Результат интеллектуальной деятельности: Способ порогового обнаружения оптических сигналов

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 системах.

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 порогового обнаружения 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].

Задачей изобретения является обеспечение оптимальной чувствительности во всех условиях эксплуатации при гарантированной вероятности ложных срабатываний и максимальном быстродействии.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога и частоту f_paб шумовых срабатываний в рабочем режиме, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства f<<f₀, после этого увеличивают порог в где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=М^α, этот порог фиксируют и устанавливают такой коэффициент лавинного умножения М=М_опт, при котором частота f_M шумовых превышений порога U_M становится равной частоте f в безлавинном режиме М=1 при пороге U, по достижении частоты f_M фиксируют достигнутый коэффициент лавинного умножения М=М_опт, увеличивают порог до рабочего уровня и приступают к приему оптических сигналов.

Частота f может выбираться из диапазона, нижняя граница которого определяется условием то есть f>>1/Т, где Т - интервал усреднения датчиков, а верхняя граница - условием f<<f₀.

Увеличение порога в раз и раз можно осуществить введением в усилительный тракт перед пороговой обработкой соответствующих коэффициентов ослабления.

На фиг. 1 представлена структурная схема аппаратуры, реализующей способ. Фиг. 2 представляет циклограмму способа. На фиг. 3 показана типичная зависимость квадрата отношения сигнал/шум от коэффициента лавинного умножения.

Возможный вариант приемника по предлагаемому способу (фиг. 1) содержит лавинный фотодиод 1, выход которого через согласующий усилитель 2 и управляемые аттенюаторы 3 и 4 подключен ко входу порогового формирователя импульсов 5. Выход последнего связан со входами датчиков частоты 6 и 7. Датчик 6 подключен к управляющему входу порогового формирователя 5, а датчик 7 - к источнику смещения фотодиода 8. Датчики 6 и 7 и аттенюаторы 3 и 4 подключены к блоку управления 9. На выходе порогового формирователя установлен ключ 10, связанный с блоком управления.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно (на этапе проектирования) устанавливают: частоту f₀, определяемую полосой пропускания приемного тракта 1-4 до входа порогового формирователя; частоту f, удовлетворяющую оговоренным выше ограничениям и особенностям примененных аппаратных средств; частоту f_paб - по предъявляемым техническим требованиям; параметр а, определяемый конструкцией фотодиода; интервал усреднения Т датчика частоты.

Перед приемом сигналов включают подготовительный режим, в течение которого устанавливают оптимальные параметры приемного тракта - коэффициент лавинного умножения фотодиода и порог срабатывания порогового устройства. С этой целью на первом этапе с помощью блока управления 9 открывают аттенюаторы 3 и 4 и устанавливают на источнике смещения 8 низкий уровень напряжения смещения, соответствующий коэффициенту лавинного умножения М=1. Одновременно устанавливают порог срабатывания U формирователя 5 так, чтобы частота f шумовых превышений порога была значительно ниже предельной частоты f₀. Это необходимо для обеспечения широкого диапазона регулировки параметров приемника. Вместе с тем, частота шумовых срабатываний должна быть достаточно высокой, чтобы оценка частоты за период усреднения Т была достоверной. Этому требованию отвечает условие означающее малое влияние среднеквадратического разброса оценки на ее среднее значение fT [7]. Например, при f_o=10⁷ Гц и времени усреднения Т=0,1с этим условиям отвечает частота f в диапазоне от 10² до 10⁶ Гц.

По достижении установившегося значения порога U с помощью блока управления включают аттенюатор 3, вносящий ослабление тем самым, поднимающий эквивалентный порог до уровня Одновременно с помощью блока управления включают датчик частоты 7, управляющий коэффициентом лавинного умножения фотодиода путем подачи на него напряжения смещения, при котором частота шумовых срабатываний в лавинном режиме f_M снова станет равна частоте f, установленной в безлавинном режиме.

После выхода на режим f_M=f, напряжение смещения фотодиода с помощью блока управления фиксируют на достигнутом уровне и командой с блока управления включают аттенюатор 4, вносящий ослабление Одновременно открывают ключ 10, пропускающий выходные импульсы формирователя 5 на выход. Таким образом осуществляется переход в рабочий режим приема оптических сигналов. При этом частота шумовых срабатываний на выходе не превышает заданного допустимого значения f_paб, а коэффициент лавинного умножения фотодиода М=М_опт обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум.

На фиг 2 представлена циклограмма способа.

T₁ - длительность первого подготовительного режима - установка порога U.

Т₂ - длительность переходного процесса из первого во второй подготовительный режим, установка порога U_M.

Т₃ - длительность второго подготовительного режима - установка оптимальной лавины.

Т₄ - длительность переходного процесса из второго подготовительного режима в рабочий режим - установка порога U_paб.

Т₅ - длительность рабочего режима.

Известно [5-7], что в безлавинном режиме (М=1) квадрат среднеквадратического значения шума σ на выходе фотодиода

где σ₀ и σ₁ - соответственно среднеквадратические значения неумножаемой (σ₀) и умножаемой (σ₁) составляющих шума.

Частота f пересечений порога U шумовыми выбросами в безлавинном режиме [7]

где - частота пересечения шумом нулевого порога; R"(0) - вторая производная корреляционной функции шума на входе порогового устройства R(τ) при задержке τ=0. Зная частоты f и f₀ из (2) можно определить отношение порог/шум

В лавинном режиме [4]

где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=М^α, определяемый материалом и структурой фотодиода [4-6]. Квадрат отношения сигнал/шум

Обратная η² величина (квадрат отношения шум/сигнал)

Производная этой величины

Минимум отношения шум/сигнал обеспечивается при dW/dM=0.

Условие (8) выполняется при

Частота шумовых превышений порога в лавинном режиме

Подстановка (9) в (10 дает выражение частоты шумовых превышений порога при М=М_опт. С учетом всегда имеющего место условия σ₀² >> σ₁²

Из (2) и (11) получается отношение частот f(M=M_опт) и f(M=1).

Подстановка (3) в (12) дает

Как следует из (12) и (13), при постоянных значениях коэффициента а, зависящего от конструкции фотодиода, и U/σ, задаваемом частотой f, отношение f(M_опт)/f полностью определяется этими параметрами и также является постоянным параметром способа.

В свою очередь, частота f(M_orrr). соответствует оптимальной величине коэффициента лавинного умножения, обеспечивающего максимальное отношение сигнал/шум. Это методическое постоянство упрощает процедуру настройки как в процессе отладки приемника, так и в его рабочем режиме при подготовке к приему сигналов.

Из этого следует также, что частота f может быть любой в самом широком диапазоне при выполнении условий

Основное расчетное соотношение предлагаемого способа вытекает из (2) и (11).

Из равенства этих частот при следует

откуда отношение порогов во втором и первом подготовительных режимах

Скачок порога из второго подготовительного режима в рабочий режим определяется применением выражения (3) при подстановке соответствующих параметров

Особенность предлагаемого способа - постоянство параметров (16) и (17), выбираемых на этапе проектирования и неизменных в процессе эксплуатации во всех условиях. Вторая существенная особенность - одинаковая частота f в первом и втором подготовительных режимах позволяет выбирать ее в максимальной близости к предельной частоте f₀, что дает возможность реализовать минимальное время выхода на рабочий режим и минимальные случайные колебания аппаратной оценки частоты при реализации способа. Третья важная особенность данного способа - в области оптимальной лавины имеет место слабая зависимость отношения сигнал/шум от коэффициента лавинного умножения. На фиг. 3 представлен типичный для этой зависимости график. При оптимальном значении коэффициента лавинного умножения М_опт=26 на границах широкого диапазона М от 18 до 46 происходит лишь пятипроцентное ухудшение отношения сигнал/шум.

В свою очередь М слабо зависит от погрешности задания частоты f. Нетрудно показать, что двадцатипроцентная ошибка задания частоты f приводит к отклонению М всего на 10%. Это делает возможным достижение практически любой точности М_опт при минимальном значении параметра fT, в основном определяющем случайное отклонение f от номинального значения.

Пример 1

Исходные данные:

(σ₀/σ₁)²=900; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f₀=10⁷ Гц; f=10⁶ Гц; f_paб=10 Гц.

Пример 2 (то же при высокой температуре или при фоновой засветке, уменьшающих отношение σ₀/σ₁).

Исходные данные:

(σ₀/σ₁)²=100; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f₀=10⁷ Гц; f=10⁶ Гц; f_paб=10 Гц.

Время усреднения Т датчиков частоты выбирают из условия (14) при учете соотношения Т ~ Т_r [7], где Т_r - время выхода на режим.

Пример 3

Исходные данные:

(σ0/σ1)²=900; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f0=10⁷ Гц; f=10⁶ Гц; f_pаб=10 Гц.

откуда Т=100/f=10^-4 с.

Время подготовки к работе Т_n ~ 2 Т=2⋅10^-4 с.

В известном способе при тех же допущениях время Т_n ~ 1-3 с [7], то есть выигрыш по сравнению с аналогом составляет четыре порядка, что позволяет использовать предлагаемый способ в быстродействующих частотных системах.

Пример 4

Исходные данные:

fT=100. М=26.

Относительное среднеквадратическое отклонение ошибки задания частоты f равно При этом относительное среднеквадратическое отклонение σ_м коэффициента лавинного умножения от номинального значения составит 5%. То есть в стандартных пределах ± 3σ_м окажется диапазон М от 22 до 30, что, как видно из фиг. 3 может привести к ухудшению отношения сигнал/шум относительно потенциального значения не более чем на 1%.

Таким образом, описанный способ решает поставленную задачу обеспечения оптимальной чувствительности во всех условиях эксплуатации при гарантированной вероятности ложных срабатываний и максимальном быстродействии.

Источники информации

1. Росс М. Лазерные приемники. - М.: Мир., 1969. - 520 с.

2. Патент РФ №2248670. 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. Анисимова И.Д. и др. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. Под ред. В.И. Стафеева. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

6. Филачев А.М., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. - М.: Физматкнига, 2011. - 448 с.

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