Способ порогового приема оптических сигналов

Использование: изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и любой области, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/шум. Сущность: способ порогового приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий прием, усиление и пороговую обработку сигналов, а также формирование выходных импульсов при превышении сигналом заданного порога срабатывания, предварительную установку коэффициента лавинного умножения М фотодиода производят в наиболее критичных условиях температуры t°кр и мощности фоновой засветки Рфкр, при этом на выходе фотодиода определяют среднеквадратическое значение выходного шума σ1 в безлавинном режиме, а затем увеличивают коэффициент лавинного умножения до величины М = Мкр, при котором среднеквадратическое значение выходного шума увеличивается до величины σM = (1,7…1,8) σ1, запоминают значение Мкр, после чего в реальных условиях эксплуатации устанавливают коэффициент лавинного умножения , где - заранее заданный параметр, зависящий от окружающей температуры и яркости фона, и устанавливают порог срабатывания на уровне, при котором частота f ложных срабатываний от шумовых выбросов удовлетворяет условию f1 < f < f2, где f1 и f2 - соответственно нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а после стабилизации частоты f в указанных пределах включают рабочий режим приема оптических сигналов. Технический результат: обеспечение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных приложениях.

Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [2].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих при пороговой обработке смеси сигнала и шума [3].

Недостатком этого способа является зависимость лавинного режима от выставленного порога срабатывания. Это приводит к неправильному выбору рабочей точки фотодиода и ухудшению пороговой чувствительности [4]. Кроме того, в широком диапазоне условий эксплуатации коэффициент лавинного умножения может оказаться слишком высоким, что приводит к снижению помехоустойчивости и стойкости к перегрузкам.

Задачей изобретения является обеспечение наилучшей пороговой чувствительности во всех условиях эксплуатации.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе порогового приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем прием, усиление и формирование выходных импульсов при превышении сигналом заданного порога срабатывания, предварительную установку коэффициента лавинного умножения М фотодиода производят в наиболее критичных условиях температуры t°кр и мощности фоновой засветки Рфкр, при этом на выходе фотодиода определяют среднеквадратическое значение выходного шума σ1 в безлавинном режиме, а затем увеличивают коэффициент лавинного умножения до величины М = Мкр, при котором среднеквадратическое значение выходного шума увеличивается до величины σM = (1,7…1,8) σ1, запоминают значение Мкр, после чего в реальных условиях эксплуатации устанавливают коэффициент лавинного умножения , где - заранее заданный параметр, зависящий от окружающей температуры и яркости фона, и устанавливают порог срабатывания на уровне, при котором частота f ложных срабатываний от шумовых выбросов удовлетворяет условию f1 < f < f2, где f1 и f2 - соответственно нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а после стабилизации частоты f в указанных пределах включают рабочий режим приема оптических сигналов.

Параметр может быть постоянным во всем диапазоне условий эксплуатации.

Параметр может изменяться в зависимости от условий эксплуатации в виде где I02=4kTΔf/R - квадрат неумножаемого шумового тока; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная окружающая температура; Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства; R - сопротивление нагрузки фотодиода; IM2=2eI1Δf - квадрат умножаемого шумового тока; е - заряд электрона; I1 = Iт + Iф - первичный обратный ток фотодиода, включающий темновой ток Iт и фототок фона Iф; α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.

На фиг. 1 представлены примеры зависимостей M(t°). На фиг. 2 показаны графики относительных зависимостей отношения сигнал/шум η для германиевого Ge (фиг. 2а) и кремниевого Si (фиг. 2б) лавинных фотодиодов при критической температуре 50°С, а также при отсутствии фона iф=0 и уровне фототока фона Iф=Iт.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе настройки систему помещают в наиболее критичные условия, например, при максимальной температуре t°макс и при воздействии максимального фонового излучения Рф. Напряжение смещения фотодиода уменьшают до минимума, при котором коэффициент лавинного умножения М = 1. Непосредственно на выходе фотодиода или после линейного усиления измеряют среднеквадратическое значение шума σ1. После этого увеличивают напряжение смещения фотодиода, соответственно увеличивая коэффициент лавинного умножения до тех пор, пока среднеквадратическое значение шума в той же точке не увеличится до уровня σМ = 1,73 сл. Достигнутый уровень напряжения смещения, соответствующий этому значению коэффициента лавинного умножения Мкр, сохраняют в настройках системы.

В рабочем режиме при работе в реальных условиях окружающей температуры и яркости фона воспроизводят величину Мкр с поправкой В условиях применения, где требуется постоянство характеристик приемной системы, устанавливают (фиг. 1 - режим постоянной чувствительности). Такой режим бывает необходим в системах передачи данных с высокими требованиями к точности привязки сигналов по времени. В этом случае требуется соблюдать постоянство усиления при обработке сигналов.

При обнаружении слабых оптических сигналов, когда требуется максимальная чувствительность во всех эксплуатационных условиях, поддерживают оптимальный коэффициент лавинного умножения (фиг. 1 - режим наилучшей чувствительности).

После установки лавинного режима устанавливают пороговый уровень так, чтобы частота шумовых превышений этого уровня находилась в заданных пределах. По истечении подготовительного периода приступают к приему сигналов в рабочем режиме.

Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока

I02 - квадрат неумножаемого шумового тока

е - заряд электрона;

I1 = IT + Iф - первичный обратный ток фотодиода;

IT - темновой ток;

Iф - фототок фона;

Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;

М - коэффициент лавинного умножения;

Мα - шум-фактор лавинного умножения;

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [4].

Квадрат W отношения шум/сигнал, приведенного к величине М,

JM2=2eI1Δf.

Условие нуля производной

Или

Формула (6) означает, что во всех условиях эксплуатации, влияющих на параметры I02 и JM2 существует соответствующее им значение Мопт, реализуемое данным способом.

Пример 1 (Фиг. 2а).

Германиевый фотодиод. I1=10-7 A. JM2=3,2⋅10-19 А2. α = 1. Оптимальный коэффициент лавинного умножения М = Мопт = 3. Отношение сигнал/шум ц отличается от максимального не более чем на 2% при поддержании коэффициента лавинного умножения в пределах 2,5<М<3,5,

Пример 2 (Фиг. 2б).

Кремниевый фотодиод. I1=10-9 A. JM2=3,2⋅10-21 А2. α = 0,5. Рабочую точку фотодиода поддерживают при М = 25…40. При этом максимальное отношение сигнал/шум, отличается от максимального значения, обеспечиваемого при М = Мопт = 30, не более чем на 2%. На фиг. 2б) пунктиром показана зависимость η(М) при IT = Iф. Видно, что при этом Мопт снижается до уровня Мопт = 20.

Необходимая точность поддержания коэффициента лавинного умножения в окрестности Мопт определяется допустимым ухудшением отношения шум/сигнал следующим из расчетов по формулам (3), (6), относительные результаты которых приведены в таблицах 1-3 для разных значений α и I02.

Из приведенных данных видно, что при постоянном коэффициенте α ухудшение отношения сигнал/шум η = М/σ зависит только от неточности выставления Мопт. и не зависит от соотношения умножаемой и неумножаемой компонент шума. Это упрощает как заводскую регулировку системы, так и осуществление способа в широком диапазоне условий эксплуатации. Из фиг. 2 видно также, что правая часть зависимости W(M) имеет более пологий характер, что позволяет вдвое увеличить допуск на положительное отклонение М при тех же требованиях к стабильности W.

Применение формул (1) и (6) с учетом результатов таблиц 1-3 позволяет установить значения λ = σM1, необходимые для установки оптимального коэффициента лавинного умножения. Эти результаты приведены в таблице 4.

Подстановка в выражение (7) оптимального значения Мопт (6) с учетом неравенства I02 >> JM2 дает значение

которое выполняется во всех реальных условиях (см. табл. 4).

Принципиальное постоянство λ, независимо от типа фотодиода и соотношения неумножаемой и умножаемой составляющих шума обеспечивает методическую состоятельность способа и надежность его реализации.

Таким образом, способ обеспечивает решение поставленной задачи - достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации.

Источники информации

1. Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М., 1969 г. - 520 с.

2. Патент РФ №2 248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.

3. US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.

4. Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9. - С. 59.

5. Вильнер В. Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.

1. Способ порогового приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий прием, усиление и пороговую обработку сигналов, а также формирование выходных импульсов при превышении сигналом заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что предварительную установку коэффициента лавинного умножения М фотодиода производят в наиболее критичных условиях температуры t°кр и мощности фоновой засветки Рфкр, при этом на выходе фотодиода определяют среднеквадратическое значение выходного шума σ1 в безлавинном режиме, а затем увеличивают коэффициент лавинного умножения до величины М=Мкр, при котором среднеквадратическое значение выходного шума увеличивается до величины σМ = (1,7…1,8) σ1, запоминают значение Мкр, после чего в реальных условиях эксплуатации устанавливают коэффициент лавинного умножения , где - заранее заданный параметр, зависящий от окружающей температуры и яркости фона, и устанавливают порог срабатывания на уровне, при котором частота f ложных срабатываний от шумовых выбросов, удовлетворяет условию f1 < f < f2, где f1 и f2 - соответственно нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а после стабилизации частоты f в указанных пределах включают рабочий режим приема оптических сигналов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параметр во всем диапазоне условий эксплуатации.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параметр изменяется в зависимости от условий эксплуатации по закону где I02=4kTΔf/R - квадрат неумножаемого шумового тока; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная окружающая температура; Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства; R - сопротивление нагрузки фотодиода; IM2=2eI1Δf, квадрат умножаемого шумового тока; е - заряд электрона; I1=Iт+Iф - первичный обратный ток фотодиода, включающий темновой ток Iт и фототок фона Iф; α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения. Способ сканирования подстилающей поверхности по курсу заключается в регистрации измерительной информации с установленных на воздушном судне бесплатформенной инерциальной навигационной системы, оптико-электронной системы, радиовысотомера.

Настоящее изобретение относится к средствам обнаружения и противодействия беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) гражданского типа в контролируемой зоне. Технический результат заключается в обеспечении защиты воздушного пространства защищаемого объекта.

Настоящая технология относится к лидарным (LiDAR) системам оптического обнаружения и дальнометрии, а более конкретно к лидарным системам для обнаружения объектов в интересующей области. Раскрытые системы и способы относятся к лидарной системе, содержащей источник излучения для испускания выходного луча, микроэлектромеханический (MEM) компонент для приема выходного луча и для отражения выходного луча в сторону интересующей области, причем MEM-компонент колеблется с первой амплитудой колебаний, чтобы распространять выходной луч посредством вертикального интервала вдоль вертикальной оси в интересующей области, детектор для обнаружения входного луча из интересующей области, процессор, выполненный с возможностью определять из входного луча, принимаемого посредством детектора, имеется ли объект в интересующей области, и в ответ на определение, что имеется объект в интересующей области, вызывать модулирование первой амплитуды колебаний MEM-компонента до первой модулированной амплитуды колебаний для уменьшения вертикального интервала выходного луча вокруг объекта.

Использование: изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в любой области, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/шум. Сущность: способ приема сигналов, включающий прием, усиление и формирование стандартных импульсов при превышении усиленным сигналом заданного порога срабатывания, в процессе подготовки к приему сигналов определяют среднеквадратическое значение шума, для чего устанавливают первый начальный порог срабатывания U1, а затем второй начальный порог U2, определяют абсолютную разность квадратов начальных порогов частоты f1 и f2 превышения этих порогов шумовыми выбросами и абсолютную разность этих частот после чего определяют оценку среднеквадратического значения шума σ* по формуле причем частоты f1 и f2 определяют путем накопления количества N1 и N2 соответствующих превышений порогов выбросами шума и определения частот f1 и f2 по формулам f1=N1/T1, f2=N2/T2, где T1 и Т2 - периоды накопления превышений N1 и N2.

Изобретение относится к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов и может быть использовано в областях, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/шум. Способ приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода включает пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют значения умножаемого и неумножаемого шумовых токов фотодиода и шум-фактор лавинного умножения, после чего коэффициент лавинного умножения Μ фотодиода устанавливают так, чтобы его величина с учетом допуска на регулировку была близка к оптимальному значению где Ι02 и Jм2 - соответственно квадраты составляющих неумножаемого и умножаемого шумовых токов фотодиода в безлавинном режиме, приведенные к его выходу; α - коэффициент шум-фактора, определяемый структурой фотодиода, при этом порог срабатывания порогового устройства регулируют так, чтобы частота f превышений порогового уровня выбросами шумового процесса находилась в пределах f1<f<f2, где f1 и f2 - нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а величину f=Ν/Τ определяют путем подсчета количества N выходных импульсов за предварительно заданное время Т.

Группа изобретений относится к средствам защиты пространства от беспилотных транспортных средств (БТС) гражданского типа. Техническим результатом является обеспечение защиты определенной зоны пространства от БТС, в частности от БПЛА, в пределах населенного пункта.

Летательный аппарат с оптической связью содержит корпус, на котором установлены двигательная установка, энергетическая установка и узел навигации, бортовой компьютер, приемопередатчик 5G радиоканала, приемопередатчик оптической связи, оптический сканер окружающего пространства. Обеспечивается возможность оптической связи летательного аппарата со спутникомретранслятором и возможность его связи по радиоканалу с наземным пунктом.

Изобретение относится к дистанционным способам обнаружения и оценки скорости, высоты, местоположения и типа объектов в выделенной зоне подстилающей поверхности. Производится цикличное поочередное вертикальное радиолокационное зондирование отдельных фрагментов подстилающей поверхности, совокупность которых образует выделенную зону.

Изобретение относится к области оптической локации. Система импульсной лазерной локации содержит импульсный лазер, выходную оптическую систему передающего канала, фотоприемное устройство регистрации момента лазерного импульса, однокоординатное сканирующее устройство, оптический объектив фотоприемного устройства, вычислительное устройство, массив фотоприемных устройств, включающий К фотоприемников, а также волоконно-оптический жгут, содержащий К волокон.

Изобретение относится к области средств для предотвращения столкновений транспортных средств. Техническим результатом является обеспечение увеличения расстояния обнаружения до поверхности объекта, освещаемого электромагнитным излучением ближнего ИК-диапазона.

Изобретение относится к лидарам с управлением лазерным излучением без подвижных частей с возможностью управления интенсивностью, частотой, фазовыми характеристиками и направлением светового излучения и может найти применение в ряде специальных областей: оптической локации, робототехнических комплексах, автомобильной промышленности, самолетостроении, беспилотной авиации, системах предупреждения столкновения с препятствиями, картографии и навигации, космической геодезии, системах машинного зрения, строительстве, горном деле, системах подводного зрения, при исследовании атмосферы, разминировании и при спасении людей на море и на суше. Сущность: компактный лидар дополнительно содержит электрооптический преобразователь, содержащий кубический светоделитель и модулятор, причем кубический светоделитель первой гранью перпендикулярен к первой оптической оси, а второй гранью, параллельной первой грани, обращен к модулятору, причем лазерный излучатель, кубический светоделитель и модулятор расположены на первой оптической оси, причем светоделительная линия кубического светоделителя расположена под 45 градусов к первой оптической оси, причем лазерный излучатель, электрооптический преобразователь расположены на первой оптической оси, при этом выходная оптическая система и кубический светоделитель находятся на второй оптической оси, перпендикулярной к первой оптической оси, причем вторая оптическая ось проходит через центр третьей грани кубического светоделителя, обращенной к выходной оптической системе, причем драйвер электрически связан с лазерным излучателем, блок управления электрически связан с электрооптическим преобразователем, цифровым вычислителем и блоком синхронизации, причем лазерный излучатель содержит импульсный лазерный источник и коллиматор, расположенные на первой оптической оси, перпендикулярной первой грани кубического светоделителя, причем модулятор содержит прозрачную диэлектрическую подложку, одна из сторон которой перпендикулярна первой оптической оси, а другая ее сторона последовательно оптически контактирует с прозрачным электропроводящим слоем, с гелеобразным слоем, с зазором и с трехслойной структурой, причем поверхность системы электродов, обращенная к зазору, покрыта диэлектрическим зеркалом, причем система электродов электрически контактирует с блоком управления, при этом система электродов содержит проводящую матричную сетку из диэлектрических ячеек. Выходная оптическая система содержит адаптивную оптику, оптически направленную на объект наблюдения, при этом приемный оптико-электронный тракт оптически направлен на объект наблюдения и содержит объектив, полосовой оптический фильтр, фотоприемный элемент, согласующий электронный тракт, регистрирующую электронную схему, причем объектив, полосовой оптический фильтр и фотоприемный элемент расположены на одной оптической оси, а фотоприемный элемент электрически соединен с согласующим электронным трактом, при этом согласующий электронный тракт, электрически соединен с регистрирующей электронной схемой, при этом регистрирующая электронная схема электрически соединена с цифровым вычислителем, при этом цифровой вычислитель электрически соединен с драйвером и блоком синхронизации. Технический результат: расширение сферы применения, уменьшение габаритов лидара. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.
Наверх