Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов
METHOD FOR INCOHERENT ACCUMULATION OF LIGHT-LOCATION SIGNALS

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии.
Известен способ некогерентного накопления импульсов при их многократном повторении, например, для обнаружения принимаемых сигналов при лазерном или радиолокационном зондировании удаленных объектов [1-5]. Указанный способ заключается в том, что производят серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования принятый сигнал сравнивают с аналоговым порогом (осуществляют бинарное квантование), подсчитывают количество превышений аналогового порога и принимают решение о наличии сигнала, если это количество превышает заданное число. Этот способ не позволяет реализовать потенциальную вероятность обнаружения сигналов вследствие потери информации при бинарном квантовании принимаемого сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ некогерентного накопления сигналов, включающий серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с одним или несколькими аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней, по которой после завершения серии судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом [6].
Преимущества этого способа максимально реализуются, если прием отраженного сигнала производят с помощью лавинного фотодиода, обладающего по сравнению с другими приемниками наилучшей пороговой чувствительностью [7]. Однако в оптимальном по чувствительности режиме лавинного умножения возможно образование взрывных («телеграфных») шумов, обусловленных микроплазменными пробоями (микроплазмами) в полупроводниковом переходе фотодиода [8]. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение амплитуды сопровождается увеличением длительности импульсов и уменьшением скважности [9]. В таком режиме шум лавинного фотодиода состоит из двух независимых составляющих - нормального шума [7] и взрывного шума микроплазм. Микроплазменная составляющая шума фотодиода не сопоставима по статистическим характеристикам с нормальной составляющей и ее участие в процессе регулирования смещения фотодиода непредсказуемо [10].
Задачей изобретения является обеспечение максимальной вероятности обнаружения светолокационных сигналов методом накопления при наличии микроплазм, возникающих при лавинном умножении сигнала в фотодиоде.
opt
m
m
m
min
min
*
m
п
п
m
п
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе некогерентного накопления светолокационных сигналов, включающем серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней с учетом весового коэффициента уровня, по которой судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, прием отраженных сигналов осуществляют с помощью лавинного фотодиода в N каналах задержки отраженного сигнала, характеризуемых временной длительностью канала т и диапазоном измерения задержки Т=Nτ, где N - количество каналов, предварительно устанавливают оптимальный по отношению сигнал/шум коэффициент лавинного умножения фотодиода M, затем, управляя напряжением смещения фотодиода, уменьшают частоту f до предельно допустимого уровня f, в этом режиме определяют среднюю длительность микроплазменных импульсов t, минимальную амплитуду U микроплазменных импульсов, устанавливают дополнительный пороговый уровень U согласно условию U<U и если в текущем канале задержки выброс смеси сигнала и шума превышает порог U, то в данном цикле накопления обработку сигнала в этом канале блокируют.
m
пор
ш
м
ш
м
*
Предельно допустимый уровень частоты микроплазменных импульсов f можно устанавливать согласно зависимости  где  - допустимое количество микроплазм в одном канале накопления за один цикл; K - количество циклов накопления; т - временная ширина канала накопления; K - пороговое значение накопленной суммы в одном канале, при котором принимается решение о наличии сигнала (пороговое число);  - коэффициент, обеспечивающий условие Q+Q≤Q; Q - вероятность пропуска сигнала (вероятность необнаружения); Q - составляющая вероятности пропуска сигнала, обусловленная флуктуационным шумом; Q - вероятности пропуска сигнала, обусловленная влиянием микроплазм.
Для обеспечения стабильности обнаружительных характеристик в широком диапазоне условий можно предварительно устанавливать аналоговые пороговые уровни относительно нулевого уровня в режиме шумовой автоматической регулировки путем накопления суммы превышений аналоговых пороговых уровней в отсутствие сигнала, смещения относительного положения нулевого уровня и пороговых уровней так, чтобы накопленное суммарное количество превышений пороговых уровней было минимальным, после чего поддерживают это относительное положение уровней в течение времени накопления сигналов.
На фиг. 1 представлен пример смеси сигнала с шумом и два аналоговых порога, установленных симметрично относительно нулевого уровня.
п
На фиг. 2 показан пример блокировки сигнала при возникновении микроплазменных импульсов, превышающих порог U.
На фиг. 3 приведена структурная схема способа.
+
-
пор
Смесь принятого сигнала и шума (фиг. 1) образует реализацию случайного процесса, подвергаемую анализу путем сравнения с одним или несколькими аналоговыми порогами. В двухуровневом варианте эту реализацию сравнивают с аналоговыми порогами, расположенными симметрично относительно нулевого уровня (фиг. 1). Если в данном цикле зондирования в какой-либо временной дискрете реализация 3 пересекает положительный пороговый уровень u вверх, то регистрируют это генерацией и добавлением к накапливаемой сумме числа +1, а если реализация пересекает отрицательный пороговый уровень u вниз, то к накапливаемой сумме добавляют число минус 1. По окончании серии из K зондирований сравнивают накопленную сумму k с пороговым числом K и, в случае превышения этого числа, принимают решение о наличии сигнала в данной дискрете времени.
+
-
+
-
0
-8
Шумовой процесс характеризуется среднеквадратическим значением σ. В приведенном примере фиг. 1 амплитуда сигнала А равна среднеквадратическому значению шума [11]. Величины положительного и отрицательного порогов u и u составляют u=+0,5 σ и u=-0,5 σ. Одна дискрета времени τ=10 с. Длительность сигнала по уровню 0,5 занимает около трех дискрет. Полоса пропускания линейного тракта согласована с шириной спектра сигнала. При отсутствии сигнала вероятности пересечения шумовым процессом положительного и отрицательного порогов соответственно вверх и вниз равны, следовательно, в отсутствие сигнала средняя величина М(n) накопленной суммы n0 равна нулю.
Существенным критерием является эффективность Е накопления, представляющая собой улучшение отношения сигнал/шум на входе и выходе накопителя:
где М(k) - средняя величина накопленной суммы k;
K
σ - среднеквадратическое отклонение накопленной суммы k после K циклов накопления;
А - амплитуда сигнала на входе накопителя;
σ - среднеквадратическое значение входного шума.
Исследована [11] зависимость эффективности накопления от относительной величины пороговых уровней u/σ при их симметричном положении от нулевого уровня (фиг. 1). При оптимальном положении пороговых уровней двухуровневый и четырехуровневый режимы накопления с симметричным размещением пороговых уровней по эффективности приближаются к теоретическому пределу
Существует оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М, которое в отсутствие микроплазм можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока:
0
2
где I - квадрат неумножаемого шумового тока;
е - заряд электрона;
1
I - первичный обратный ток фотодиода;
Δf - полоса пропускания приемного тракта до входа порогового устройства;
М - коэффициент лавинного умножения;
α
М - шум-фактор лавинного умножения;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.
Квадрат W отношения шум/сигнал
М
1
2
где J=2eIΔf.
Условие нуля производной
или
откуда
Задача настоящего изобретения решается благодаря процедуре аппаратной интерпретации микроплазм не как ложных тревог, а как факторов пропуска сигнала. За счет этого приема можно допустить более высокую вероятность микроплазм и, тем самым, поддерживать коэффициент лавинного умножения ближе к оптимальному уровню (6). Фиг. 2 иллюстрирует принцип блокирования смеси сигнала и флуктуационного шума путем выявления выбросов, превышающих дополнительный порог UM.
На фиг. 3 показан пример двухпороговой структуры для реализации способа.
+
-
Эта локационная структура содержит передающий канал 1, фотоприемный канал 2, ключ 3 и дополнительное пороговое устройство 4, выход которого подключен к управляющему входу ключа. На выходе ключа находятся пороговые устройства u 5 и u 6, показанные на фиг. 1. Их выходы подключены к входам многоканального накопителя 7, на выходе которого установлен цифровой блок обнаружения и временной фиксации сигнала 8. Управление этой структурой и ее синхронизация осуществляется блоком управления 9.
+
-
пор
M
По команде от блока управления передающий канал излучает на цель серию K зондирующих импульсов. Одновременно запускается синхронизация многоканального накопителя 7, переключая его ячейки накопления с временной дискретностью т (фиг. 1). Отраженные целью сигналы принимаются фотоприемным каналом 2, на выходе которого образуется смесь отраженного сигнала и флуктуационного шума, через открытый ключ 3 поступающие на входы пороговых устройств 5 и 6. Выбросы шума в смеси с сигналом вызывают срабатывание одного из пороговых устройств, формирующих импульс «1», если срабатывает устройство 5 с порогом u и импульс «-1», если срабатывает устройство 6 с порогом u. Импульсы «1» и «-1» поступают согласно своей задержке в соответствующую ячейку накопителя 7. Если в смеси сигнала с шумом присутствует импульс микроплазмы, превышающий порог u, на выходе дополнительного порогового устройства 4 формируется импульс запрета, закрывающий ключ 3, препятствуя, тем самым прохождению импульса микроплазмы на пороговые устройства 5 и 6. По завершении серии К циклов зондирования цифровой блок обнаружения и временной фиксации сигнала 8 осуществляет поиск ячеек накопителя с суммой, превышающей цифровой порог K. При наложении сигнального импульса на микроплазму суммарный выброс идентифицируется как сигнал, то есть потери информации в этом случае не происходит. Если сигнал занимает несколько ячеек, то его временную привязку осуществляют по методикам, описанным, например, в [11-13].
пор
K
+
-
K
макс
K
6
Произведена оценка требуемого объема аппаратуры, необходимой для реализации способа. Для двухуровневого накопления при указанных данных в каждом канале дальности необходимо иметь возможность накопления до превышения цифрового порога K на (3-4) σ. При оптимальном положении аналоговых уровней |u|=|u|~0,5σ (фиг. 1) и объеме накопления K=200 среднеквадратическое отклонение накопленной суммы σ~10, и минимальный объем суммирующего устройства K~4σ=40<2. Объем суммирующего устройства при бинарном накоплении с оптимальным положением порогового уровня оценивается по формуле  Для рассмотренного примера K=200 эта величина составит  то есть на два двоичных разряда больше по сравнению с двухуровневым накоплением.
ш
М
ш
м
Пропуск сигнала, характеризуемый вероятностью Q и появление микроплазмы, характеризуемое вероятностью Q, представляют собой взаимно независимые события [3], поэтому заданную вероятность пропуска сигнала Q=1-D за контрольный интервал времени τ можно представить в виде суммы Q=Q+Q, где D - вероятность правильного обнаружения сигнала.
При выборе условий
и
можно практически полностью устранить влияние микроплазм на обнаружительные характеристики.
Условие (8) равносильно соотношению
где m - допустимое количество микроплазм в одном канале накопления за цикл обнаружения;
пор
K - пороговое значение накопленной суммы в одном канале, при котором принимается решение о наличии сигнала;
- коэффициент, обеспечивающий условие (7).
пор
Накопленная сумма k является случайной величиной с математическим ожиданием, соответствующим уровню принимаемого сигнала и при пороговом значении этой величины k=K со среднеквадратическим отклонением
Критическое количество микроплазм в одном канале накопления m не должно существенно влиять на статистику накопленной суммы, обусловленной сигналом, что отмечается выражением (9).
Пример.
4
-
Объем накопления K=200; установленный порог  количество каналов накопления N=10; ширина канала τ=108 с; коэффициент
При этих условиях среднее количество микроплазм на канал за все время накопления:
Среднее количество микроплазм на канал за один цикл:
4
-8
-4
Длительность цикла накопления Т=Nτ=10⋅10=10 с. Допустимая частота микроплазм:
Таким образом, обеспечивается задача изобретения - достижение теоретически предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев, следующих с частотой до 200 кГц.
Предлагаемый способ некогерентного накопления сигналов обеспечивает максимальную вероятность обнаружения сигналов при минимальном объеме аппаратуры и может быть реализован в портативных лазерных дальномерах.
Источники информации
1. Я.Д. Ширман, В.Н. Голиков «Основы теории обнаружения радиолокационных сигналов и измерения их параметров». Изд. «Советское радио», М., 1963 г., с. 179.
2. Я.Д. Ширман, В.Н. Манжос «Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех». Изд. «Радио и связь», М., 1981 г., с. 81-83.
3. В.Е. Гмурман «Теория вероятностей и математическая статистика». Изд. «Высшая школа», М., 1977 г.
4. В.Г. Вильнер Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. Оптико-механическая промышленность, 1984 г., №5.
5. Патент WO 2005/006016 A1 "Laser rangefinder and method thereof.
6. Патент РФ №2359226 по з-ке №2007137271 от 10.10.2007. «Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов». - Прототип.
7. 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.
8. Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007.
9. Вишневский А.И., Руденко В.С., Платонов А.П. Силовые ионные и полупроводниковые приборы. Учебное пособие для вузов. Под редакцией В.С. Руденко. Москва, Высшая школа, 1975.
10. Шашкина А.С. и др. Лавинный пробой p-n-перехода в задачах радиотехники - Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016, том 16, №5, с. 864-871.
11. Вильнер В.Г. и др. Оценка возможностей светолокационного импульсного измерителя дальности с накоплением. Фотоника, 2007, №6, с. 22-27.
12. Патент РФ №2390724. «Способ светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления».
13. Патент РФ №2469269. «Способ определения дальности».