора на интервале стробирования. Логический сигнал со скоростью передачи информации 2.5 Gbps из блока 108-3 поступает на блок регистрации и считывания поз. Т4. At the output of block 108-3, a binary detection signal is generated, which is a sequence of logical zeros and ones. The logical unit corresponds to the event of the sensor operation at the gating interval, logical zero, the absence of sensor operation at the gating interval. A logical signal with an information transfer rate of 2.5 Gbps from block 108-3 is fed to the block of registration and reading pos. T4.
Блоком Т4 первый член дискетной последовательности двоичного детектирования заносится в ячейку с номером i = 0, второй в ячейку с номером i = 1 и так далее. Последний член последовательности двоичного детектирования заносится в ячейку N - 1, где N число членов последовательности двоичного детектирования. Так формируется последовательность двоичного детектирования p(i) длины =40000, i - номер члена последовательности двоичного детектирования. By block T4, the first member of the binary detection diskette sequence is entered in the cell with the number i = 0, the second in the cell with the number i = 1, and so on. The last member of the binary detection sequence is entered in cell N - 1, where N is the number of members of the binary detection sequence. Thus, a binary detection sequence p(i) of length =40000 is formed, i is the number of a member of the binary detection sequence.
На фиг. 12 схематически отображена связь отсчетов в последовательности двоичного детектирования (график Е на фиг.13) с временными интервалами стробирования (график D) и временного положения тактовых импульсов (график В). Фиг 12: In FIG. 12 is a schematic representation of the relationship of samples in the binary detection sequence (plot E in FIG. 13) with gate time intervals (plot D) and clock timing (plot B). Fig 12:
13A - нумерация тактовых импульсов, 13A - numbering of clock pulses,
13В - схематическое изображение последовательности тактовых импульсов), 13B is a schematic representation of the clock pulse sequence),
13С - схематическое изображение оптических импульсов, поступающих на сенсор, 13C is a schematic representation of the optical pulses supplied to the sensor,
13D - схематическое изображение сигнала стробирования, 13D is a schematic representation of a gate signal,
13Е - формируемый блоком 108 логический сигнал двоичного детектирования, 13E - binary detection logic generated by block 108,
13F - нумерация отсчетов логического сигнала. 13F - numbering of samples of the logical signal.
13J - последовательность двоичного детектирования р 13J - p binary detection sequence
Средняя нормированная частота срабатываний сенсора Fc суть оценка вероятности срабатывания сенсора на интервале Тд. The average normalized frequency of sensor responses F c is the estimate of the probability of sensor response in the interval T d .
Величина Fc сигнала может быть измерена путем измерения амплитуды постоянной составляющей сигнала на выходе блока 108-3. Приведем поясняющий пример. Пусть амплитуда логической единицы на выходе блока 108-3 равна 1 ,0 V, а амплитуда логического нуля 0,0 V, а средняя частота срабатываний сенсора нормированная на частоту стробирования составляет 0,4 тогда амплитуда постоянной составляющей сигнала на выходе блока 108-3 составит 0,4*1 = 0,4 V Для поддержания на постоянном уровне частоты срабатываний сенсора нужно подать с задатчика уставки SP2 уставку равную 0,4 V. The magnitude F c of the signal can be measured by measuring the amplitude of the DC component of the signal at the output of block 108-3. Let's give an explanatory example. Let the amplitude of the logical unit at the output of block 108-3 be equal to 1.0 V, and the amplitude of the logical zero 0.0 V, and the average frequency of sensor responses normalized to the gating frequency is 0.4, then the amplitude of the constant component of the signal at the output of block 108-3 will be 0.4 * 1 = 0.4 V To maintain the frequency of sensor operation at a constant level, it is necessary to apply a setting equal to 0.4 V from the setpoint adjuster SP2.
Функциональные схемы симуляции блоков обработки сигнала двоичного детектирования, блоков формирования сигнала адаптации стробирования, блоков формирования модулирующей ПИМ последовательности. Functional diagrams for simulation of binary detection signal processing units, gating adaptation signal generation units, modulating PIM sequence generation units.
Часть блоков, реализуемых в практическом лидаре, на стендовой установке реализована их программной симуляций. Программной симуляцией осуществляется : Some of the blocks implemented in a practical lidar were implemented on a bench installation by their software simulation. Software simulation is carried out:
1 ) На цикле симуляции 1 : Формирование модулирующей ПИМ последовательности в формате удобном для записи в массив памяти блока 103 стенда. 1 ) On simulation cycle 1 : Formation of the modulating PIM sequence in a format convenient for writing to the memory array of block 103 of the stand.
2) На цикле симуляции 2: обработка считанной с блока Т4 стенда первичной рефлектограммы или накопленной первичной рефлектограммы с получением вторичной рефлектограммы в виде массива отсчетов Z. 3) На цикле симуляции 3: 2) On simulation cycle 2: processing of the primary reflectogram read from the T4 block of the stand or the accumulated primary reflectogram to obtain a secondary reflectogram in the form of an array of readings Z. 3) On simulation loop 3:
3.1 ) формирование последовательности адаптации стробирования б в виде массива двоичных отсчетов в формате удобном для записи в блок формирования сигнала адаптации стробирования 105 стенда. 3.1) formation of a strobing adaptation sequence b in the form of an array of binary samples in a format convenient for writing to the gating adaptation signal generation unit 105 of the stand.
3.2) формирование вспомогательной последовательности отсчетов Y. Член последовательности K(i) равен числу интервалов стробирования, на которых происходил прием сигнала в режиме стробирования, вносящих вклад в формирование соответствующего отсчета вторичной рефлектограммы Z(i). Т. е. если Г(100) = 1500, то следовательно отсчет вторичной рефлектограммы Z с номером 100, получен путем обработки 1500 информационных (см. определение далее по тексту) отсчетов первичной рефлектограммы. 3.2) formation of an auxiliary sequence of readings Y. The member of the sequence K(i) is equal to the number of gating intervals at which the signal was received in the gating mode, contributing to the formation of the corresponding reading of the secondary reflectogram Z(i). That is, if Г(100) = 1500, then, consequently, the reading of the secondary reflectogram Z with the number 100 was obtained by processing 1500 informational (see the definition below) readings of the primary reflectogram.
Дополнительно, в программе реализованы интерфейсные модули, осуществляющие считывание/запись двоичных последовательностей из/в стенд имитации и блоки визуализации полученных в ходе работы стенда данных. Additionally, the program implements interface modules that read / write binary sequences from / to the simulation stand and visualization units of the data obtained during the work of the stand.
Функциональная схема обработки первичной рефлектограммы с получением вторичной рефлектограммы и формирования сигнала адаптации стробирования) реализованная программно имитирует (за исключением интерфейсных блоков, отвечающих за считывание/запись сигналов стенда) поблочную схему обработки первичной рефлектограммы в режиме реального времени, т. е. позволяет вычислять отсчеты вторичных рефлектограмм по мере поступления на вход схемы обработки отсчетов первичной рефлектограммы. The functional scheme for processing the primary reflectogram with obtaining a secondary reflectogram and generating a gating adaptation signal) implemented in software imitates (with the exception of the interface blocks responsible for reading/writing the bench signals) a block diagram for processing the primary reflectogram in real time, i.e., it allows calculating the readings of the secondary reflectograms as they arrive at the input of the processing circuit for readings of the primary reflectogram.
На фиг. 13 представлена функциональная схема обработки и формирования сигналов. На схеме программные модули, имитирующие функциональные блоки лидара и работающие при симуляции в едином цикле обведены прямоугольниками нарисованным пунктирной линией. In FIG. 13 shows a functional diagram of signal processing and generation. In the diagram, the software modules that imitate the functional blocks of the lidar and work during the simulation in a single cycle are circled with rectangles drawn by a dotted line.
Спецификация к схеме фиг. 13 Specification for the diagram of Fig. 13
ИМ1 (Интерфейсный модуль1 ) - предназначен для считывания первичной рефлектограммы со стенда на ПК в область памяти поз. П-1 . IM1 (Interface module1) - designed to read the primary reflectogram from the stand on a PC into the memory area pos. P-1.
П-1 - массив ячеек памяти для записи, хранения, накопления и считывания первичной рефлектограммы. P-1 - an array of memory cells for recording, storing, accumulating and reading the primary reflectogram.
301 - Модуль формирования первичной рефлектограммы к виду, адаптированному для обработки согласованной фильтрацией. 301 - Module for generating a primary reflectogram to a form adapted for processing by matched filtering.
302 - Модуль согласованной фильтрации предназначен для вычисления вторичной рефлектограммы. П-2 - массив ячеек памяти для записи, хранения и считывания вторичной рефлектограммы. 302 - The matched filtering module is designed to calculate the secondary reflectogram. P-2 - an array of memory cells for recording, storing and reading the secondary reflectogram.
303 - Модуль формирования вторичной рефлектограммы в виде, адаптированном для последующей обработки. 303 - Module for generating a secondary reflectogram in a form adapted for further processing.
304 - Модуль порогового обнаружения. 304 - Threshold detection module.
305 - Модуль формирования последовательности адаптации стробирования. 305 - Strobe adaptation sequencing module.
306 - Модуль приведения последовательности адаптации стробирования виду удобному для записи в модуль памяти блока формирования сигнала адаптации стробирования 105. 306 - Module for making the gating adaptation sequence convenient for writing to the memory module of the gating adaptation signal generator 105.
П-3 - массив ячеек памяти для записи, хранения и считывания последовательности адаптации стробирования. P-3 - an array of memory cells for writing, storing and reading the strobing adaptation sequence.
ИМ2 - (Интерфейсный модуль 2) - предназначен для передачи последовательности адаптации стробирования для ее последующей записи в модуль памяти блока формирования сигнала адаптации стробирования 105. IM2 - (Interface module 2) - is designed to transmit the strobing adaptation sequence for its subsequent recording in the memory module of the strobing adaptation signal generation unit 105.
307 - Модуль формирования последовательности, являющейся аналогом адаптированного логического сигнала стробирования. 307 - Module for generating a sequence that is analogous to an adapted gate logic signal.
308 - Модуль формирования вспомогательной последовательности отсчетов Y. 308 - Module for generating an auxiliary sequence of readings Y.
П-4 - массив ячеек памяти для записи, хранения и считывания для визуализации вспомогательной последовательности Y. P-4 - an array of memory cells for writing, storing and reading to visualize the auxiliary sequence Y.
309 - Модуль формирования входной последовательности для модуля 310. 309 - Input sequencing module for module 310.
310 - Модуль формирования модулирующей ПИМ последовательности.310 - Module for the formation of the modulating PIM sequence.
311 - Модуль приведения модулирующей последовательности к виду удобному для записи в модуль памяти блока 103. 311 - Module for bringing the modulating sequence to a form convenient for writing to the memory module of block 103.
П-5 - Область памяти для записи, хранения, считывания модулирующей ПИМ последовательности. P-5 - Memory area for recording, storing, reading the modulating PIM sequence.
ИМЗ - (Интерфейсный модуль 3) - предназначен для передачи модулирующей последовательности, для последующей записи в модуль памяти блока 103 стенда. IMZ - (Interface module 3) - is designed to transmit the modulating sequence, for subsequent recording in the memory module of block 103 of the stand.
Интерфейсный модуль ИМ1 Interface module IM1
Модуль ИМ1 предназначен для считывания первичной рефлектограммы в массив ячеек памяти П-1 в ПК. По команде с блока управления производится активация рабочего цикла стенда (цикла имитации зондирования), в котором имитируется испускание и прием оптического сигнала в виде двоичной последовательности (первичной рефлектограммы), записываемой в блок памяти блока Т4 стенда. По завершении рабочего цикла стенда интерфейсный блок ИМ1 (по команде с блока управления) считывает с блока стенда Т4 первичную рефлектограмму д. д(у) е [0; TV — 1]; TV = 40000. The IM1 module is designed to read the primary reflectogram into the array of memory cells P-1 in a PC. On command from the control unit, the operating cycle of the stand (probing simulation cycle) is activated, in which the emission and reception of an optical signal is simulated in the form of a binary sequence (primary reflectogram) recorded in the memory block of the T4 block of the stand. Upon completion of the working cycle of the stand, the interface unit IM1 (on command from the control unit) reads from the unit of the stand T4 the primary reflectogram d. d(y) e [0; TV - 1]; TV = 40000.
Далее интерфейсный блок ИМ1 считывает из ячеек памяти П-1 в ПК ранее записанную в нее рефлектограмму (или нулевые значения, заносимые в ячейки памяти П-1 перед проведением первого цикла зондирования ) и почленно прибавляет к ней считанную первичную рефлектограмму д и почленно записывает результат прибавления в ячейки памяти П-1. Нумерация ячеек памяти П-1 соответствует порядку нумерации отсчетов первичной рефлектограммы. Указанная выше последовательность операций (рабочий цикл стенда - считывание - сложение - запись) осуществляется необходимое число раз от 1 до К. Next, the interface block IM1 reads from the memory cells P-1 to the PC the reflectogram previously recorded in it (or zero values entered into the memory cells P-1 before the first probing cycle) and adds the read primary reflectogram d to it term by term and writes the result of addition term by term into memory cells P-1. The numbering of memory cells P-1 corresponds to the order of numbering of readings of the primary reflectogram. The sequence of operations indicated above (working cycle of the stand - reading - addition - writing) is carried out the required number of times from 1 to K.
В результате проведенных операций в массиве ячеек памяти П-1 формируется наколенная первичная рефлектограмма дк, где индекс К обозначает число просуммированных первичных рефлектограмм. дк(у) G [0; TV — 1]; TV = 40000. As a result of the operations carried out in the array of memory cells P-1, a knee-length primary reflectogram d k is formed, where the index K denotes the number of summed primary reflectograms. q to (y) G [0; TV - 1]; TV = 40000.
Необходимость накопления первичной рефлектограммы обусловлена ограничением памяти для записи первичной рефлектограммы в стенде. Поэтому один продолжительный цикл имитации зондирования заменен К циклами с накоплением первичной рефлектограммы. В рассматриваемых примерах К=5 При снижении мощности оптического шумового сигнала, имитируемого на стенде лазерным диодом 2072 достаточно было бы и одного цикла работы стенда, но суть примеров показать, как работает лидар, в условиях сильных помех, для чего необходимы ПИМ последовательности большей длительности (увеличенной в К раз), что имитируется накоплением рефлектограмм. The need to accumulate the primary reflectogram is due to the limited memory for recording the primary reflectogram in the stand. Therefore, one long cycle of sounding simulation is replaced by K cycles with the accumulation of the primary reflectogram. In the examples under consideration, K = 5. With a decrease in the power of the optical noise signal simulated on the bench by the 2072 laser diode, one cycle of the bench would be enough, but the essence of the examples is to show how the lidar works under conditions of strong interference, which requires PIM sequences of longer duration ( magnified by K times), which is simulated by the accumulation of reflectograms.
Интерфейсный модуль ИМ2. Interface module IM2.
Модуль предназначен для считывания из массива ячеек памяти П-3 и передачи на стенд для записи в ячейки памяти блока формирования сигнала адаптации стробирования 105, последовательности адаптации стробирования 6, 6(j E [0; N — 1]; W = 40000. The module is designed for reading from the array of memory cells P-3 and transferring to the stand for writing to the memory cells of the gating adaptation signal generation unit 105, the strobing adaptation sequence 6, 6(j E [0; N - 1]; W = 40000.
Интерфейсный модуль ИМЗ. Модуль предназначен для считывания из массива ячеек памяти П-5 и передачи на стенд для записи в ячейки памяти блока 103 модулирующей последовательности в двухбитном формате и,
Figure imgf000044_0001
- 1 ] ; L = 76645. Interface module IMZ. The module is designed to read from the array of memory cells P-5 and transfer to the stand for writing to the memory cells of block 103 of the modulating sequence in a two-bit format and,
Figure imgf000044_0001
- 1 ] ; L = 76645.
Формирование модулирующей ПИМ последовательностью (Операции в цикле 1) Formation of the modulating PIM sequence (Operations in cycle 1)
Формирование модулирующей ПИМ последовательности осуществляется в цикле 1. Переменная т - счетчик цикла, т е [0; L - 1] если L четное и иначе т е [0; L] если L нечетное. L - число членов модулирующей ПИМ последовательности. The formation of the modulating PIM sequence is carried out in cycle 1. The variable t is the cycle counter, t e [0; L - 1] if L is even and otherwise t e [0; L] if L is odd. L is the number of members of the modulating PIM sequence.
В качестве модулирующей ПИМ последовательности используется последовательность длины L = 76645. As a modulating PIM sequence, a sequence of length L = 76645 is used.
Операция 309 - формирование члена входной последовательности для модуля 310. Сформированное значение присваивается переменной А. Номер члена входной последовательности для модуля 310 определяется значением переменной т. Если переменная - счетчик цикла т = 0, то переменная А=1 , во всех остальных случаях переменная А = 0. Operation 309 - forming a member of the input sequence for module 310. The generated value is assigned to variable A. The number of the member of the input sequence for module 310 is determined by the value of the variable m. If the variable is the loop counter m = 0, then the variable A=1, in all other cases, the variable A = 0.
Операция 310 осуществляется программным модулем 310. Модуль при каждом обращении к нему имитирует один такт работы блока 3 фиг 6 формирования ПИМ последовательности длинны L = 76645. Номер такта работы имитатора блока 3 (программный модуль 310) соответствует значению переменной т. На каждом цикле на вход модуля 310 подается переменная А и переменная т . Если (m)mod2 = 0, то значение вычислений, имитирующих один такт работы блока 3, присваивается переменной С, а если (m)mod2 = 1, то значение отсчета, полученное в результате вычислений, присваивается переменной В, Operation 310 is carried out by program module 310. Each time it is accessed, the module simulates one cycle of operation of block 3 of Fig. 6 of the formation of PIM sequences of length L = 76645. The number of the operation cycle of block simulator 3 (program module 310) corresponds to the value of the variable m. At each cycle, the input module 310, variable A and variable t are supplied. If (m)mod2 = 0, then the value of calculations simulating one cycle of block 3 is assigned to variable C, and if (m)mod2 = 1, then the reference value obtained as a result of calculations is assigned to variable B,
Операция 311 - приведение модулирующей последовательности к формату удобному для записи на блок стенда 103 осуществляется программным модулем 311 . Суть операции: если для переменной т выполняется условие (m)mod2 = 1, то в массив ячеек памяти П-5 в ячейку с номером (т - 1)/2 заносится двухбитный код, первый бит которого принимает значение равное значению переменной С, а второй бит принимает значение равное значению переменной В. Таким образом, в массиве ячеек памяти П-5 формируется двоичная модулирующая дискретная последовательность и в формате удобном для записи в блок 103 стенда. Operation 311 - bringing the modulating sequence to a format convenient for writing to the block of the stand 103 is carried out by the program module 311. The essence of the operation: if the condition (m)mod2 = 1 is satisfied for the variable m, then a two-bit code is entered into the cell array P-5 in the cell with the number (m - 1)/2, the first bit of which takes the value equal to the value of the variable C, and the second bit takes a value equal to the value of the variable B. Thus, in the array of memory cells P-5, a binary modulating discrete sequence is formed and in a format convenient for writing to block 103 of the stand.
Формирование вторичной рефлектограммы. (Операции в цикле 2) Перед началом выполнения формирования вторичной рефлектограммы должна быть передана со стенда и накоплена с сохранением в ячейках памяти П-1 первичная накопленная рефлектограмма дк(р ,где i е [0; N-1]. Formation of a secondary reflectogram. (Operations in cycle 2) Before starting the formation of the secondary reflectogram, the primary accumulated reflectogram d k (p , where i e [0; N-1].
Симуляция работы блока согласованной фильтрации осуществляется в цикле. Переменная - счетчик цикла обозначается i , i е [0; 2N - 1]; N = 40000. Simulation of the operation of the matched filtering unit is carried out in a loop. The loop counter variable is denoted by i , i e [0; 2N - 1]; N = 40000.
Каждый цикл моделирования приурочен к определенному временному интервалу работы стенда в цикле имитации зондирования, так переменной - счетчику цикла i , если i четное, соответствует временной интервал [ iT0 ; iT0 + Тд] т.е. это интервал на котором происходит стробирование сенсора, если оно не отменено сигналом адаптации стробирования (примечание: отсчет времени на стенде ведется от переднего фронта нулевого тактового импульса, формируемого на стендовой установки при имитации цикла зондирования). Each simulation cycle is timed to a certain time interval of the stand operation in the probing simulation cycle, so the variable - cycle counter i , if i is even, corresponds to the time interval [ iT 0 ; iT 0 + Т d ] i.e. this is the interval at which the sensor gating occurs, if it is not canceled by the gating adaptation signal (note: the time on the bench is counted from the leading edge of the zero clock pulse generated on the bench when simulating a probing cycle).
Если i нечетное, то временной интервал [(i - 1)Т0 +
Figure imgf000045_0001
+ 1)Т0 ] это интервал времени, на котором сенсор всегда выключен. If i is odd, then the time interval [(i - 1)T 0 +
Figure imgf000045_0001
+ 1)T 0 ] is the time interval in which the sensor is always off.
Таким образом, номер переменной цикла i приурочен к номеру тактового импульса i ( график А на рис 10) синхронизирующего работу сенсора, работающего в режиме счетчика Гейгера с быстрым стробированием. Thus, the number of the cycle variable i is timed to the number of the clock pulse i (plot A in Fig. 10) synchronizing the operation of the sensor operating in the Geiger counter mode with fast gating.
Для простоты изложения, поскольку интервалы Тд и То примерно равны. Будем считать, что каждому циклу имитационного моделирования, соответствует в реальном времени интервал равный 200 ps. For simplicity of presentation, since the intervals T d and T about are approximately equal. We assume that each simulation cycle corresponds to a real-time interval equal to 200 ps.
Операция 301 (формирование отсчета первичной рефлектограммы).Operation 301 (formation of the primary reflectogram reading).
Операция 301 выполняется модулем 301 , который формирует последовательность двоичного детектирования в форме удобной для обработки (согласованной фильтрации) |im(i) длины 2N, i е [0; 2N - 1]. Operation 301 is performed by module 301 , which generates a binary detection sequence in a process-friendly (matched filtering) form |i m (i) of length 2N, i e [0; 2N - 1].
Формирование последовательности \im , как и вся обработка, происходит в цикле обработки сигнала, где переменная i - счетчик цикла обработки последовательности двоичного детектирования (цикла имитационного моделирования обработки) приурочена к номеру члена последовательности рт. The formation of the sequence \im m , like all processing, occurs in the signal processing cycle, where the variable i - the counter of the processing cycle of the binary detection sequence (processing simulation cycle) is timed to the number of the sequence member p t .
Отсчеты |im(i) которые соответствуют интервалам времени, на которых сенсор был включен, назовем «информационными» они могут быть равны либо нулю, либо единице, а остальные отсчеты всегда равны нулю. При согласованной фильтрации только информационные отсчеты формируют отклик на вторичной рефлектограмме. The counts |i m (i) that correspond to the time intervals at which the sensor was turned on, we will call "informational" they can be equal to either zero or one, and the rest of the counts are always equal to zero. With matched filtering, only information samples form a response on the secondary reflectogram.
Формирование последовательности \im осуществляется следующим образом: если переменная i принимает четное значение, то на выходе модуля формируется отсчет \im (i) = jiK (i/2) путем считывания из ячейки памяти П-1 с номером i/2 отсчета
Figure imgf000046_0001
если переменная i принимает нечетное значение, то на выходе модуля формируется нулевой отсчет, т. е. \im (i) = 0 The formation of the sequence \ im is carried out as follows: if the variable i takes an even value, then the output of the module is formed by the sample \ im (i) = ji K (i/2) by reading from the memory cell P-1 with the number i/2 of the sample
Figure imgf000046_0001
if the variable i takes an odd value, then a zero count is formed at the output of the module, i.e. \im m (i) = 0
На цикле с номером i ( i е [ 0,2N - 1] ) модулем 301 формируется член последовательности |im(i) и подается на выполнение операции 302 выполняемой модулем 302 симуляции согласованной фильтрации ПИМ последовательности длины L. At cycle number i ( i e [ 0.2N - 1] ), the module 301 generates a member of the sequence |i m (i) and submits to the operation 302 performed by the module 302 the simulation of the matched PIM filtering of the sequence of length L.
Операция 302 (формирование отсчета вторичной рефлектограммы).Operation 302 (formation of secondary reflectogram reading).
Операция 302 выполняется модулем 302 (модуль согласованной фильтрации 302). Модуль 302 имитирует работу согласованного фильтра с режекторным фильтром (последовательно соединенные блоки 4 и 5 на фиг. 6). На каждом цикле обработки с номером (переменная i - счетчик цикла изменяется от 0 до 2N-1 ) на вход модуля 302 подается сформированный в модуле 301 отсчет Hm(i) и в том же цикле, начиная с цикла с номером i = L - 1 отсчеты вычисленные в модуле 302 заносятся в ячейки памяти П-2, так что в ячейке памяти с номером к = 0 будет отсчет вычисленный на i = L - 1 цикле, а в ячейке памяти к = 2 будет отсчет вычисленный на i = L + 1 цикле и так далее. Таким образом, в ячейках памяти П-2 будет записан массив Z длины 2N-L рассматриваемый нами, как вторичная рефлектограмма Z(k). Operation 302 is performed by module 302 (consistent filtering module 302). Module 302 simulates the operation of a matched filter with a notch filter (blocks 4 and 5 connected in series in Fig. 6). At each processing cycle with a number (variable i - cycle counter changes from 0 to 2N-1 ), the H m (i) generated in module 301 is fed to the input of module 302 and in the same cycle, starting from cycle number i \u003d L - 1, the counts calculated in module 302 are entered into memory cells P-2, so that in the memory cell with the number k = 0 there will be a count calculated on i = L - 1 cycle, and in the memory cell k = 2 there will be a count calculated on i = L + 1 cycle and so on. Thus, in the memory cells P-2, an array Z of length 2N-L will be written, which we consider as a secondary reflectogram Z (k).
Так, в ячейке памяти с номером 0, будет размещаться отсчет рефлектограммы Z(0) , соответствующий временному интервалу [0; То], в ячейке с номером 1 отсчет Z(l) соответствующий временному интервалу [То; 2Т0] и так далее. So, in the memory cell with number 0, the reflectogram count Z(0) will be placed, corresponding to the time interval [0; T o ], in the cell with number 1, the count Z(l) corresponding to the time interval [T o ; 2Т 0 ] and so on.
Здесь речь идет об интервалах по оси задержки отраженного от разрешаемого объекта оптического сигнала. Here we are talking about intervals along the delay axis of the optical signal reflected from the resolvable object.
Z(i) , i е [0, 2N - L - 1] Z(i) , i e [0, 2N - L - 1]
Полученная, таким образом, последовательность Z может отображаться на экране ПК в виде рефлектограммы при помощи функционального модуля визуализации (модуль не отображен на фигурах). Формирование последовательности адаптации стробирования (Операции в цикле 3) The Z-sequence thus obtained can be displayed on a PC screen as a trace using a visualization functional module (module not shown in the figures). Generating the Gating Adaptation Sequence (Operations in Cycle 3)
Формирование последовательности б для адаптации стробирования (имитационное моделирование) и вычисление функции Y, позволяющей оценить потери сигнала при приеме в режиме адаптивного стробирования для каждого отсчета на вторичной рефлектограмме. Formation of sequence b for gating adaptation (simulation modeling) and calculation of function Y, which makes it possible to estimate signal losses during reception in the adaptive gating mode for each sample on the secondary reflectogram.
Формирование двоичной последовательности 8 используемой в качестве сигнала адаптации стробирования с блока формирования сигнала адаптации стробирования 105 осуществляется в третьем цикле обработки.The formation of a binary sequence 8 used as a gating adaptation signal from the gating adaptation signal generator 105 is carried out in the third processing cycle.
Последовательность 8 формируется в формате, удобном для записи ее блок формирования сигнала адаптации стробирования 105, 8(i) ; i G [0,/V - 1]. Sequence 8 is generated in a writeable format by its gating adaptation signal generator 105, 8(i) ; i G [0,/V - 1].
Дополнительно также в третьем цикле обработки вычисляется и последовательность Y . Суть ее состоит в следующем: член последовательности с индексом к дает сумму числа интервалов стробирования, приём сигнала на которых внес вклад в формирование отсчета Z(fc) вторичной рефлектограммы. Additionally, the sequence Y is also calculated in the third processing cycle. Its essence is as follows: the sequence member with index k gives the sum of the number of gating intervals, the signal reception at which contributed to the formation of the Z(fc) reading of the secondary reflectogram.
Формирование обеих последовательностей 8 и У осуществляется в третьем цикле обработки после выполнения операций второго цикла на основании вторичной рефлектограммы Z записанной в массиве ячеек памяти П-2 The formation of both sequences 8 and Y is carried out in the third processing cycle after performing the operations of the second cycle based on the secondary reflectogram Z recorded in the array of memory cells P-2
При формировании последовательности 8 выполняются следующие операции. (На каждом цикле вычисления к - переменная счетчик цикла изменяется от 0 до 2N-1 ). When forming sequence 8, the following operations are performed. (On each calculation cycle, the k - variable cycle counter changes from 0 to 2N-1 ).
Операция 303 (модуль 303 формирования вторичной рефлектограммы в виде, адаптированном для последующей обработки): Operation 303 (module 303 for generating a secondary trace in a form adapted for subsequent processing):
Если переменная счетчик цикла к < 2N - L , то отсчет, формируемый в результате выполнения операции 303 равен содержимому ячейки памяти с номером к из массива ячеек памяти П-2. If the loop counter variable k < 2N - L , then the count generated as a result of operation 303 is equal to the contents of the memory cell with the number k from the array of memory cells P-2.
Операция 304 (модуль 304 порогового обнаружения): Operation 304 (threshold detection module 304):
На цикле к результат операции 303 сравнивается с уровнем порога обнаружения - если отсчет, полученный в результате операции 3 превышает или равен уровню порогового обнаружения то формируется логический отсчет «1 » и «0» если иначе. On cycle k, the result of operation 303 is compared with the detection threshold level - if the count obtained as a result of operation 3 exceeds or equals the threshold detection level, then a logical count of "1" and "0" is formed if otherwise.
Операция 305 (Модуль 305 формирования последовательности адаптации стробирования) Модуль 305 на каждом цикле выполняет, те же вычисления, что и блок (поз. 3 на фиг. 6) формирования ПИМ последовательности длины L = 76645 на каждом такте его работы. Т. е. такт работы эквивалентен одному циклу вычисления. Step 305 (Gating Adaptation Sequencing Unit 305) Module 305 on each cycle performs the same calculations as the block (item 3 in Fig. 6) for generating a PIM sequence of length L = 76645 on each cycle of its operation. That is, a cycle of work is equivalent to one calculation cycle.
Операция 306. (модуль 306 децимации). Operation 306. (decimation module 306).
Отчет, формируемый на операции 305 на цикле вычисления к записывается в ячейку памяти поз. П -3 с номером к/2 если к четное, и наоборот, если к - нечетное, то записи не производится. The report generated at operation 305 on the calculation cycle is written to the memory cell pos. P -3 with the number k / 2 if k is even, and vice versa, if k is odd, then no recording is made.
Таким образом, в ячейках памяти с номерами от 0 до N- 1 (примечание: N четное число) будет записана последовательность 8 длины N передаваемая (записываемая) на блок формирования сигнала адаптации стробирования 105. Thus, in memory cells with numbers from 0 to N- 1 (note: N is an even number), a sequence 8 of length N will be recorded transmitted (written) to the gating adaptation signal generator 105.
Отбрасывание каждого второго отсчета в формируемой последовательности производится т. к. номера отбрасываемых отсчетов приурочены к номерам тактовых импульсов (нечетных), по которым не происходит формирование сигнала стробирования сенсора, работающего в режиме быстрого стробирования. The rejection of every second sample in the generated sequence is performed because the numbers of the discarded samples are timed to the numbers of clock pulses (odd), according to which the gating signal of the sensor operating in the fast gating mode is not generated.
Операция 307 (модуль 307 формирования последовательности, являющейся аналогом адаптированного сигнала стробирования формирования) Operation 307 (module 307 generation of the sequence, which is analogous to the adapted signal of the gating signal formation)
Операция 307, как и операция 306 выполняется после операции 305Operation 307, like operation 306, is performed after operation 305
Суть операции 307 формирование последовательности (график 15G. См. фиг. 10) являющейся аналогом адаптированного сигнала стробирования (график 15Е. См. фиг. 10). The essence of operation 307 is the formation of a sequence (plot 15G. See Fig. 10) that is analogous to the adapted gating signal (plot 15E. See Fig. 10).
Последовательность формируется следующим образом: если значение переменной к счетчик цикла четное и отсчет, вычисленный модулем 305 (операция 305) равен 0, то результатом операции будет «1 », во всех остальных случаях результатом операции является «0». The sequence is formed as follows: if the value of the variable k loop counter is even and the count calculated by module 305 (operation 305) is 0, then the result of the operation will be “1”, in all other cases the result of the operation is “0”.
Операция 308. (Модуль 308 формирования вспомогательной последовательности отсчетов Y) Operation 308. (Module 308 generation of auxiliary sample sequence Y)
Модуль позволяет оценить потери энергии принимаемых сигналов (ПИМ последовательностей оптических импульсов, связанные с тем, что сенсор принимает оптический сигнал включается только на интервалах стробирования, за счет чего часть оптических импульсов, поступающая на поверхность сенсора не будет принята. The module allows you to estimate the energy loss of the received signals (PIM of optical pulse sequences, due to the fact that the sensor receives an optical signal, it turns on only at the gating intervals, due to which a part of the optical pulses arriving at the sensor surface will not be accepted.
Модуль вычисляет последовательность отсчетов У(/с) позволяющую оценить потери энергии для каждого отсчета Z(fc) вызванные тем, что прием оптического сигнала ведется только на интервалах стробирования сенсора. Так отсчет Г(/с) будет равен числу информационных отсчетов первичной рефлектограммы \im суммирование которых с весовыми коэффициентами отличными от нуля в процессе в отсчете Z(fc) было использовано. Поскольку обработке подвергается первичная накопленная рефлектограмма, то значения Г(/с) увеличиваются в К раз, где К число циклов формирования накопленной рефлектограммы. В примерах К=5 и поэтому фиг 14 и 15 по ординате отложены значения 5Г(/с). The module calculates a sequence of samples U(/s) that allows you to estimate the energy loss for each sample Z(fc) caused by the fact that the reception of the optical signal is conducted only at the sampling intervals of the sensor. So the G(/s) reading will be equal to the number of information readings of the primary reflectogram \im m , the summation of which with non-zero weighting coefficients in the process in the Z(fc) reading was used. Since the primary accumulated reflectogram is processed, the values of G(/s) increase by K times, where K is the number of cycles of formation of the accumulated reflectogram. In the examples K=5 and therefore Figs. 14 and 15, the values of SG(/s) are plotted along the ordinate.
Модуль 308 имитирует работу согласованного фильтра блок 4 фиг. 6. На каждом цикле обработки с номером к ( к счетчик цикла изменяется от 0 до 2N - 1 ) на вход модуля 308 подается сформированный в модуле 307 (график 15G. фиг. 10) отсчет и в том же цикле, начиная с цикла с номером i = L - 1 отсчеты вычисленные в модуле 308 заносятся в массив ячеек памяти П-4, так что в ячейке памяти с номером к = 0 будет отсчет вычисленный на i = L - 1 цикле, а в ячейке памяти к = 2 будет отсчет вычисленный на i = L + 1 цикле и так далее. Таким образом, в массиве ячеек памяти П-4 будет записана последовательность Y длины 2N - L рассматриваемая нами, как вспомогательная последовательность позволяющая оценить потери энергии для каждого отсчета Z(fc) вызванные особенностями приема оптического сигнала сенсором, а именно его стробированием. Для каждого отсчета Z(fc) величина К • К(/с), где К число циклов формирования накопленной рефлектограммы определяет общее число интервалов стробирования, на которых осуществлялся прием оптического сигнала внесших вклад в формирование отсчета Z(fc) Module 308 simulates the operation of the matched filter block 4 of FIG. 6. At each processing cycle with the number k (k the cycle counter changes from 0 to 2N - 1), the input of the module 308 is supplied with the count generated in the module 307 (graph 15G. Fig. 10) and in the same cycle, starting from the cycle with the number i = L - 1 counts calculated in module 308 are entered into the array of memory cells P-4, so that in the memory cell with the number k = 0 there will be a count calculated on i = L - 1 cycle, and in the memory cell k = 2 there will be a count calculated on i = L + 1 cycles and so on. Thus, in the array of memory cells P-4, a sequence Y of length 2N - L will be recorded, which we consider as an auxiliary sequence that allows us to estimate the energy loss for each sample Z(fc) caused by the features of the reception of the optical signal by the sensor, namely its strobing. For each sample Z(fc), the value K • K(/s), where K is the number of cycles of formation of the accumulated reflectogram determines the total number of gating intervals at which the optical signal was received, which contributed to the formation of the sample Z(fc)
Пример 3 Example 3
Практические варианты формирования сигнала адаптации стробирования. Использование дополнительного сенсора. Practical options for generating a gating adaptation signal. Using an additional sensor.
Сигнал адаптации стробирования можно получить и с использованием дополнительного сенсора, расположенного в смежном оптическом тракте причем смежный оптический тракт устроен так, что момент времени поступления фронта волны оптического импульса на поверхность дополнительного оптического сенсора опережает момент времени поступления его на поверхность сенсора, стробирование которого адаптируется. На фиг. 16 представлена возможная схема подобного оптического устройства. Устройство состоит из двух оптических систем: объектива 404, фокусирующего оптическое излучение на поверхности сенсора (или сенсоров) 401 и фрагмента параболического зеркала 403, фокусирующего оптическое излучение на поверхности сенсора (или сенсоров) 402. Оба сенсора располагаются в фокусе параболического сенсора рядом, как показано на фиг.16. The gating adaptation signal can also be obtained using an additional sensor located in an adjacent optical path, and the adjacent optical path is designed so that the moment of arrival of the front of the optical pulse wave on the surface of the additional optical sensor is ahead of the time of its arrival at the surface of the sensor, the gating of which is being adapted. In FIG. 16 shows a possible diagram of such an optical device. The device consists of two optical systems: an objective 404 that focuses optical radiation on the surface of the sensor (or sensors) 401 and a fragment of a parabolic mirror 403 that focuses optical radiation on the surface of the sensor (or sensors) 402. Both sensors are located at the focus of the parabolic sensor side by side, as shown in Fig.16.
Оптический импульс, отраженный от зондируемого объекта, разделяется на два, первый из которых достигает поверхности сенсора 401 раньше, чем достигает поверхности сенсора 402 с отражением от параболического зеркала. Задержка во времени определяется временем прохождением отрезков пути луча А1 +В1 или А2+ В2. Время прохождения этих отрезков одинаково и определяет временную задержку второго оптического импульса, попадающего на поверхность сенсора 402 по отношению к первому, попадающему на поверхность сенсора 401 . The optical pulse reflected from the probed object is divided into two, the first of which reaches the surface of the sensor 401 before it reaches the surface of the sensor 402 with reflection from the parabolic mirror. The time delay is determined by the time of passage of the path segments of the beam A1 + B1 or A2 + B2. The transit time of these segments is the same and determines the time delay of the second optical pulse that hits the surface of the sensor 402 with respect to the first one that hits the surface of the sensor 401 .
Так, если сумма длин отрезков А1 и В1 составит 20 ст, то задержка между временем достижения оптическим импульсом поверхности сенсора 402 и оптическим импульсом поверхности сенсора 401 , составит 0,66 ns, что является приемлемым временем для обработки принятого первого оптического импульса и формирования сигнала на выключение оптического сенсора 402. So, if the sum of the lengths of segments A1 and B1 is 20 st, then the delay between the time the optical pulse reaches the sensor surface 402 and the optical pulse of the sensor surface 401 will be 0.66 ns, which is an acceptable time for processing the received first optical pulse and generating a signal on turning off the optical sensor 402.
Сенсор 401 , принимающий только оптические импульсы повышенной энергии (соответствующие «сильным» или «сильным» и «ординарным» оптическим импульсам) попадающим на поверхность комбинированной оптической системы типа фиг. 16), формирует сигнал на отключение сенсора 402. В результате этого снижается частота срабатываний сенсора 402 при заданной квантовой эффективности сенсора 402, что позволяет вести прием оптических импульсов сенсором 402 при более высокой квантовой эффективности сенсора 402, более предпочтительным для приема «слабых» оптических импульсов. Также, это позволяет одновременно устранить влияние на обнаружение «слабых» пиков откликов на вторичной рефлектограмме, получаемой обработкой сигнала с сенсора 402, боковых лепестков (боковых пиков) откликов от приема «сильных» или «сильных» и «ординарных» оптических импульсов, принимаемых только сенсором 401 и повысить защищенность тракта приема и обработки сигнала сенсора 402 от импульсных помех. Оптический сенсор 401 и оптический сенсор 402 могут содержать несколько оптических сенсоров, на которые подаются соответствующие сигналы стробирования. A sensor 401 that receives only high-energy optical pulses (corresponding to "strong" or "strong" and "ordinary" optical pulses) striking the surface of the combined optical system of the type of FIG. 16), generates a signal to turn off the sensor 402. As a result, the frequency of the sensor 402 responses at a given quantum efficiency of the sensor 402 is reduced, which allows the sensor 402 to receive optical pulses at a higher quantum efficiency of the sensor 402, which is more preferable for receiving “weak” optical pulses. . Also, this allows you to simultaneously eliminate the influence on the detection of "weak" peaks of responses on the secondary reflectogram obtained by processing the signal from the sensor 402, side lobes (side peaks) of responses from the reception of "strong" or "strong" and "ordinary" optical pulses received only sensor 401 and increase the security of the path for receiving and processing the signal of the sensor 402 from impulse noise. Optical sensor 401 and optical sensor 402 may comprise multiple optical sensors to which appropriate gating signals are applied.
Использование пробного (пилотного) зондирующего сигнала. Use of a trial (pilot) probing signal.
Другой вариант адаптивного стробирования основан на использовании информации об интервалах времени поступления на поверхность приемного сенсора «сильных» и «ординарных» оптических импульсов полученной в ходе приема и обработки пробного сигнала. Another variant of adaptive gating is based on the use of information about the time intervals of arrival of "strong" and "ordinary" optical pulses on the surface of the receiving sensor, obtained during the reception and processing of the test signal.
Суть решения состоит в том, что для определения времени прохождения сигнала от передатчика к объекту с «сильной» и/или «ординарной» ЭПР и обратно к приемному сенсору, далее времени прохождения, достаточно использовать зондирующие последовательности с меньшим числом оптических импульсов, т. н. пробные сигналы. The essence of the solution is that in order to determine the signal transit time from the transmitter to an object with a “strong” and/or “ordinary” ESR and back to the receiving sensor, further than the transit time, it is sufficient to use probing sequences with a smaller number of optical pulses, the so-called . test signals.
Пробный сигнал испускается лидаром перед тем, как производится посылка основного оптического сигнала. После получения вторичной рефлектограммы и определения временных задержек зондирующего пробного сигнала формируется сигнал адаптации стробирования. Прием основного зондирующего сигнала производится уже с адаптацией сигнала стробирования. Испускание и прием пробного и основного сигналов могут осуществляться в одном цикле зондирования. The probe signal is emitted by the lidar before the main optical signal is sent. After receiving the secondary reflectogram and determining the time delays of the probing test signal, a gating adaptation signal is formed. The main probing signal is received already with the adaptation of the strobing signal. Emission and reception of test and main signals can be carried out in one probing cycle.
Так, если длительность пробного сигнала равна Тр, и задержка в его обработке в реальном времени Трг, время начала испускания основного сигнала должно быть задержано относительно момента начала испускания пробного сигнала не менее, чем на 2 Тр + трг . So, if the duration of the test signal is equal to T p , and the delay in its processing in real time T pg , the start time of the emission of the main signal must be delayed relative to the start of the emission of the test signal by at least 2 T p + t pg .
Таблица 5. Общие сведения по примерам 4-7.
Figure imgf000051_0001
Пример 4. Table 5. Overview of examples 4-7.
Figure imgf000051_0001
Example 4
Основные параметры работы стенда в примере 4 The main parameters of the stand in example 4
Число циклов зондирования К = 5. The number of probing cycles K = 5.
Информация о разрешаемых задержках, поступающих на поверхность сенсора ПИМПОИ приведена в таблице 4. Information about the allowed delays arriving at the surface of the PIMPOI sensor is given in Table 4.
Всего на поверхность сенсора поступает 8 ПИМПОИ из них 5 сильных в которых относительная энергия (нормированная на энергию одного фотона с длинной волны 1550 пт) поступающая на поверхность сенсора составляет 20 , одна ПИМПОИ ординарная относительная энергия поступающая на поверхность сенсора составляет 5 и две ПИМПОИ слабые относительная энергия поступающая на поверхность сенсора составляет 1 ,2 . In total, 8 PIMPOIs arrive at the sensor surface, of which 5 are strong, in which the relative energy (normalized to the energy of one photon with a wavelength of 1550 pt) arriving at the sensor surface is 20 , one PIMPOI is an ordinary relative energy arriving at the sensor surface is 5 and two PIMPOIs are weak relative the energy delivered to the sensor surface is 1.2 .
ПИМПОИ модулированы последовательностью из примера 2. PIMPOs are modulated with the sequence from example 2.
Число оптических импульсов в каждой ПИМПОИ -1369 The number of optical pulses in each PIMPOI -1369
Эквивалентная мощность шумовой составляющей сигнала, детектируемого сенсором - 1 ,28 nW . The equivalent power of the noise component of the signal detected by the sensor is 1.28 nW.
Уставка для узла регулировки нормированной частоты срабатываний сенсора FSP - 0,3 The setting for the adjustment unit of the normalized frequency of sensor operation F SP - 0.3
На фиг. 14 (пример 4) In FIG. 14 (example 4)
Верхний график Top Graph
На оси X отложено время в тактовых импульсах стенда умноженное на 10-4.The X-axis represents the time in the bench clock multiplied by 10 -4 .
На оси Y отложено значение вспомогательной функции Y помноженное на 5, где 5 — это число циклов накопления в первичной рефлектограмме. The Y-axis shows the value of the auxiliary function Y multiplied by 5, where 5 is the number of accumulation cycles in the primary trace.
Нижний график Bottom graph
На оси X отложено время в тактовых импульсах стенда, умноженное на 10-4.The x-axis represents the time in bench clock multiplied by 10 -4 .
На оси Y значения принимаемые вторичной рефлектограммой Z, полученной после обработки первичной накопленной рефлектограммы. On the Y-axis, the values taken by the secondary Z trace obtained after processing the primary accumulated trace.
16А - пики откликов на вторичной рефлектограмме от последовательностей «сильных» оптических импульсов, 16A - peaks of responses on the secondary reflectogram from sequences of "strong" optical pulses,
16В - пик откликов на вторичной рефлектограмме от последовательности «ординарных» оптических импульсов. 16B - peak responses on the secondary reflectogram from a sequence of "ordinary" optical pulses.
16С - пики откликов на вторичной рефлектограмме от последовательностей «слабых» оптических импульсов. В результате накопления пяти первичных рефлекторам и обработки накопленной рефлектограммы получена вторичная рефлектограмма, фрагмент которой приведен на фиг. 14 (нижний график). 16C - peaks of responses on the secondary reflectogram from sequences of "weak" optical pulses. As a result of accumulation of five primary reflectors and processing of the accumulated reflectogram, a secondary reflectogram was obtained, a fragment of which is shown in Fig. 14 (bottom graph).
На рефлектограмме хорошо видны положительные пики откликов от слабых и ординарной ПИМПОИ с различными задержками и отрицательные пики откликов, полученные в качестве эффекта от адаптивного стробирования, от сильных ПИМПОИ. The reflectogram clearly shows positive peaks of responses from weak and ordinary PIMPOIs with different delays and negative peaks of responses obtained as an effect of adaptive gating from strong PIMPOIs.
Для оценки влияния стробирования на потери энергии сигнала вычисляется вспомогательная последовательность Z(i) которой суть которой - значение числа отсчетов первичной рефлектограммы, вносящих вклад в формирование отсчета вторичной рефлектограммы Z(i). Такие отсчеты в первичной рефлектограмме мы определили, ранее в описании, как информационные. Поскольку при получении вторичной рефлектограммы Z была использована первичная накопленная из 5 рефлектограмм, значения функции Y были умножены на 5. To assess the effect of gating on signal energy loss, an auxiliary sequence Z(i) is calculated, the essence of which is the value of the number of readings of the primary reflectogram that contribute to the formation of the reading of the secondary reflectogram Z(i). We defined such readings in the primary reflectogram, earlier in the description, as informational. Since the primary accumulated of 5 traces was used to obtain the secondary trace Z, the values of the Y function were multiplied by 5.
Из верхнего графика видно, что в формировании каждого отчета вторичной рефлектограммы было использовано от 2900 до 3450 информационных отсчетов из первичных рефлектограмм, что связано со стробированием сенсора. При условии отсутствия стробирования значения 5Y были бы константой равной 1369*5 = 6845. Таким образом, за счет стробирования попадает в интервалы стробирования от 42 до 50% оптических импульсов в ПИМПОИ. It can be seen from the upper graph that in the formation of each report of the secondary reflectogram, from 2900 to 3450 information samples from the primary reflectograms were used, which is associated with the gating of the sensor. In the absence of gating, the values of 5Y would be a constant equal to 1369 * 5 = 6845. Thus, due to gating, 42 to 50% of the optical pulses in the PIMPOI fall into the gating intervals.
Результаты по примеру 4 приведены в таблице 6 The results for example 4 are shown in table 6
Пример 5 Example 5
Пример 5 отличается от примера 4 тем, что в нем было отключено адаптивное стробирование Example 5 differs from Example 4 in that adaptive gating has been disabled.
На фиг. 15 (пример 5) In FIG. 15 (example 5)
Верхний график Top Graph
На оси X отложено время в тактовых импульсах стенда умноженное на 10-4.The X-axis represents the time in the bench clock multiplied by 10 -4 .
На оси Y отложено значение вспомогательной функции Y помноженное на 5, где 5 — это число циклов накопления в первичной рефлектограмме. The Y-axis shows the value of the auxiliary function Y multiplied by 5, where 5 is the number of accumulation cycles in the primary trace.
Нижний график Bottom graph
На оси X отложено время в тактовых импульсах стенда, умноженное на 10-4.The x-axis represents the time in bench clock multiplied by 10 -4 .
На оси Y значения принимаемые вторичной рефлектограммой Z, полученной после обработки первичной накопленной рефлектограммы. 17A - пики откликов на вторичной рефлектограмме от последовательностей «сильных» оптических импульсов On the Y-axis, the values taken by the secondary Z trace obtained after processing the primary accumulated trace. 17A - peaks of responses on the secondary reflectogram from sequences of "strong" optical pulses
17В - пик откликов на вторичной рефлектограмме от последовательности ординарных оптических импульсов. 17B is the peak of responses on the secondary reflectogram from a sequence of ordinary optical pulses.
Как видно из примера при выключении функции адаптации стробирования определить задержки слабых ПИМПОИ не представляется возможным. As can be seen from the example, when the gating adaptation function is turned off, it is not possible to determine the delays of weak PIMPOIs.
Результаты по примеру 5 приведены в таблице 6 The results of example 5 are shown in table 6
Пример 6. Example 6
Пример 6 отличается от примера 4 только тем, что эквивалентная мощность шумовой составляющей сигнала детектируемого сенсором увеличена до 3,2п1 и увеличена относительная энергия импульсов (нормированная на энергию одного фотона с длинной волны 1550nm) в слабых ПИМПОИ до 2. Example 6 differs from example 4 only in that the equivalent power of the noise component of the signal detected by the sensor is increased to 3.2p1 and the relative pulse energy (normalized to the energy of one photon with a wavelength of 1550 nm) in weak PIMPOI is increased to 2.
Результаты по примеру 6 приведены в таблице 6 The results of example 6 are shown in table 6
Пример 7. Example 7
Пример 7 отличается от примера 6 только тем, что отключено адаптивное стробирование и установлено напряжение смещения, обеспечивающее максимальную квантовую эффективность сенсора равную «25%. Example 7 differs from example 6 only in that the adaptive gating is disabled and the bias voltage is set to provide the maximum quantum efficiency of the sensor equal to “25%.
Результаты по примеру 7 приведены в таблице 6 The results of example 7 are shown in table 6
В таблице 6 ниже приведены сводные данные по примерам 4-7. Table 6 below summarizes the data for examples 4-7.
Жирным шрифтом с подчеркиванием выделены ячейки с негативным результатом (нет разрешения на вторичной рефлектограмме) - отклик не выделяется над фоновым уровнем рефлектограмы. Cells with a negative result are highlighted in bold with underlining (no resolution on the secondary trace) - the response does not stand out above the background level of the trace.
Таблица 6. Сводные данные по примерам
Figure imgf000054_0001
Figure imgf000055_0001
Table 6. Summary of examples
Figure imgf000054_0001
Figure imgf000055_0001
* количество имитируемых разрешаемых объектов - количество задержанных относительно времени начала испускания зондирующей оптической последовательности ПИМПОИ с одинаковой энергией в каждом оптическом импульсе. * the number of simulated resolved objects - the number of objects delayed relative to the start time of emission of the probing optical sequence PIMPOI with the same energy in each optical pulse.
** среднее число фотонов в оптическом импульсе - средняя энергия оптического импульса в ПИМПОИ, нормированная на энергию одного кванта оптического излучения с частотой 1550 пт. ** the average number of photons in an optical pulse is the average energy of an optical pulse in PIMPOI, normalized to the energy of one optical radiation quantum with a frequency of 1550 pt.
***(s/N)ln - определяется, как отношение энергии одного оптического импульса ПИМПОИ, попадающего на поверхность сенсора на интервалах стробирования к сумме энергии шумового излучения поступающего на поверхность сенсора на интервалах стробирования и энергии эквивалентного шумового излучения, характеризующей проявление собственного шума сенсора на интервалах стробирования, но без учета эквивалентного шумового излучения вызванного эффектом АРР . ****(s/N)0Ut - по вторичной рефлектограмме определяется, как минимальное отношение амплитуд пиков соответствующих откликов («ординарных» или «слабых») к максимальной амплитуде боковых лепестков рефлектограммы по выборке из 10 однотипных рефлектограмм, на фиг. 14 и 15 приведены одни из этих рефлектограмм. ***(s/N) ln - is defined as the ratio of the energy of a single PIMPOI optical pulse that hits the sensor surface in the gating intervals to the sum of the energy of the noise radiation coming to the sensor surface in the gating intervals and the energy of the equivalent noise radiation, which characterizes the manifestation of the sensor's own noise at gating intervals, but without taking into account the equivalent noise emission caused by the APP effect. ****(s/N) 0Ut - according to the secondary reflectogram is defined as the minimum ratio of the amplitudes of the peaks of the corresponding responses ("ordinary" or "weak") to the maximum amplitude of the side lobes of the reflectogram based on a sample of 10 similar reflectograms, in Fig. Figures 14 and 15 show some of these reflectograms.
Fc - измеренная на интервале приема оптического сигнала нормированная на частоту стробирования средняя частота срабатываний сенсора, установившаяся при регулировании ее по уставке FSP (примеры 3,4,5) или при фиксированной квантовой эффективности сенсора SP (пример 7). - средняя квантовая эффективность сенсора на интервалах стробирования установившаяся в результате регулирования Fc (примеры 3,4,5) по уставке FSP или заданная уставкой SP (пример 7). F c - measured at the interval of reception of the optical signal, normalized to the gating frequency, the average frequency of the sensor operation, which was established by adjusting it according to the setting F SP (examples 3,4,5) or with a fixed quantum efficiency of the sensor SP (example 7). - the average quantum efficiency of the sensor at the gating intervals established as a result of the regulation of F c (examples 3,4,5) according to the setting F SP or set by the setting SP (example 7).
Промышленная применимость. Industrial applicability.
Предлагаемое устройство для приема оптического сигнала позволяет использовать в качестве источников импульсного излучения относительно недорогие, малой мощности, устройства. The proposed device for receiving an optical signal makes it possible to use relatively inexpensive, low power devices as sources of pulsed radiation.
Дополнительные преимущества: Additional benefits:
1 ) помехозащищенность, 1) noise immunity,
2) разрешающая способность по дальности - от 3-5 ст. 2) range resolution - from 3-5 st.
3) возможность разрешения всех объектов в створе луча за один цикл зондирования. 3) the possibility of resolving all objects in the beam alignment in one probing cycle.
4) возможность контроля потерь в соотношении (s/N)0Ut. за счет стробирования и наличия в принимаемом сигнале сильных импульсных помех или «сильных» ПИМПОИ, затрудняющих обработку принимаемого сигнала, путем вычисления вспомогательной функции Y. 4) the ability to control losses in the ratio (s/N) 0Ut . due to gating and the presence in the received signal of strong impulse noise or “strong” PIMPOI, which make it difficult to process the received signal, by calculating the auxiliary function Y.
Дополнительный технический результат состоит в том, что адаптация стробирования увеличивает (s/N)0Ut для пиков откликов на рефлектограмме «слабых» сигналов и регулирование средней частоты срабатываний сенсора позволяет установить оптимальную квантовую эффективностью сенсора при которой достигается максимальное соотношение (s/N)0Ut . An additional technical result is that the gating adaptation increases (s/N) 0Ut for the response peaks on the reflectogram of "weak" signals and the regulation of the average sensor actuation frequency allows you to set the optimal quantum efficiency of the sensor at which the maximum ratio (s/N) 0Ut is achieved.
Дополнительно к поданному описанию при подаче международной заявки приводится пояснение, которое написано далее. Дополнительно приводится фигура 17, составленная по формуле изобретения. In addition to the filed description, when filing an international application, an explanation is provided, which is written below. Additionally, figure 17 is shown, drawn up according to the claims.
На фигуре 17 обозначено In the figure 17 marked
17.1 - Генератор тактового сигнала; 17.1 - Clock signal generator;
17.2 - Оптическое приемное устройство, работающее в нелинейном режиме;17.2 - Optical receiver operating in a non-linear mode;
17.3 - Блок согласованной фильтрации; 17.3 - Block of matched filtering;
17.4 - Модуль порогового обнаружения сигнала; 17.4 - Threshold signal detection module;
17.5 - Сигнал стробирования / тактовый сигнал; 17.5 - Strobe signal / clock signal;
17.6 - Сигнал адаптации стробирования; 17.6 - Gating adaptation signal;
17.7 - Фотон, который попадает на устройство; 17.7 - Photon that hits the device;
17.8 - Сенсор. 17.8 - Sensor.
В описании указано, что приведена функциональная схема стенда. The description indicates that a functional diagram of the stand is given.
«108-2-4 - Ключ на два положения, переключающий вход блока 108-2-5 либо к выходу задатчика SP3 (первое положение ключа - «заданная квантовая эффективность сенсора»), либо к выходу сумматора 108-2-3 (второе положение ключа - «регулирование (подстройка) квантовой эффективности сенсора» блока 108-3). Положение ключа управляется с ПК.
Figure imgf000057_0001
To же самое более подробно.
Figure imgf000058_0001
“108-2-4 - A two-position switch that switches the input of block 108-2-5 either to the output of the master SP3 (the first position of the key is “given quantum efficiency of the sensor”), or to the output of the adder 108-2-3 (the second position key - "regulation (adjustment) of the quantum efficiency of the sensor" block 108-3). Key position is controlled by PC.
Figure imgf000057_0001
The same in more detail.
Figure imgf000058_0001
«106-2 - Ключ на два положения, переключающий вход 106-4 элемента 06-1 либо к выходу задатчика логического нуля «0» (первое положение ключа - «нет адаптации стробирования»), либо к выходу 105-3 блока формирования сигнала адаптации стробирования 105 (второе положение ключа - «адаптация стробирования»). Ключ управляется с ПК. “106-2 - A two-position key that switches the input 106-4 of element 06-1 either to the output of the logical zero generator “0” (the first position of the key is “no Gating Adaptation"), or to the output 105-3 of the Gating Adaptation Signal Conditioner 105 (the second key position is "Gating Adaptation"). The key is controlled from a PC.
Положения ключа 106-2
Figure imgf000059_0001
Key positions 106-2
Figure imgf000059_0001
Описание работы устройства по патенту приведено в примере 4. A description of the operation of the device according to the patent is given in example 4.
«Вход 106-4 элемента 106-1 подсоединен к выходу 105-3 блока формирования сигнала адаптации стробирования 105», а «вход блока 108-2-5 подсоединен к выходу сумматора 108-2-3». Это коммутация и была изложена в приводимой формуле изобретения. Что бы не рисовать четыре схемы соединения блоков в примерах 4, 5, 6, 7 была использована одна функциональная схема с двумя ключами, которые функционально осуществляют нужные соединения блоков функциональной схемы для демонстрации примеров 4, 5, 6, 7. "The input 106-4 of the element 106-1 is connected to the output 105-3 of the gating adaptation signal generator 105", and "the input of the block 108-2-5 is connected to the output of the adder 108-2-3". This commutation has been set forth in the following claims. In order not to draw four block connection diagrams in examples 4, 5, 6, 7, one functional diagram was used with two keys that functionally carry out the necessary block connections of the functional diagram to demonstrate examples 4, 5, 6, 7.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1 . Устройство для приема оптического сигнала, отраженного от зондируемого объекта, включающее в себя генератор тактового сигнала 17.1 , соединенный с оптическим приемным устройством 17.2, работающим в нелинейном режиме, блоком согласованной фильтрации 17.3, модулем порогового обнаружения сигнала 17.4, отличающееся тем, что устройство включает в себя узел регулировки квантовой эффективности по частоте срабатываний сенсора 108- 2 и блок формирования сигнала адаптации стробирования 105. 1 . A device for receiving an optical signal reflected from a probed object, including a clock signal generator 17.1 connected to an optical receiver 17.2 operating in a nonlinear mode, a matched filtering unit 17.3, a threshold signal detection module 17.4, characterized in that the device includes a node for adjusting the quantum efficiency by the frequency of the sensor operation 108-2 and a block for generating a gating adaptation signal 105.
2. Способ приема оптического сигнала, при котором генерируют тактовый сигнал, принимают отраженный от разрешаемого объекта сигнал оптическим приемным устройством 17.2, работающим в нелинейном режиме, имеющий блок согласованной фильтрации 17.3 и модуль порогового обнаружения сигнала 17.4, отличающийся тем, что адаптируют стробирующий сигнал, регулируют квантовую эффективность по частоте срабатываний сенсора. 2. A method for receiving an optical signal, in which a clock signal is generated, a signal reflected from a resolvable object is received by an optical receiver 17.2 operating in a nonlinear mode, having a matched filtering unit 17.3 and a threshold signal detection module 17.4, characterized in that the strobe signal is adapted, regulated quantum efficiency in terms of the frequency of sensor triggering.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что осуществляют формирование сигнала адаптации стробирования в процессе зондирования по результатам согласованной фильтрации фрагмента зондирующей ПИМ-последовательности или отдельного зондирующего пилот -сигнала, позволяющего оценить временные задержки оптических импульсов сигналов, отраженных от элементов зондируемого объекта, попадание которых на поверхность сенсора приводит к его срабатыванию с вероятностью близкой к единице. 3. The method according to claim 2, characterized in that the gating adaptation signal is generated in the probing process based on the results of matched filtering of a fragment of the probing PIM sequence or a separate probing pilot signal, which makes it possible to estimate the time delays of the optical pulses of the signals reflected from the elements of the probed object, which hit the surface of the sensor leads to its operation with a probability close to one.
58 58
PCT/RU2022/050368 2021-12-16 2022-11-18 Device and method for receiving an optical signal reflected from a probed object WO2023113646A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021137360A RU2778546C1 (en) 2021-12-16 Device and method for receiving optical signal reflected from sounding object
RU2021137360 2021-12-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023113646A1 true WO2023113646A1 (en) 2023-06-22

Family

ID=86773257

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/050368 WO2023113646A1 (en) 2021-12-16 2022-11-18 Device and method for receiving an optical signal reflected from a probed object

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023113646A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2540762C2 (en) * 2010-01-29 2015-02-10 Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк. Control system for surface-controlled bottom-hole safety valve
EA023432B1 (en) * 2009-07-02 2016-06-30 Бейкер Хьюз Инкорпорейтед Remotely controllable variable flow control configuration and method
EA023890B1 (en) * 2008-11-03 2016-07-29 Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани Well flow control system
RU2615552C1 (en) * 2013-10-31 2017-04-05 Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк. Hydraulic control of deployment of well tool
US20180245428A1 (en) * 2015-10-02 2018-08-30 Halliiburton Energy Services, Inc. Remotely operated and multi-functional down-hole control tools
US10508511B2 (en) * 2015-04-17 2019-12-17 Halliburton Energy Services, Inc. Rotary actuator for actuating mechanically operated inflow control devices

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA023890B1 (en) * 2008-11-03 2016-07-29 Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани Well flow control system
EA023432B1 (en) * 2009-07-02 2016-06-30 Бейкер Хьюз Инкорпорейтед Remotely controllable variable flow control configuration and method
RU2540762C2 (en) * 2010-01-29 2015-02-10 Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк. Control system for surface-controlled bottom-hole safety valve
RU2615552C1 (en) * 2013-10-31 2017-04-05 Халлибертон Энерджи Сервисез, Инк. Hydraulic control of deployment of well tool
US10508511B2 (en) * 2015-04-17 2019-12-17 Halliburton Energy Services, Inc. Rotary actuator for actuating mechanically operated inflow control devices
US20180245428A1 (en) * 2015-10-02 2018-08-30 Halliiburton Energy Services, Inc. Remotely operated and multi-functional down-hole control tools

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI765977B (en) Optical measurement system, method of using the same and light ranging system
Rapp et al. Dead time compensation for high-flux ranging
US12078720B2 (en) Systems, methods, and media for single photon depth imaging with improved precision in ambient light
EP1502224B1 (en) Constructing a waveform from multiple threshold samples
CN108732553A (en) A kind of laser radar waveform moment discrimination method and online range-measurement system
CN109343069A (en) The photon counting laser radar and its distance measuring method of assembled pulse ranging can be achieved
CN111751835B (en) Full-waveform satellite laser ranging system and method
CN110940992B (en) Signal detection method and system capable of improving detection distance and precision of laser radar
TW524983B (en) Optical detection and analysis
CN108072878A (en) A kind of time domain super-resolution compressed sensing Full wave shape laser radar range method and device
CN107807364A (en) Three-dimensional imaging photon counting system and dynamic bias control method thereof
CN109521666B (en) Time-to-digital converter based on delay locked loop
US20140118717A1 (en) Optoelectric Control Apparatus for Satellite Laser Ranging System
CN112346076A (en) Control method of electronic device, and computer-readable storage medium
CN108061885B (en) Implementation method of multi-channel laser fuse target feature identification signal processing circuit
RU2778546C1 (en) Device and method for receiving optical signal reflected from sounding object
WO2023113646A1 (en) Device and method for receiving an optical signal reflected from a probed object
CN117538884A (en) Laser ranging method and system based on error compensation
Li et al. Waveform centroid discrimination of return pulse weighting method in LIDAR system
US20230273304A1 (en) Efficient Fault Detection For Lidar Sensors
Norman et al. Satellite laser ranging using pseudonoise code modulated laser diodes
CN116859372A (en) APD focal plane device timing precision test system for active three-dimensional imaging
RU2183841C1 (en) Method of laser location and laser location device for its implementation
RU2653558C9 (en) Optical device for determining distance to object
US20220334234A1 (en) Method for generating light pulses of a lidar system

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22912805

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE