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 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 порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих в фотодиоде в процессе лавинного умножения [3].
Недостатком этого способа является возможность введения фотодиода в режим микроплазменного пробоя [4]. 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 [5]. В таком режиме шум лавинного фотодиода состоит из двух независимых составляющих - нормального шума [6] и «телеграфного» шума микроплазм. Микроплазменная составляющая шума фотодиода не сопоставима по статистическим характеристикам с нормальной составляющей, и ее участие в процессе регулирования смещения фотодиода непредсказуемо [7]. При некоторых температурных условиях регулировка лавинного режима по частоте шумовых выбросов фотодиода включая микроплазмы, может привести к выходу системы на неоптимальный режим лавинного умножения, т.е. к ухудшению пороговой чувствительности фотоприемного устройства или к недопустимой вероятности ложных срабатываний, вызванных микроплазмами.
Задачей изобретения является достижение наилучших обнаружительных характеристик во всех условиях эксплуатации при наличии микроплазм и нормального шума.
пор1
пор2
1
2
пор2
2
2
пор2
2
M
2
2
пор1
1
пор1
1
0
0
пор1
пор2
пор1
p
пор1
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 I срабатывания, предварительно определяют неумножаемую составляющую  квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают второй порог I, приведенный к выходу фотодиода, в пределах  где  - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором коэффициент лавинного умножения  где α - коэффициент шума фотодиода,  - квадрат умножаемой составляющей шумового тока, приведенного к выходу фотодиода; е - заряд электрона; I - первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf - полоса пропускания приемного тракта, после чего уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока оценка ϕ относительной частоты превышений порога I шумовыми выбросами не упадет до предельного уровня  где  - количество разрешаемых интервалов на контрольном интервале Т; ΔТ - разрешаемый интервал времени; n - количество превышений порога I за время Т; Q - допустимая вероятность возникновения микроплазм за время Т; t - коэффициент статистического разброса оценки ϕ, после чего фиксируют напряжение смещения и устанавливают порог I на уровне, при котором частота f (1/с) шумовых превышений порога I имеет стационарное значение f << f, где f - частота пересечения шумом нулевого уровня, при этом порог I блокируют на время каждого превышения порога I, после установления порога I увеличивают его в  раз, где f - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, затем фиксируют порог I и приступают к приему сигналов.
1
1
пор1
пор1
Частоту f можно устанавливать в режиме шумовой автоматической регулировки, при этом период T усреднения частоты шумовых превышений порога I выбирают из условия минимального времени выхода на рабочий режим при заданном предельном разбросе установившихся значений порога I.
пор1
На фиг.1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг.2 - примеры смеси сигнала, шума и микроплазм (а), блокировки порога I (б) и решения о приеме сигнала (в).
Реализующее способ фотоприемное устройство содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2 и пороговое устройство 3. Напряжение смещения подается на фотодиод 1 от последовательно соединенных источника питания 4 и схемы термокомпенсации 5. Пороговое устройство 3 охвачено цепью обратной связи в виде схемы шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП) 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Схема термокомпенсации 5 управляется схемой шумовой регулировки лавины 7, подключенной к выходу усилителя 2. Синхронизация осуществляется блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7. Способ осуществляется следующим образом.
По команде от блока управления 8 включаются схема термокомпенсации 5 и схема ШАРП 6. Схема термокомпенсации [2] обеспечивает установку режима смещения близко к оптимальному режиму без учета микроплазм, при котором соблюдается зависимость
где
М - коэффициент лавинного умножения;
опт
М - значение М, при котором отношение сигнал/шум [6] максимально;
0
2
I - квадрат неумножаемого шумового тока на выходе фотодиода;
M
1
2
J=2eIΔf;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6];
е - заряд электрона;
1
I - первичный умножаемый ток фотодиода в безлавинном режиме.
Δf - полоса пропускания приемного тракта.
Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока
0
2
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
Условие нуля производной
Или
Задача настоящего изобретения решается благодаря процедуре статистической интерпретации микроплазм не как ложных тревог, а как факторов пропуска сигнала. За счет этого можно допустить более высокую вероятность микроплазм и, тем самым, поддерживать коэффициент лавинного умножения ближе к оптимальному уровню (6).
ш
M
2
ш
M
Пропуск сигнала, характеризуемый вероятностью Q и появление микроплазмы, характеризуемое вероятностью Q представляют собой взаимно независимые события [10], поэтому заданную вероятность пропуска сигнала Q = 1 - D за контрольный интервал времени Т, где D - вероятность правильного обнаружения сигнала, можно представить в виде суммы Q = Q + Q.
2
2
2
M
При оценке вероятности ложного события (генерации микроплазмы) путем подсчета относительной частоты  ложных событий [10, с. 226] как отношения количества n ложных событий и полного контрольного объема N испытаний существует нижняя доверительная граница ϕ* оценки вероятности Q.
где t - доверительный коэффициент [10].
2
2
Контрольный объем испытаний N связан с контрольным интервалом времени Т соотношением
2
где ΔТ - разрешаемый отрезок времени
2
M
2
Подстановка в (7)  и ϕ*=Q с учетом малости ϕ дает
M
2
2
2
2
2
2
(Q - ϕ) ~ t ϕ/ N, где решением является меньший корень ϕ
2
2
Тогда допустимое количество n микроплазм за время Т
Соответствующая частота микроплазм
пор2
см
2
2
пор1
пор1
Схема шумовой регулировки лавины срабатывает на каждую микроплазму, превышающую порог I и на каждое срабатывание уменьшает напряжение на минимально значимую величину ΔU, понижая коэффициент лавинного умножения М на заданную допустимую величину ΔM до тех пор, пока не установится частота микроплазм f. При этом схема шумовой регулировки лавины 7 с порогом срабатывания Iпор>I реагирует только на импульсы микроплазм 9 (фиг.2а), одновременно блокируя вход порогового устройства 3, которое, таким образом, срабатывает только на флуктуационные (тепловые и дробовые) нормально распределенные шумы 10 (фиг.2 б). Соответственно схема ШАРП 6 отрабатывает только такие шумы. Благодаря этому возможно поддержание оптимального отношения порога I порогового устройства 3 к шуму, обеспечивающего максимальную вероятность правильного обнаружения сигнала при минимальной вероятности ложных тревог [8] (фиг.2 в).
Пример 1
M
2
2
-3
-7
D = 0,9; Q = 1 - D = 0,1; Q = 0,01; Т = 10 с; ΔТ = 10 с; t = 2.
2
-3
-7
Согласно (8) N = 10/10 = 10000.
2
2
2
2
В соответствии с (9) наименьшая допустимая оценка относительной частоты микроплазм ϕ = 0,00181, n = ϕN ~ 18.
2
-3
Допустимая частота микроплазм f = 18/10 = 18000 1/с.
Пример 2
M
-3
Те же данные, но Q = 10.
2
2
2
-3
Тогда ϕ = 0,0005; n = 5; f = 5/10 = 5000 1/с.
ш
M
При этом Q = Q - Q = 0,09-0,099.
2
2
M
Это значит, что снижение порога чувствительности, вызванное указанным потоком микроплазм уменьшится в Ф(0,1)/Ф(0,09) = 1,1 раза или в Ф(0,1)/Ф(0,099) = 1,01 раза, где Ф(х) - функция Лапласа [10, приложение 2]. Следовательно, чувствительность практически сохранится на теоретически предельном уровне в условиях высокой частоты микроплазм, то есть при коэффициенте лавинного умножения, близком к оптимальному. При увеличении Т нижняя доверительная граница оценки ϕ увеличивается, что позволяет производить регулировку лавинного режима при меньшем значении Q и уменьшить снижение порога чувствительности в условиях микроплазм до пренебрежимо малого уровня.
2
2
-4
-3
Оптимальный выбор режима Т = 10 с или Т = 10 с зависит от типа фотодиода и соответствующего характера микроплазм. В любом случае влияние микроплазменного шума устраняется.
п
p
0
-3
Если процесс стабилизации отношения порог/шум происходит при частоте f шумовых превышений порога, превышающей частоту f таких событий в рабочем режиме, то перед переходом к приему сигналов порог увеличивают в  раз [9], где f - частота пересечения шумом нулевого уровня. Такой процесс стабилизации режима порогового устройства занимает время не более 10 с [9].
опт
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает время выхода на режим порядка Т = 1 мс и работу с максимальной частотой повторения 1/Т = 1 кГц. Существующие технические решения обеспечивают выход на режим за 1-6 с [3, 8] при коэффициенте лавинного умножения М < М, то есть с потерей чувствительности. Выигрыш предлагаемого способа по быстродействию составляет 1000-6000 раз, а по отношению сигнал/шум - до 1,5-2 раз.
Таким образом, обеспечивается задача изобретения - достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим.
Источники информации
1 Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М., 1969 г.
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 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков M.A. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007.
5 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.
6 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.
7 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.
8 Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.
9 Патент РФ №2718856. Способ автоматической стабилизации частоты пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса, 2020 г.
10 Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Москва, Высшая школа, 1977, - 480 С.