Способ приема импульсных оптических сигналов
METHOD FOR RECEIVING PULSED OPTICAL SIGNALS

Предлагаемое изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности, к технике приема импульсных сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных областях.
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].
Задачей изобретения является обеспечение высокой пороговой чувствительности во всех условиях эксплуатации.
опт
опт
опт
min
max
min
max
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем прием, усиление и формирование стандартных импульсов при превышении усиленным сигналом заданного порога срабатывания, предварительно подают на фотодиод пробный оптический сигнал, определяют его величину после усиления, одновременно определяют среднеквадратическое значение шума, изменяют напряжение смещения фотодиода, регулируя тем самым коэффициент лавинного умножения М, и определяют отношение η амплитуды выходного сигнала S к среднеквадратическому значению шума σ, причем оптимальным устанавливают такое значение коэффициента лавинного умножения М, при котором отношение η(Μ)=S/σ максимально, после чего фиксируют напряжение смещения фотодиода на уровне, соответствующем установленной величине М, пробный сигнал отключают, величину порога срабатывания устанавливают так, чтобы частота f превышения порога шумовыми выбросами находилась в пределах F<f<F, где Fи F - нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а величину f=Ν/Τ определяют путем подсчета количества N стандартных выходных сигналов за длительность Τ периода измерения величины σ, после чего приступают к приему сигналов.
1
1
1
0
Среднеквадратическое значение шума σ можно определять путем установления порога на предварительный уровень U, удовлетворяющий условию 0,01σ<U<2σ, после чего определяют частоту f превышения этого уровня шумовыми выбросами, соблюдая условие  где f - частота пересечения шумом нулевого уровня, после чего судят о величине среднеквадратического значения шума σ, вычисляя его оценку σ* по формуле
опт
На фиг. 1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг. 2 показаны графики зависимости η(Μ) для германиевого (фиг. 2а) и кремниевого (фиг. 2б) лавинных фотодиодов. На фиг. 3 приведены температурные зависимости М.
Фотоприемное устройство содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, предусилитель 2, усилитель 3 и пороговое устройство 4. Напряжение смещения подается на фотодиод 1 от последовательно включенных источника питания 5 и схемы компенсации 6. Между выходом порогового устройств и его управляющим входом включена схема шумовой автоматической регулировки порога 7. Лавинный фотодиод снабжен источником пробного сигнала 8. Для переключения режимов введена схема управления 9, связанная с источником пробного сигнала 8, схемой компенсации 6 и схемой шумовой автоматической регулировки порога 7. На втором выходе предусилителя 2 включен измеритель амплитуды сигнала 10, а на втором выходе усилителя - измеритель среднеквадратического значения шума 11, представляющий собой последовательно включенные второе пороговое устройство 12 и вычислитель среднеквадратического значения 13. На выходах измерителя амплитуды сигнала и вычислителя среднеквадратического значения шума включен вычислитель отношения сигнал/шум 14, связанный со схемой компенсации 6.
Способ осуществляется следующим образом.
В первой фазе предварительного режима с помощью схемы управления 9 включают источник пробного сигнала 8, представляющий собой микромощный периодический импульсный излучатель на основе полупроводникового лазера. Источник 8 имитирует характеристики рабочего сигнала - длительность импульса, длину волны и др. Одновременно включают источник питания лавинного фотодиода 5 со схемой компенсации 6 и усилитель 3 с предусилителем 2. Преобразованные в приемно-усилительном тракте пробные сигналы поступают на второй выход предусилителя 2, где их амплитуда А регистрируется измерителем амплитуды сигнала 10. Ко второму выходу усилителя 3 подключен измеритель эффективного значения шума 11, с помощью которого определяют среднеквадратическое значение шума σ. Поскольку влияние пробного сигнала на оценку σ незначительно из-за его высокой скважности, источник 8 можно не отключать в процессе измерений.
Амплитуда пробного сигнала А пропорциональна коэффициенту лавинного умножения, таким образом, на входы вычислителя отношения сигнал/шум 14 поступает вся необходимая для регулировки лавинного режима информация. Вычисленное значение отношения η=Α/σ поступает на схему компенсации 6, которая увеличивает напряжение смещения фотодиода 1 до тех пор, пока отношение сигнал/шум η не примет максимальное значение. После этого с помощью схемы управления 9, блокирующей схему компенсации 6, напряжение смещения фиксируют на достигнутом уровне и переходят ко второй фазе предварительного режима.
min
max
min
max
Во второй фазе предварительного режима с помощью схемы управления 9 запускают схему шумовой автоматической регулировки порога 7, охватывающей пороговое устройство 6 отрицательной обратной связью по частоте f шумовых срабатываний, так, чтобы частота f превышения порога шумовыми выбросами находилась в пределах F<f<F, где F и F - нижняя и верхняя границы допуска на частоту ложных срабатываний F. Методика такой регулировки изложена в [5].
После установления рабочего уровня порога с помощью схемы управления 9 фиксируют все сделанные установки и включают режим приема сигналов.
Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения Μ можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока [4]
0
2
Ι - квадрат неумножаемого шумового тока
е - заряд электрона;
1
Ι - первичный обратный ток фотодиода;
Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;
М- коэффициент лавинного умножения;
α
М - шум-фактор лавинного умножения;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [4].
Пример 1 (Фиг. 2а).
1
м
опт
-7
2
-19
2
Германиевый фотодиод. I=10 А. I=3,2⋅10 Α⋅α=1. Оптимальный коэффициент лавинного умножения Μ=М=3. Отношение сигнал/шум η отличается от максимального не более, чем на 2% при поддержании коэффициента лавинного умножения в пределах 2,5<М<3,5,
Пример 2 (Фиг. 2б).
1
Μ
опт
ф
т
опт
опт
-9
2
-21
2
Кремниевый фотодиод. I=10 Α. Ι=3,2⋅10 Α⋅α=0,5. Рабочую точку фотодиода поддерживают при Μ=25…40. При этом максимальное отношение сигнал/шум, отличается от максимального значения, обеспечиваемого при Μ=М=30, не более, чем на 2%. На фиг. 2б) пунктиром показана зависимость η(Μ) при Ι=I. Видно, что при этом М снижается до уровня М=20.
опт
0
2
Необходимая точность поддержания коэффициента лавинного умножения в окрестности М 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 I.
0
Δf=f-f.
откуда следует оценка σ
Пример 3
0
7
Частота пересечения шумом нулевого уровня f=10 Гц; σ=1 (в относительном масштабе). Результаты вычисления σ* для ряда значений U (в тех же единицах) приведены в таблице
Как следует из приведенных результатов, предлагаемая методика на основе принятых аппаратных средств обеспечивает оценку σ в широком диапазоне с удовлетворительной погрешностью. При необходимости погрешность может быть еще уменьшена введением программной поправки при производственной калибровке.
Таким образом, обеспечивается решение поставленной задачи - достижение высокой пороговой чувствительности во всех условиях эксплуатации.
Источники информации
1. И.Д. Анисимова и др. Под ред. В.И. Стафеева. Полупроводниковые фотоприемники приемники. Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра - М.: Радио и связь, 1984. - 1969 г. - 216 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. Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. // Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, С. 39-41.
6. Вильнер В.Г., Волобуев В.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С. Достоверность измерений импульсного лазерного дальномера // Фотоника, 2013, №3, С. 42-60.
7. Вильнер В.Г., Ларюшин А.И., Рябокуль А.С. Оптико-электронные высотомеры-скоростемеры на основе полупроводниковых лазеров для БПЛА. // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики, 2015; №(5-6), С. 127-133.
8. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. - М, Наука, 1973 г., - С. 120.