Способ порогового обнаружения оптических сигналов
METHOD FOR THRESHOLD DETECTION OF OPTICAL SIGNALS

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.
0
paб
0
опт
M
M
M
опт
α
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 f пересечения шумом нулевого порога и частоту f шумовых срабатываний в рабочем режиме, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства f<<f, после этого увеличивают порог в  где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=М, этот порог  фиксируют и устанавливают такой коэффициент лавинного умножения М=М, при котором частота f шумовых превышений порога U становится равной частоте f в безлавинном режиме М=1 при пороге U, по достижении частоты f фиксируют достигнутый коэффициент лавинного умножения М=М, увеличивают порог до рабочего уровня  и приступают к приему оптических сигналов.
0
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<<f.
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.
0
paб
Предварительно (на этапе проектирования) устанавливают: частоту f, определяемую полосой пропускания приемного тракта 1-4 до входа порогового формирователя; частоту f, удовлетворяющую оговоренным выше ограничениям и особенностям примененных аппаратных средств; частоту f - по предъявляемым техническим требованиям; параметр а, определяемый конструкцией фотодиода; интервал усреднения Т датчика частоты.
0
o
7
2
6
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 f. 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=10 Гц и времени усреднения Т=0,1с этим условиям отвечает частота f в диапазоне от 10 до 10 Гц.
M
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 снова станет равна частоте f, установленной в безлавинном режиме.
M
paб
опт
После выхода на режим f=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, а коэффициент лавинного умножения фотодиода М=М обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум.
На фиг 2 представлена циклограмма способа.
1
T - длительность первого подготовительного режима - установка порога U.
2
M
Т - длительность переходного процесса из первого во второй подготовительный режим, установка порога U.
3
Т - длительность второго подготовительного режима - установка оптимальной лавины.
4
paб
Т - длительность переходного процесса из второго подготовительного режима в рабочий режим - установка порога U.
5
Т - длительность рабочего режима.
Известно [5-7], что в безлавинном режиме (М=1) квадрат среднеквадратического значения шума σ на выходе фотодиода
0
1
0
1
где σ и σ - соответственно среднеквадратические значения неумножаемой (σ) и умножаемой (σ) составляющих шума.
Частота f пересечений порога U шумовыми выбросами в безлавинном режиме [7]
0
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 f из (2) можно определить отношение порог/шум
В лавинном режиме [4]
α
где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=М, определяемый материалом и структурой фотодиода [4-6]. Квадрат отношения сигнал/шум
2
Обратная η 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
опт.
0
1
2
2
Подстановка (9) в (10 дает выражение частоты шумовых превышений порога при М=М С учетом всегда имеющего место условия σ >> σ
опт
Из (2) и (11) получается отношение частот f(M=M) и f(M=1).
Подстановка (3) в (12) дает
опт
Как следует из (12) и (13), при постоянных значениях коэффициента а, зависящего от конструкции фотодиода, и U/σ, задаваемом частотой f, отношение f(M)/f полностью определяется этими параметрами и также является постоянным параметром способа.
orrr
В свою очередь, частота f(M). 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
0
опт
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 f, 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=26 на границах широкого диапазона М от 18 до 46 происходит лишь пятипроцентное ухудшение отношения сигнал/шум.
опт
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 при минимальном значении параметра fT, в основном определяющем случайное отклонение f от номинального значения.
Пример 1
Исходные данные:
0
1
0
paб
2
7
6
(σ/σ)=900; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f=10 Гц; f=10 Гц; f=10 Гц.
0
1
Пример 2 (то же при высокой температуре или при фоновой засветке, уменьшающих отношение σ/σ).
Исходные данные:
0
1
0
paб
2
7
6
(σ/σ)=100; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f=10 Гц; f=10 Гц; f=10 Гц.
r
r
Время усреднения Т датчиков частоты выбирают из условия (14) при учете соотношения Т ~ Т [7], где Т - время выхода на режим.
Пример 3
Исходные данные:
2
7
6
pаб
(σ0/σ1)=900; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f0=10 Гц; f=10 Гц; f=10 Гц.
-4
откуда Т=100/f=10 с.
n
-4
Время подготовки к работе Т ~ 2 Т=2⋅10 с.
n
В известном способе при тех же допущениях время Т ~ 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.
м
м
Относительное среднеквадратическое отклонение ошибки задания частоты f равно  При этом относительное среднеквадратическое отклонение σ коэффициента лавинного умножения от номинального значения составит 5%. То есть в стандартных пределах ± 3σ 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.