ОДНОФОТОННЫЙ ПРИЕМНИК ДЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО ПОИСКА ОПТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2015 года по МПК G01J1/44 

Предлагаемое изобретение относится к технике пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов в режиме одноканальной регистрации однофотонных импульсов и может быть использовано в системах вхождения в связь, технике дистанционного измерения оптико-физических параметров атмосферы, системах квантовой криптографии.

Известны космические оптические системы связи (КОСС), в состав которых входит аппаратура пространственного поиска корреспондента.

Патенты США 3566126 и 3511998 отмечают актуальность проблемы, связанной с установлением двухсторонней оптической связи между удаленными невзаимодействующими приемопередатчиками.

В патенте 3566126 США предлагается один из терминалов оснастить уголковым отражателем. В случае отсутствия передачи оптических сигналов вторым терминалом именно по отраженному оптическому излучению от уголкового отражателя на первом терминале производится нацеливание оптической антенны на корреспондента.

В патенте 3511998 США предлагается использовать отдельный набор частот f1 и f2 для различения режима наблюдения (передаваемая f1 и принимаемая f2 частоты) и режима вызова (передаваемая f2 и принимаемая f1 частоты). В режиме наблюдения каждому приемопередатчику разрешают передавать только сигналы с частотой f1 и получать сигналы только с частотой f2. В режиме вызова напротив каждому приемопередатчику разрешают передать только сигналы с частотой f2 и получить только сигналы с f1.

В патенте 3504182 США предлагается метод нацеливания диаграмм направленности двух разнесенных приемопередатчиков, в котором лазерный луч приемопередатчика первого ИСЗ на определенный промежуток времени фиксируется в заданном угловом направлении в пределах контролируемого пространства, в то время как лазерный луч передатчика второго спутника сканирует все контролируемое пространство. Когда лазерные лучи взаимно направлены друг на друга, нацеливание прекращается. Для борьбы с перекрестными помехами предложено использовать излучения разнесенных приемопередатчиков с разными оптическими длинами волн.

Точно так же в патенте 4867560 США, каждый приемопередатчик спутника передает лучи, имеющие различную длину оптической волны. Техническое решение полезно в ситуациях, где предварительное нацеливание уже проведено.

В патенте 3658426 США предлагается использовать отражатель в обратном направлении для нацеливания диаграмм направленности двух разнесенных приемопередатчиков.

Метод нацеливания в патентах США 5060304 и 5142400 основывается на использовании отражения луча. В отличие от патента 3504182 США для борьбы с перекрестными помехами предлагается использовать набор частот модуляции, а не излучения с разными оптическими длинами волн.

В патенте 3504979 США предлагается пассивное и активное совмещения, использующие отражатели в обратном направлении. Однако из-за оптических ограничений такой отражатель должен быть меньше по размеру, чем площадь поперечного сечения падающего луча.

В патенте 3942894 США предлагается оптическая система передачи с отражением в обратном направлении луча для автоматической коллимации с входным лучом. Однако это только локальная форма оптического совмещения с входящим излучением.

Метод нацеливания, в котором ширина диаграмма направленности излучения меняется в процессе нацеливания, предложен в патенте 5282073 США.

В методе нацеливания, описанном в патенте 5475520 США, диаграммы направленности излучения расширяются для охвата более обширной области пространства поиска.

Патент 5592320 США описывает метод нацеливания, в котором луч модулируется во времени или информация локализуется во время нацеливания.

В патенте 5710652 США описывается система обнаружения, использующую антенную решетку из камер нацеливания CCD.

В патенте 4279036 США описан приемопередатчик спутника для установления связи с подводной лодкой. Лазерный узел сконструирован так, что фотоприемник регистрирует луч, переданным с подводной лодки, которая, как предполагается, заранее знает местоположение спутника.

Описанные ранее оптические системы не обеспечивают непрерывную связь между объектами в случае, когда хотя бы один из них совершает в течение установленного сеанса связи более одного полуоборота относительно направления на другой объект.

В патенте 2106749 RU предложено техническое решение для обеспечения непрерывной оптической связи между объектами, один из которых или оба вращаются, при установке не более двух оптических антенн на каждом вращающемся объекте с одновременным повышением надежности и обеспечением функциональной гибкости системы, заключающейся, при необходимости, в одновременной связи одного из объектов с двумя другими.

Однако в описанном техническом решении не раскрыт основной блок приемопередающей аппаратуры. Определены лишь его функции. В частности, на него должна возлагаться функция организации оптической связи между объектами. В то же время только подчеркивается важность операции пространственного поиска источника оптического излучения.

В системах космической оптической связи между кооперируемым объектом и объектом-корреспондентом по патентам 2275743 RU и 2276836 RU обеспечивается возможность определения непосредственно бортовым КППА параметров траектории одного космического объекта в процессе его орбитального полета с помощью другого объекта, определяя для этого навигационные параметры.

В патенте 2275743 RU подчеркивается, что операциям по определению навигационных параметров в КОСС предшествуют режимы взаимного пространственного поиска, обнаружения, наведения и автоматического сопровождения источника оптического излучения. Из описания изобретения следует, что эти функции возлагаются на оптические приемники. Однако в описанном техническом решении не раскрыты особенности функционирования оптических приемников. Очевидно, что прием информационных сообщений и процесс пространственного поиска-обнаружения источника оптического излучения должны выполняться по разным алгоритмам.

Наиболее перспективно в лазерных системах связи использование источников оптического импульсного излучения.

В режиме вхождения в связь момент появления импульсного сигнала на приемном конце считается неизвестным. Организация пространственно-временного поиска с целью обнаружения и выделения момента появления оптического импульса является необходимым условием вхождения в связь (синхронизм) приемопередающего комплекса.

Предельные параметры фотоприемной аппаратуры реализуются при использовании однофотонных фотоприемников (однофотонного диссектора), позволяющих регистрировать акты преобразования фотона в фотоэлектрон (ФЭ) - первичный электрон. Это особенно актуально для защищенных систем связи, в космических системах связи с межпланетными кораблями, при анализе съема информации с квантовых каналов в системах квантового распределения ключа.

Известно устройство для регистрации слабых световых сигналов [Артемьев В.В., Гуськов Л.Н., Михайлов В.Н. Скоростная малогабаритная схема счета фотонов // Приборы и техника эксперимента. 1967. №4. С.226-227]. Входом устройства является приемная оптика, которая служит для согласования физических размеров большой апертуры с небольшими размерами фотоприемников. Далее для снижения уровня мешающего фонового излучения сигнал фильтруется, проходя через светофильтр. Принимаемое фотодетектором оптическое излучение преобразуется в поток однофотонных импульсов (ОФИ), который после усиления подвергается амплитудной дискриминации. По истечении времени наблюдения накопленное число нормированных по амплитуде ОФИ после амплитудной дискриминации выводится для последующей обработки.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: приемный телескоп (приемная оптика), светофильтр, однофотонный диссектор (однофотонный фотоприемник), импульсный усилитель (ИУ) и амплитудный дискриминатор (АД).

Недостатками известного устройства являются:

- значительная вероятность ложных тревог Р_лт при обследовании пространственного элемента разложения в режиме поиска импульсного источника излучения из-за анализа временного интервала, равного периоду следования оптических импульсов, в то время как импульсы полезного излучения располагаются в существенно меньшем временном интервале;

- значительное среднее время поиска точечного изображения источника слабого оптического излучения в контролируемом поле в виду того, что при поиске импульсного источника излучения велика вероятность ложных срабатываний аппаратуры из-за фоновых однофотонных импульсов или импульсов темнового тока (ИТТ), принимаемых за время наблюдения (период следования оптических импульсов);

- значительная временная неопределенность приема импульсных сигналов в виду того, что решение об обнаружении сигнала относится только к пространственному элементу разложения, а временная неопределенность остается равной периоду следования оптических импульсов;

- невозможность обеспечения синхронизации работы приемного канала для перехода в режим сопровождения точечного изображения источника слабого оптического излучения в элементе разложения и приема информационных сообщений из-за того, что после обнаружения пространственного расположения источника излучения временная неопределенность остается равной периоду следования оптических импульсов.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Поток фотонов (фотоэлектронов) преобразуется в однофотонном диссекторе в поток однофотонных импульсов, который после нормировки по амплитуде в амплитудном дискриминаторе поступает на вход цифрового счетчика, где подсчитывается количество принятых ОФИ за время наблюдения (измерения). В рассматриваемом случае это время соответствует периоду следования оптических импульсов. Поскольку период следования оптических импульсов в системах вхождения в связь, технике дистанционного измерения оптико-физических параметров атмосферы, системах квантовой криптографии значительно превышает длительность оптических импульсов, то в количество подсчитанных ОФИ значительный вклад будут вносить фоновые однофотонные импульсы и импульсы темнового тока. Последнее приводит к тому, что при обследовании фоновых пространственных элементов разложения велика вероятность ложных срабатываний аппаратуры. Как следствие, это потребует дополнительных временных затрат на выявление факта ложного срабатывания аппаратуры, значительно увеличивая тем самым среднее время поиска точечного изображения источника слабого оптического излучения в контролируемом поле.

Наконец, при обнаружении сигнала в пространственном элементе разложения временная неопределенность остается равной периоду следования оптических импульсов, поскольку решение об обнаружении принимается на основании сравнения накопленного за время наблюдения (период следования оптических импульсов) числа ОФИ с пороговым уровнем. Как следствие, невозможность обеспечения синхронизации работы приемного канала для перехода в режим сопровождения точечного изображения источника слабого оптического излучения в элементе разложения и приема информационных сообщений.

Известно устройство для счета фотонов, описанное в патенте США 3972626 (МКИ2 G01j 1/44. Счетчик фотонов. Опубл. 1976), содержащее фотоэмиссионный прибор (ФЭП), амплитудный дискриминатор, формирователь импульсов (ФИ), блок установки кода, устройство сравнения кодов, первый и второй делители частоты, блок управления.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: однофотонный диссектор (ФЭП), амплитудный дискриминатор, формирователь импульсов и блок управления.

Описанное устройство хорошо работает при регистрации непрерывных немодулированных оптических излучений. Здесь предусматривается только пространственный поиск источника излучения. Проблема же синхронизации здесь отсутствует, поскольку сигнал присутствует в элементе разложения в течение всего времени наблюдения.

Известен фоторегистратор (см. а.с. 813142 СССР, МКИ3 G01J 1/44. Опубл. 1981 БИ №10), содержащий последовательно соединенные однофотонный ФЭП (типа фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) или диссектора), импульсный (широкополосный) усилитель, амплитудный дискриминатор, счетчик импульсов с таймером, а также блок синхронизации, вход которого связан с выходом дискриминатора, а выход с входом таймера.

Принимаемое излучение преобразуется однофотонным ФЭП в поток ОФИ, поступающих в импульсный усилитель. Сигнал ФЭП пропускается через амплитудный дискриминатор, который вырабатывает на выходе стандартизованный по амплитуде сигнал, равный по длительности входному воздействию по уровню, соответствующему порогу амплитудной дискриминации. Таймер определяет время измерения и разрешает счет ОФИ в счетчике. Работа устройства синхронизируется блоком синхронизации. Устройство регистрирует как непрерывные, так и импульсные световые сигналы.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: последовательно соединенные однофотонный диссектор (ФЭП), импульсный усилитель и амплитудный дискриминатор, а также формирователь импульсов.

Недостатком известного устройства является невозможность реализации пространственно-временного поиска импульсного источника излучения.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Из описания работы следует, что устройство регистрирует как непрерывные, так и импульсные световые сигналы. Принцип работы устройства предусматривает подсчет за время наблюдения количества принятых импульсов с выхода амплитудного дискриминатора. Однако время измерения и разрешение на счет ОФИ в счетчике определяет таймер, работа которого синхронизируется блоком синхронизации. Предполагается, что при приеме оптического импульса момент его появления известен. Тогда время наблюдения (измерения) определяется длительностью оптического импульса. Следовательно, применение аналога предполагает существование временной синхронизации. На приемном конце системы момент появления сигнала известен, но неизвестно пространственное расположение источника излучения.

В а.с. СССР 551518 [МКИ² G01J 1/44. Одноэлектронный регистратор световых потоков. Опубл. 1977 БИ №11] реализован метод интегрирования зарядового пакета с выхода ФЭП. Устройство содержит последовательно соединенные ФЭП, схему обработки сигнала и индикатор. Схема обработки выполнена в виде программно-управляемого импульсного усилителя, к выходу которого подключен интегратор.

Признаком аналога, совпадающим с признаками заявляемого технического решения, является однофотонный диссектор (ФЭП).

Недостатком известного устройства является невозможность реализации пространственно-временного поиска импульсного источника излучения.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Из описания работы следует, что при приеме импульсных оптических сигналов подсчитывается количества принятых импульсов с выхода программно-управляемого импульсного усилителя за время наблюдения. Однако время измерения и разрешение на счет ОФИ в интеграторе определяет схемой обработки сигнала. Следовательно считается, что при приеме оптического импульса момент его появления известен. Тогда время наблюдения определяется длительностью оптического импульса. Следовательно, применение аналога предполагает существование временной синхронизации до момента обнаружения сигнала, что не соответствует условиям работы в системах вхождения в связь, системах квантовой криптографии.

Известно устройство для счета фотонов (см. а.с. СССР 1182277, МКИ4 G01j 1/44. Опубл. 1985 БИ №36), содержащее последовательно включенные ФЭП, амплитудный дискриминатор, счетчик, а также параллельно включенные первое и третье оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), выходами подключенные к первому входу сумматора, второе ОЗУ, подключенное выходом к входному регистру ЭВМ и к второму входу сумматора. Схема (блок) управления содержит последовательно включенные тактовой генератор и адресный счетчик, адресными выходами подключенный к адресным входам второго ОЗУ, к входам схемы управления подключены выходы схемы синхронизации и ЭВМ, а также вход счетного триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены к входам управления первого и третьего ОЗУ, второй тактовый генератор, второй адресный счетчик и схема синхронизации адресов. Выход схемы синхронизации подключен к входу второго тактового генератора, подключенного к входу второго адресного счетчика. Адресные выходы первого и второго адресных счетчиков подключены к первому и второму адресным входам схемы коммутации адресов. Первый и второй адресные выходы схемы коммутации адресов подключены к соответствующим адресным входам первого и третьего ОЗУ. Выходы счетного триггера подключены к входам управления схемы коммутации адресов.

Оптический импульс излучения, проходя через оптическую схему передатчика лидара, частично отклоняется на приемник блока синхронизации и преобразуется в электрический импульс, поступающий на запуск второго генератора тактовых импульсов (ГТИ) в блок управления (БУ) и перебрасывающий счетный триггер. Второй ГТИ работает с частотой, обеспечивающей процесс суммирования данных из первого или третьего ОЗУ с данными второго ОЗУ, за время меньшее, чем период следования импульсов зондирования.

Первый ГТИ обеспечивает необходимое пространственное разрешение, так как его частота определяется временем записи данных в первое или третье ОЗУ. Это время значительно меньше, чем время для считывания суммирования-записи для второго ОЗУ. Какое из двух (первое или третье) ОЗУ находится в данном цикле измерения в режиме записи, а какое - в режиме считывания определяется состоянием выходов счетного триггера, управляющего синхронно и направлением передачи потоков адресов («быстрых» или «медленных») в коммутаторе адресов. В первом или третьем ОЗУ скорость смены адресов определяется режимом, в котором это устройство работает. Если в данный момент ОЗУ, например первое, находится в режиме записи, то через коммутатор адресов на его адресные входы поступают адреса с адресного счетчика, скорость смены их определяет длительность временных интервалов, т.е. пространственное разрешение. В это же время третье ОЗУ находится в режиме считывания. На его адресные входы поступают адреса через коммутатор адресов со второго адресного счетчика. Скорость смены этих адресов определяется как быстродействием второго ОЗУ, так и процессом считывания-суммирования-записи и процессом обмена данными между быстрым и накапливающим ОЗУ. После повторения циклов записи-суммирования во втором ОЗУ накапливается в каждой ячейке число, величина которого определяется из статистической точности измеряемого параметра атмосферы, а затем все числа из всех ячеек передаются в ЭВМ.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: однофотонный диссектор (ФЭП), амплитудный дискриминатор, блок управления (схема управления), генератор тактовых импульсов (тактовый генератор).

Использование известного технического решения в системах вхождения в связь и системах квантовой криптографии затруднено в виду того, что в технике дистанционного измерения оптико-физических параметров атмосферы выделяется для анализа определенный временной интервал, где производится подсчет числа принятых ОФИ за время, кратное периоду следования оптических импульсов зондирования атмосферы (циклам измерения).

Выделенный временной интервал в каждом цикле соответствует определенному слою атмосферы при вертикальном или наклонном зондировании. Поэтому ОФИ может появиться в любой момент внутри временного интервала. Проблема обнаружения источника излучения здесь не решается.

Применение же аналога для решения задач в предполагаемом изобретении требует принятия решения об обнаружении импульсного излучения посредством выделения внутри временного интервала [0, Т_след], равного периоду следования оптических импульсов Т_след, подынтервала [0, τ_набл]. В этом подынтервале длительностью наблюдения τ_набл<<Т_след измеряется количество принятых ОФИ n₁. На втором цикле измерение количества принятых ОФИ n₂ производится во временном подынтервале [Т_след, Т_след+τ_набл]. На j-м цикле измерение количества принятых ОФИ n_j производится во временном подынтервале [(j-1)Т_след, (j-1)Т_след+τ_набл]. Накопленное за N шагом число принятых ОФИ n=n₁+n₂+…+n_N и служит для принятия решения об обнаружении импульсного излучения в анализируемом пространственном элемента разложения во временном подынтервале [NТ_след, NТ_след+τ_набл].

Если за N циклов обнаружения сигнала не произошло, то устройство переходит к следующему этапу. При этом момент перехода к новому этапу принимается за нулевой временной отсчет t=0. На втором этапе первый цикл приема ОФИ начинается с анализа подынтервала [τ_набл, 2τ_набл].

В случае приема слабого фонового излучения процесс обнаружения требует длительного наблюдения каждого пространственного элемента разложения.

Таким образом, недостатками известного устройства является значительное среднее время поиска точечного изображения источника слабого оптического излучения в контролируемом поле. Во-первых, это происходит потому, что при поиске импульсного источника излучения велика вероятность ложных срабатываний аппаратуры из-за фоновых однофотонных импульсов или импульсов темнового тока (ИТТ), принимаемых за время наблюдения (период следования оптических импульсов). Во-вторых, известное устройство в течении времени, эквивалентного нескольким периодам следования оптических импульсов, проверяет подынтервалы, где нет не только импульсов темнового тока (ИТТ), но даже фоновых однофотонных импульсов или сигнальных ОФИ.

Известен приемный канал поисковой аппаратуры [Бычков С.И., Румянцев К.Е. Поиск и обнаружение оптических сигналов: Монография / Под ред. К.Е. Румянцева. М.: Радио и связь, 2000. 282 с. Рис.5.1].

Приемный канал, реализующий временной метод обработки информации, включает однофотонный фотоприемник (однофотонный диссектор), компаратор (амплитудный дискриминатор), триггер, два формирователя импульсов, элемент НЕ, два элемента И, элемент ИЛИ.

Приемный канал содержит последовательно включенные однофотонный диссектор, амплитудный дискриминатор и триггер. Выход триггера объединен с входом первого формирователя импульсов, входом элемента НЕ и первым входом второго элемента И. Выход первого формирователя импульсов подключен к первому входу первого элемента И, второй вход которого объединен с выходом элемента НЕ и входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И. Выход первого элемента И подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И. Оптический вход однофотонного диссектора является оптическим входом приемного канала. Выход элемента ИЛИ является выходом приемного канала.

Поток фотонов (фотоэлектронов) преобразуется в однофотонном диссекторе в поток однофотонных импульсов (ОФИ), который после нормировки по амплитуде в компараторе (амплитудном дискриминаторе) поступает на вход триггера. На выходе последнего действуют импульсы с длительностью, равной временному интервалу Δt между нечетными и четными ОФИ, а на выходе элемента НЕ - между четными и нечетными ОФИ. Формирователи импульсов в момент скачка напряжения на входе формируют импульс с длительностью τ_пор. При выполнении условия Δt<τ_пор на выходе элементов И появляются импульсы, сигнализирующие об обнаружении полезного излучения.

Признаки способа-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: однофотонный диссектор, амплитудный дискриминатор, триггер, два формирователя импульсов, элемент НЕ, два элемента И, элемент ИЛИ.

Недостатками известного технического решения являются:

- требование изменения временного порога (длительности формируемых импульсов) для поддержания неизменной вероятности ложных тревог;

- сложность организации сравнения временного интервала Δt между нечетными и четными ОФИ Δt и порогового времени τ_пор во время действия сигнала и с повышением интенсивности фонового излучения.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Область применения временного алгоритма обработки информации, положенного в основу построения приемного канала поисковой аппаратуры, существенно ограничена ввиду следующих причин. Во-первых, с изменением мощности фонового излучения должно меняться значение временного порога (длительность формируемых импульсов) для поддержания неизменной вероятности ложных тревог. Во-вторых, при приеме наносекундных импульсов сложно организовать сравнение временного интервала Δt между нечетными и четными ОФИ Δt и порогового времени τ_пор во время действия сигнала и с повышением мощности фонового излучения.

Известен приемник оптических импульсных сигналов с одноканальной обработкой информации и стробированием фотоприемника [Бычков С.И., Румянцев К.Е. Поиск и обнаружение оптических сигналов. Монография / Под ред. К.Е. Румянцева. М.: Радио и связь, 2000. 282 с. Рис.5.10].

Приемник содержит фотоприемник (однофотонный преобразователь), усилитель (импульсный усилитель), амплитудный дискриминатор, два элемента И, элемент НЕ, формирователь импульсов, одновибратор (второй формирователь импульсов), блок развертки, блок стробирования и генератор тактовых импульсов.

Приемный канал содержит последовательно включенные однофотонный преобразователь и амплитудный дискриминатор. Выход амплитудного дискриминатора объединен с входами первого формирователя импульсов, второго формирователя импульсов и первым входом второго элемента И. Выход первого формирователя импульсов через блок стробирования подключен к электрическому входу однофотонного преобразователя. Выход второго формирователя импульсов объединен с входами элемента НЕ и вторым входом второго элемента И. Выход элемента НЕ подключен к первому входу первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом ГТИ. Выход первого элемента И через блок развертки подключен к входу сканирования однофотонного преобразователя.

В приемнике вследствие непосредственного стробирования диссектора вероятность ложных тревог не зависит от полосы пропускания канала.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: однофотонный преобразователь, амплитудный дискриминатор, два формирователя импульсов, элемент НЕ, два элемента И, блок развертки и генератор тактовых импульсов.

Недостатками известного технического решения являются:

- снижение вероятности правильного обнаружения оптического импульса при появлении последнего в конце временного интервала наблюдения [Т_след-τ_имп, Т_след]. При отсутствии срабатывания АД в процессе повторного анализа в интервале $$\lfloor t_{строб1},2{Т}_{след}\rfloor$$ поиск будет прекращен в момент t=2Т_след. При повторном анализе факта регистрации ОФИ полезного излучения вероятность формирования импульса АД от полезного излучения в интервале $$\lfloor 2T_{след},t_{строб2}\rfloor$$ отлична от нуля. Следовательно, вероятность пропуска сигнала возрастает;

- увеличение вероятности ложных тревог Р_лт при обследовании пространственного элемента разложения в режиме поиска импульсного источника излучения. Поскольку полоса пропускания ОФЭП ограничена и, как следствие, отклики на появление фотоэлектронов размыты, возможно частичное наложение ОФИ. В результате этого требуется увеличить длительность формируемого импульса стробирования. Последнее приводит к росту вероятности ложных тревог Р_лт при обследовании «чисто» фоновых пространственных элементов разложения;

- увеличение среднего времени поиска точечного изображения источника слабого оптического излучения в контролируемом поле из-за роста вероятности ложных тревог при обследовании «чисто» фоновых пространственных элементов разложения; Кроме того, увеличение вероятности пропуска оптического импульса при появлении последнего в конце временного интервала наблюдения [Т_след-τ_имп, Т_след] потребует повторного обзора контролируемого поля;

- обеспечение синхронизации работы приемного канала для перехода в режим сопровождения точечного изображения источника слабого оптического излучения в элементе разложения и приема информационных сообщений требует доработки структуры приемника из-за того, что при обнаружении сигнала на выходе приемника (выходе второго элемента И) появляется импульс, соответствующий импульсу с выхода амплитудного дискриминатора. Следовательно, выходной импульс приемника может быть использован синхронизации работы приемного канала. Однако техническое решение в известном изобретении не дано;

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Возможность ложного срабатывания приемника от фонового ОФИ, предшествующего ожидаемому моменту появления сигнала происходит тогда, когда временной интервал между моментами появления фонового ОФИ и импульса опроса не превышает величины, слагаемой из времени переднего фронта ОФИ и длительности ОФИ на уровне амплитудной дискриминации.

В структуре не учтен тот факт, что в момент начала обзора пространственного элемента разложения оптический импульс уже может присутствовать на оптическом входе однофотонного преобразователя. При этом часть оптического импульса находится в начале, а часть - в конце времени анализа. Следовательно, ограничение времени анализа только значением 2Т_след приводит к снижению вероятности правильного обнаружения оптического импульса при появлении последнего в конце временного интервала наблюдения [Т_след-τ_имп, Т_след].

Из известных технических решений приемников наиболее близким по технической сущности к заявляемому является приемник для выделения оптических импульсных сигналов [Бычков С.И., Румянцев К.Е. Поиск и обнаружение оптических сигналов. Монография / Под ред. К.Е. Румянцева. М.: Радио и связь, 2000. 282 с. Рис.5.6].

Приемник, реализующий алгоритм пространственно-временного поиска импульсного излучения с одноканальной обработкой информации, включает однофотонный диссектор с фокусирующе-отклоняющей системой, усилитель (импульсный усилитель), амплитудный дискриминатор, три элемента И, элемент НЕ, формирователь импульсов, одновибратор (второй формирователь импульсов), блок развертки и управляемый генератор тактовых импульсов (УГТИ).

Приемник содержит последовательно соединенные однофотонный преобразователь, импульсный усилитель и амплитудный дискриминатор, выход которого подключен к первому входу первого элемента И, выход которого объединен с входом второго формирователя импульсов и первым входом третьего элемента И. Выход второго формирователя импульсов объединен с входами элемента НЕ и первого формирователя импульсов, выход которого объединен с управляющим входом УГТИ и вторым входом третьего элемента И. Выход элемента НЕ объединен с вторым входом первого элемента И и с первым входом второго элемента И, выход которого через блок развертки подключен к фокусирующе-отклоняющей системе однофотонного диссектора. Оптический вход однофотонного диссектора является оптическим входом приемника. Выход третьего элемента И является выходом приемника.

В исходном состоянии на входах первого и второго элементов И действует напряжение, соответствующее логической «1», а на входе третьего элемента И - напряжение, соответствующее логическому «0». Если с момента начала обзора пространственного элемента за временной интервал, равный априорно известному периоду следования Т_след оптических импульсов, не было зарегистрировано ни одного ОФИ, то УГТИ генерирует импульс, который поступает на блок развертки. В результате производится переход к обзору соседнего пространственного элемента.

В случае обзора фонового пространственного элемента излучение преобразуется в поток ОФИ, который после усиления и нормировки по амплитуде направляется на второй формирователь импульсов и третий элемент И. Состояние элемента И при этом не изменяется. Второй формирователь импульсов генерирует импульс длительностью Т_след-Δτ, который закрывает элементы И. Благодаря этому тактовый импульс УГТИ, генерируемый по прошествии времени Т_след с момента начала обзора элемента, не пройдет на вход блока развертки. Система продолжит анализ элемента. В момент завершения импульса второго формирователя импульсов вновь открываются элементы И. При этом первый формирователь генерирует стробирующий импульс длительностью τ_строб, создающий на входе третьего элемента И напряжение, соответствующее логической «1». Если во время действия стробирующего импульса появится ОФИ, то на выходе приемника появится импульс, сигнализирующий о принятии ошибочного решения. В противном случае задним фронтом импульса первого формирователя запускается УГТИ. Сгенерированный импульс переводит однофотонный диссектор к обзору следующего пространственного элемента.

Пусть в обследуемом элементе присутствует полезное излучение во временном интервале [t_c, t_c+τ_имп]. При регенерации первого ОФИ в момент t_j∈[t_c, t_c+τ_имп] амплитудный дискриминатор формирует сигнал, запускающий второй формирователь, импульс которого закрывает все элементы И. Очередной тактовый импульс УГТИ не переводит систему к обзору следующего элемента.

В момент завершения импульса второго формирователя импульсов вновь открываются два первых элемента И, а первый формирователь генерирует стробирующий сигнал. Выбор длительностей импульсов первого и второго формирователей импульсов всегда обеспечивают появление второго оптического импульса во время действия стробирующего сигнала. Поэтому появившийся ОФИ во время действия полезного излучения проходит на выход приемника, сигнализируя об обнаружении источника излучения. Одновременно запускается второй формирователь (одновибратор), импульс которого закрывает вновь первый и второй элементы И. Тактовый импульс УГТИ, генерируемый в момент окончания стробирующего импульса, не проходит на блок развертки. Приемник продолжает принимать импульсы с сигнального элемента во время действия стробирующих импульсов.

Признаки приемника-прототипа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: последовательно соединенные однофотонный преобразователь, импульсный усилитель и амплитудный дискриминатор, а также три элемента И, элемент НЕ, два формирователя импульсов, блок развертки.

Недостатками известного приемника являются:

- возможность ложного срабатывания приемника от фонового ОФИ, предшествующего ожидаемому моменту появления сигнала;

- увеличение вероятности ложных тревог Р_лт при обследовании пространственного элемента разложения в режиме поиска импульсного источника излучения. Поскольку полоса пропускания ОФЭП ограничена и, как следствие, отклики на появление фотоэлектронов размыты, возможно частичное наложение ОФИ. В результате этого требуется увеличить длительность формируемого импульса стробирования. Последнее приводит к росту вероятности ложных тревог Р_лт, при обследовании «чисто» фоновых пространственных элементов разложения;

- снижение вероятности правильного обнаружения оптического импульса при появлении последнего в конце временного интервала наблюдения [Т_след-τ_имп, Т_след]. При отсутствии срабатывания АД в процессе повторного анализа в интервале $$\lfloor t_{строб1},2{Т}_{след}\rfloor$$ поиск будет прекращен в момент t=2Т_след. При повторном анализе факта регистрации ОФИ полезного излучения вероятность формирования импульса АД от полезного излучения в интервале $$\lfloor 2{Т}_{след},t_{строб2}\rfloor$$ отлична от нуля. Следовательно, вероятность пропуска сигнала возрастает;

- увеличение среднего времени поиска точечного изображения источника слабого оптического излучения в контролируемом поле из-за роста вероятности ложных тревог при обследовании «чисто» фоновых пространственных элементов разложения; Кроме того, увеличение вероятности пропуска оптического импульса при появлении последнего в конце временного интервала наблюдения [Т_след-τ_имп, Т_след] потребует повторного обзора контролируемого поля;

- обеспечение синхронизации работы приемного канала для перехода в режим сопровождения точечного изображения источника слабого оптического излучения в элементе разложения и приема информационных сообщений требует доработки структуры приемника из-за того, что при обнаружении сигнала на выходе приемника (выходе второго элемента И) появляется импульс, соответствующий импульсу с выхода амплитудного дискриминатора. Кроме того, действие импульса на управляющий вход УГТИ обеспечивает генерацию тактовых сигналов в другие моменты. Однако они не совпадают с моментом начала импульса стробирования. Для синхронизации работы приемного канала может быть использован выходной импульс приемника. Однако техническое решение в известном изобретении не дано;

- значительная временная неопределенность приема импульсных сигналов в виду того, что техническое решение синхронизации работы приемного канала в известном изобретении не дано.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Возможность ложного срабатывания приемника от фонового ОФИ, предшествующего ожидаемому моменту появления сигнала, происходит тогда, когда временной интервал между моментами появления фонового ОФИ и импульса опроса не превышает величины, слагаемой из времени переднего фронта ОФИ и длительности ОФИ на уровне амплитудной дискриминации.

В структуре не учтен тот факт, что в момент начала обзора пространственного элемента разложения оптический импульс уже может присутствовать на оптическом входе однофотонного диссектора. При этом часть оптического импульса находится в начале, а часть - в конце времени анализа. Следовательно, ограничение времени анализа только значением 2Т_след приводит к снижению вероятности правильного обнаружения сигнала при появлении оптического импульса последнего в конце интервала наблюдения [Т_след-τ_имш, Т_след]. Это же относится и к случаю, когда момент начала обзора пространственного элемента разложения находится внутри оптического импульса.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в улучшении вероятностных и временных характеристик пространственного поиска источников слабых оптических излучений с одновременным снижением временной неопределенности приема импульсных сигналов.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, позволяет:

- уменьшить вероятность ложных тревог Р_лт при обследовании пространственного элемента разложения;

- увеличить вероятность правильного обнаружения источника слабого оптического излучения Р_обн при обследовании пространственного элемента разложения;

- снизить среднее время поиска точечного изображения источника слабого оптического излучения в контролируемом поле;

- уменьшить временную неопределенность приема импульсных сигналов;

- обеспечить синхронизацию работы приемного канала для перехода в режим сопровождения точечного изображения источника слабого оптического излучения в элементе разложения и приема информационных сообщений.

Технический результат достигается тем, что в однофотонный приемник для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов, содержащий однофотонный диссектор с фокусирующе-отклоняющей системой и динодной умножительной системой, блок питания динодов умножительной системы с фиксированным потенциалом, выход однофотонного диссектора через импульсный усилитель подключен к входу амплитудного дискриминатора, а также первый, второй и третий элементы И, первый элемент НЕ, первый и второй формирователи импульсов, генератор тактовых импульсов и блок развертки, причем выход блока развертки подключен к управляющему входу фокусирующе-отклоняющей системы однофотонного диссектора, отличающийся тем, что в нем диноды умножительной системы однофотонного диссектора разделены на электроды с фиксированным и регулируемым потенциалом, а также тем, что в него введены блок питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом, приемный телескоп, блок управления телескопом, светофильтр, элемент ИЛИ, третий, четвертый и пятый формирователи импульса, второй и третий элементы НЕ, реле, четвертый, пятый и шестой элементы И, первая и вторая линии задержки, блок управления и генератор синхроимпульсов, причем оптический вход приемника является оптическим входом приемного телескопа, в фокальной плоскости которого установлен однофотонный диссектор, причем между приемным телескопом и однофотонным диссектором включен светофильтр, причем выход блока питания динодов умножительной системы с фиксированным потенциалом подключен к электродам однофотонного диссектора с фиксированным потенциалом, выход блока питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом подключен к электродам однофотонного диссектора с регулируемым потенциалом, управляющий вход блока управления телескопом соединен с вторым выходом блока управления, первый выход которого подключен к входу блока развертки, выход амплитудного дискриминатора объединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, причем выход генератора тактовых импульсов подключен к первому входу четвертого элемента И, выход которого объединен с входами блока управления, третьего формирователя импульсов и первой линии задержки, выход которой подключен к первому входу пятого элемента И, выход которого через четвертый формирователь импульсов подключен к второму входу второго элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, причем выход элемента ИЛИ соединен с входом первого формирователя импульсов, выход которого объединен с управляющим входом блока питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом, входами первого элемента НЕ и второго формирователя импульсов, выход которого объединен с входом второго элемента НЕ, первым входом шестого элемента И и вторым входом третьего элемента И, причем выход третьего элемента И подключен к входу реле, выход первого элемента НЕ объединен с четвертым входом четвертого элемента И и вторым входом пятого элемента И, причем выход второго элемента НЕ объединен с третьими входами четвертого и пятого элементов И, выход третьего формирователя импульса подключен к второму входу первого элемента И, выход третьего элемента НЕ соединен с вторым входом четвертого элемента И, выход реле объединен с входом третьего элемента НЕ и вторым входом шестого элемента И, выход которого через пятый формирователь импульсов и вторую линию задержки подключен к управляющему входу генератора синхроимпульсов, выход которого является выходом приемника.

Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого технического решения выявил следующие новые существенные признаки относительно способа для заявляемого объекта:

- блок питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом 2, что обеспечивает чувствительность однофотонного диссектора к потоку фотонов только при наличии напряжения логической «1» на его управляющем входе;

- приемный телескоп 3, благодаря этому удается собрать падающую на него энергию и уменьшить угол зрения системы, обеспечивая пространственную фильтрацию излучения. В фокальной плоскости приемного телескопа располагается однофотонный диссектор 7, на который в кружок рассеивания (пятно) проецируется (фокусируется) изображение точечного источника излучения. В кружке рассеивания сосредоточена вся энергия принимаемого излучения от источника излучения. Контролируемое пространство в поле зрения приемного телескопа проецируется на фотокатод однофотонного диссектора в виде кадра;

- блок управления телескопом 4, что обеспечивает работу приемника при превышении угловых размеров контролируемого пространства угла поля зрения приемного телескопа 3, когда на фотокатод может быть спроецирована лишь часть контролируемого пространства (кадр). Разбиение контролируемого поля на кадры позволяет использовать диссекторы с меньшими размерами фотокатода. Блок управления телескопом 4 позволяет после дискретного сканирования кадра спроектировать на фотокатод однофотонного диссектора 7 новый кадр. Кроме того, в диссекторе наблюдается закономерное изменение чувствительности сигнала от центра к краям рабочей области фотокатода. Для диссекторов неравномерность чувствительности составляет 20…50%. Размеры спроектированного на фотокатод кадра могут быть соизмеримы с размерами фотокатода. При значительной неравномерности фотокатода потребуется существенное увеличение мощности передатчика для обеспечения тех же вероятностных характеристик. В этих условиях сканирование вдоль строк осуществляется электронным способом с помощью блока развертки, а развертка изображения по кадру производится оптико-механическим способом блоком управления телескопом;

- светофильтр (оптический фильтр) 5, благодаря этому принимаемое приемным телескопом 3 излучение подвергается частотной фильтрации;

- элемент ИЛИ 13, благодаря этому при приеме ОФИ или ИТТ во временном интервале t∈[0, Т_след] приемник переходит в ждущий режим, при котором канал однофотонной регистрации не реагирует на поток фотонов в течении времени Т_след-τ_строб/2;

- реле 17, благодаря этому регистрируется факт обнаружения полезного излучения во время действия импульса стробирования. Состояние реле становится равным «1» при обнаружении сигнала;

- третий формирователь импульса 19, что обеспечивает формирование прямоугольного импульса для анализа процесса с выхода АД на временном интервале t∈[0, Т_след-τ_строб/2]. Формирователь ФИ3 должен срабатывать по переднему фронту входного тактового импульса в момент t=0 и генерировать прямоугольный импульс длительностью Т_след-τ_строб/2;

- четвертый формирователь импульса 20, что обеспечивает формирование прямоугольного импульса для анализа процесса с выхода АД на временном интервале t∈[Т_след-τ_строб/2, Т_след]. Формирователь ФИ4 должен срабатывать по переднему фронту импульса с выхода пятого элемента И в момент t=Т_след-τ_строб/2 и генерировать прямоугольный импульс длительностью τ_строб/2;

- первый элемент НЕ 21, второй элемент НЕ 22 и третий элемент НЕ 23, Благодаря этому тактовый импульс с выхода ГТИ 25 не может перевести приемник к обзору следующего пространственного элемента разложения в контролируемом поле при работе приемника в ждущем режиме, во время действия импульса стробирования или после обнаружения источника излучения;

- блок управления 24, что обеспечивает формирование сигнала управления на его первом выходе для блока развертки 18, подключенного к однофотонному диссектору 7, для электронного сканирования по строкам и кадру. Эти сигналы управляют переходом однофотонного диссектора к обзору соседнего элемента разложения в строке, а при осмотре всех элементов разложения в строке - к обзору соседней строки. На втором выходе блока управления 24 формируется сигнал управления для блока управления приемным телескопом 4, обеспечивающего перевод приемника к обзору нового кадра в пределах контролируемого пространства или развертку изображения по кадру оптико-механическим способом;

- четвертый элемент И 26, первый вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов 25, второй вход соединен с выходом третьего элемента НЕ 23, третий вход объединен с третьим выходом пятого элемента И 28 и выходом второго элемента НЕ 22, а четвертый вход объединен с вторым входом пятого элемента И 28 и выходом первого элемента НЕ 21. Благодаря этому во время ждущего режима из-за приема ОФИ или ИТТ во временном интервале [0, Т_след-τ_строб/2] тактовые импульсы ГТИ не проходят на выход четвертого элемента И 26, запрещая переход приемного канала к обзору следующего пространственного элемента разложения. Кроме того в ждущем режиме исключается возможность анализа однофотонным приемником временного интервала [Т_след-τ_строб/2, Т_след];

- первая линия задержки 27, выход которой подключен к первому входу пятого элемента И 28, а вход которой объединен с выходом четвертого элемента И, входом блока управления 24 и входом третьего формирователя импульсов 19. Благодаря этому формируется временная метка в момент t=Т_след-τ_строб/2;

- пятый элемент И 28, первый вход которого подключен к выходу первой линии задержки 27, второй вход соединен с четвертым входом четвертого элемента И 26 и и выходом первого элемента НЕ 21, а третий вход объединен с третьим входом четвертого элемента И 26 и выходом второго элемента НЕ 22. Благодаря этому появление импульса на выходе пятого элемента И 28 указывает, что на временном интервале [0, Т_след-τ_строб/2] не зафиксирован факт приема ОФИ или ИТТ. Выходной импульс пятого элемента И указывает на необходимость перехода к анализу временного интервала [Т_след-Т_строб/2, Т_след];

- генератор синхроимпульсов 29, который формирует тактовые импульсы длительностью τ_строб и периодом следования Т_след. Во время действия синхроимпульса генератора 29 на входе однофотонного приемника всегда будет присутствовать оптический импульсный сигнал длительностью τ_имп<τ_строб;

- вторая линия задержки 30, что задает благодаря времени задержки в Т_след-τ_строб момент начала генерации синхроимпульсов генератором 29;

- пятый формирователь импульса 31, благодаря этому по заднему фронту входного импульса генерируется короткий импульс запуска для генератора синхроимпульсов 29;

- шестой элемент И 32, что обеспечивает появление на его выходе импульса, используемого для синхронизации в дальнейшем работы однофотонного приемника. На выходе шестого элемента И 32 появление импульса возможно только при переходе реле 17 в состояние «1». Момент появления выходного импульса случаен. Момент же окончания выходного импульса фиксирован.

Доказательство причинно-следственной связи будет дано ниже при описании работы устройства.

Сущность предлагаемых устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена структурная схема однофотонного приемника для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов.

На фиг.2 представлены эпюры, поясняющие процесс первичной обработки потока фотонов в однофотонном приемнике для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов. Эпюры показаны поток фотонов (а), поток фотоэлектронов (б), однофотонные импульсы и импульсы темнового тока на выходе однофотонного диссектора (в), импульсы на выходе АД (г).

На фиг.3 представлены эпюры, поясняющие процесс генерации и регистрации одиночного фотоэлектрона при пространственно-временном поиске импульсного излучения с одноканальной обработкой информации: отклик диссектора (а) и АД (б) на прием фотона в интервале [0, Т_след], временное расположение импульса стробирования (в).

На фиг.4 показаны эпюры, поясняющие процессы в однофотонном приемнике при отсутствии приема однофотонных импульсов (ОФИ) и импульсов темнового тока (ИТТ) на интервале [0, Т_след]. Эпюры показаны на выходе амплитудного дискриминатора (а), генератора тактовых импульсов (б), третьего формирователя импульса (в), четвертого формирователя импульса (г), первого элемента НЕ (д), второго элемента НЕ (е), третьего элемента НЕ (ж), четвертого элемента И (з), первой линии задержки (и), пятого элемента И (к).

На фиг.5 представлены эпюры, поясняющие процессы в однофотонном приемнике при приеме однофотонных импульсов от фона или импульса темнового тока на интервале [0, Т_след-0,5τ_строб]. Эпюры показаны на выходе амплитудного дискриминатора 10 (а), первого элемента И 11 (б), второго элемента И 12 (в), элемента ИЛИ 13 (г), первого формирователя импульсов 14 (д), второго формирователя импульса 15 (е), третьего элемента И 16 (ж), реле 17 (з), генератора тактовых импульсов 25 (и), третьего формирователя импульсов 16 (к), четвертого формирователя импульсов 20 (л), первого элемента НЕ 21 (м), второго элемента НЕ 22 (н), третьего элемента НЕ 23 (о), четвертого элемента И 26 (п), первой линии задержки 27 (р), пятого элемента И 28 (с).

На фиг.6 показаны эпюры, поясняющие процессы в однофотонном приемнике при приеме однофотонных импульсов от фона или импульса темнового тока на интервале [Т_след-0,5τ_строб, Т_след]. Эпюры показаны на выходе амплитудного дискриминатора 10 (а), первого элемента И 11 (б), второго элемента И 12 (в), элемента ИЛИ 13 (г), первого формирователя импульса 14 (д), второго формирователя импульса 15 (е), третьего элемента И 16 (ж), реле 17 (з), генератора тактовых импульсов 25 (и), третьего формирователя импульса 19 (к), четвертого формирователя импульса 20 (л), первого элемента НЕ 21 (м), второго элемента НЕ 22 (н), третьего элемента НЕ 23 (о), четвертого элемента И 26 (п), первой линии задержки 27 (р), пятого элемента И 28 (с).

Временные зависимости на фиг.7 поясняют процессы в однофотонном приемнике при приеме однофотонных импульсов во время действия на однофотонный приемник оптического импульсного сигналов в интервале [0, Т_след-0,5τ_строб]. Эпюры показаны на выходе амплитудного дискриминатора 10 (а), первого элемента И 11 (б), второго элемента И 12 (в), элемента ИЛИ 13 (г), первого формирователя импульсов 14 (д), второго формирователя импульсов 15 (е), третьего элемента И 16 (ж), реле 17 (з), генератора тактовых импульсов 25 (и), третьего формирователя импульсов 19 (к), четвертого формирователя импульсов 20 (л), первого элемента НЕ 21 (м), второго элемента НЕ 22 (н), третьего элемента НЕ 23 (о), четвертого элементов И 26 (п), первой линии задержки 27 (р), пятого элемента И 28 (с), шестого элемента И 32 (т), пятого формирователя импульсов 28 (у), второй линии задержки 30 (ф), генератор синхроимпульсов 29 (х).

Фиг.8 иллюстрирует дискретное построчное сканирование контролируемого поля (пространства) при прогрессивном (а) и реверсивном (б) растровом сканировании.

Временные зависимости на фиг.9 показывают процессы формирования управляющих сигналов в блоке развертки для последовательного сканирования 8-ми элементов разложения в строке и строк в кадре при прогрессивном (б), а на фиг.10 - при реверсивном растровом сканировании (в). Здесь управляющими сигналами выступают тактовые импульсы генератора ГТИ (а). Эпюры показаны на выходе четвертого элемента И (б), блока развертки по строке (в) и по кадру (г).

Особенности работы прототипа при обследовании фонового пространственного элемента разложения и реализации ждущего режима иллюстрирует фиг.11.

Зависимости вероятности ложных тревог от среднего числа шумовых импульсов за период следования оптических импульсов показаны на фиг.12, а зависимости вероятности ложных тревог от параметра полосы пропускания ОФЭП показаны на фиг.13.

На фиг.14 показан случай начала обзора пространственного элемента, когда оптический импульс уже присутствует на входе ОФЭП.

Фиг.15 иллюстрирует особенности обнаружения сигнала в прототипе.

Однофотонный приемник для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов (см. фиг.1) содержит блок питания динодов умножительной системы с фиксированным потенциалом 1, блок питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом 2, приемный телескоп 3, блок управления телескопом 4, светофильтр 5, динодная умножительная система 6, однофотонный диссектор (ОФД) 7 с фокусирующе-отклоняющей системой (ФОС) 8, импульсный усилитель (ИУ) 9, амплитудный дискриминатор (АД) 10, первый элемент И (И1) 11, второй элемент И (И2) 12, элемент ИЛИ (ИЛИ) 13, первый формирователь импульсов (ФИ1) 14, второй формирователь импульсов (ФИ2) 15, третий элемент И (И3) 16, реле 17, блок развертки (БР) 18, третий формирователь импульсов (ФИ3) 19, четвертый формирователь импульсов (ФИ4) 20, первый элемент НЕ (НЕ1) 21, второй элемент НЕ (НЕ2) 22, третий элемент НЕ (НЕ) 23, блок управления (БУ) 24, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 25, четвертый элемент И (И4) 26, первая линия задержки (ЛЗ1) 27, генератор синхроимпульсов (ГСИ) 28, вторая линия задержки (ЛЗ2) 29, пятый формирователь импульсов (ФИ5) 30 и шестой элемент И (И6) 31.

Входом однофотонного приемника для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов является оптический вход приемного телескопа 3, в фокальной плоскости которого установлен однофотонный диссектор 7 с динодной умножительной системой 6 и фокусирующе-отклоняющей системой 8. К управляющему входу фокусирующе-отклоняющей системы однофотонного диссектора 2 подключен выход блока развертки 18.

Диноды умножительной системы однофотонного диссектора разделены на электроды с фиксированным и регулируемым потенциалом. Выход блока питания динодов умножительной системы с фиксированным потенциалом 1 подключен к электродам динодной умножительной системы 6 однофотонного диссектора 7 с фиксированным потенциалом. Выход блока питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом 2 подключен к электродам динодной умножительной системы 6 однофотонного диссектора 7 с регулируемым потенциалом.

Между приемным телескопом 3 и однофотонным диссектором 7 включен светофильтр 5.

Управляющий вход блока управления телескопом 4 соединен с вторым выходом блока управления 24.

Управляющий вход приемного телескопа 1 соединен с вторым выходом блока управления 24, первый выход которого подключен к входу блока развертки 18.

Выход однофотонного диссектора 7 через импульсный усилитель ИУ 9 подключен к входу амплитудного дискриминатора АД 10.

Выход амплитудного дискриминатора АД 10 объединен с первыми входами первого элемента И 11, второго элемента И 12 и третьего элемента И 16.

Выход генератора тактовых импульсов ГТИ 25 подключен к первому входу четвертого элемента И 26, выход которого объединен с входами блока управления 24, третьего формирователя импульсов 19 и первой линии задержки 27.

Выход первой линии задержки 27 подключен к первому входу пятого элемента И 28, выход которого через четвертый формирователь импульсов 20 подключен к второму входу второго элемента И 12. Выход второго элемента И 12 соединен с первым входом элемента ИЛИ 13, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И 11.

Выход элемента ИЛИ 13 соединен с входом первого формирователя импульсов 14, выход которого объединен с и управляющим входом блока питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом 2, входами первого элемента НЕ 21 и второго формирователя импульсов 15, выход которого объединен с входом второго элемента НЕ 22, первым входом шестого элемента И 32 и вторым входом третьего элемента И 16.

Выход третьего элемента И 16 подключен к входу реле 17.

Выход первого элемента НЕ 21 объединен с четвертым входом четвертого элемента И 26 и вторым входом пятого элемента И 28.

Выход второго элемента НЕ 22 объединен с третьими входами четвертого 26 и пятого элементов И 28.

Выход третьего формирователя импульса 19 подключен к второму входу первого элемента И 28.

Выход третьего элемента НЕ 23 соединен с вторым входом четвертого элемента И 26.

Выход реле 17 объединен с входом третьего элемента НЕ 23 и вторым входом шестого элемента И 32, выход которого через пятый формирователь импульсов 31 и вторую линию задержки 30 подключен к управляющему входу генератора синхроимпульсов 29, выход которого является выходом однофотонного приемника для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов.

Однофотонный приемник для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов работает следующим образом.

Входом однофотонного приемника для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов является оптический вход приемного телескопа 3, который обеспечивает согласование физических размеров большой апертуры приемной оптики с небольшими размерами фотокатода однофотонный диссектор 7.

В фокальной плоскости приемного телескопа 3 установлен однофотонный диссектор 7 с динодной умножительной системой 6 и фокусирующе-отклоняющей системой 8.

Между приемным телескопом 3 и однофотонным диссектором 7 для снижения уровня мешающего фонового излучения включен светофильтр 5.

Однофотонный диссектор представляет передающую телевизионную трубку без накопления заряда, в которой электронное изображение, образуемое вылетающим из фотокатода потоком фотоэлектронов, развертывается относительно неподвижного отверстия (щели) в диафрагме.

Однофотонный диссектор 7 обеспечивает:

- преобразование оптического изображения, спроецированного на фотокатод, в электронное изображение на основе явления внешнего фотоэффекта. Число появившихся фотоэлектронов в каждой точке фотокатода пропорционально потоку фотонов в этих точках;

- пространственный перенос электронного изображения под действием ускоряющего электрического поля;

- усиление выходного сигнала изображения на основе вторичной электронной эмиссии в динодной умножительной системе 6.

На коллекторе собираются электроны после их умножения в динодной умножительной системе 6 однофотонного диссектора 7. Таким образом, принимаемое однофотонным диссектором оптическое излучение преобразуется в поток однофотонных импульсов (ОФИ), представляющих отклик диссектора на появление фотоэлектрона.

Последовательная (поэлементная) пространственная развертка (сканирование) электронного изображения по двум координатам относительно отверстия диафрагмы реализуется с помощью двух отклоняющих катушек фокусирующе-отклоняющей системы 8, формируя выходной сигнал изображения. В каждый момент времени число фотоэлектронов, проходящих через диафрагму с вырезающим отверстием, несущих информацию об изображении с определенного участка фотокатода.

Посредством фокусирующей катушки фокусирующе-отклоняющей системы 8 обеспечивается фокусирование потока прошедших отверстие диафрагмы фотоэлектронов (первичных электронов) на первом диноде умножительной системы 6.

Фокусирующая и отклоняющие катушки изготавливаются в единой конструкции, называемой фокусирующе-отклоняющей системой.

Таким образом, благодаря применению приемного телескопа 3 и однофотонного диссектора 7 с фокусирующе-отклоняющей системой 8 контролируемое пространство проецируется в контролируемое поле на фотокатод диссектора. Контролируемое поле дискретно сканируется пространственным элементом разложения, роль которого выполняет отверстие в диафрагме диссектора. Траектория сканирования по двум координатам задается значениями отклоняющих токов, протекающих соответственно через две отклоняющие катушки фокусирующе-отклоняющей системы 8. Значения отклоняющих токов задаются в блоке развертки 18 в зависимости от напряжений на управляющем входе фокусирующе-отклоняющей системы 8 однофотонного диссектора 7 с первого выхода блока управления 24.

Процесс преобразования оптического поля в поток фотоэлектронов и процесс умножения электронов в динодной умножительной системе 6 однофотонного диссектора 7, формирующий однофотонный импульс (отклик диссектора на прием фотона) представляет случайный во времени процесс. Как следствие, случайный характер формирования импульсов на выходе АД 10, который иллюстрируется эпюрами на фиг.2.

Пусть на оптический вход однофотонного диссектора 7 (см. фиг.1) поступает поток фотонов (см. фиг.2, а). Принимаемое оптическое излучение преобразуется фотокатодом однофотонного диссектора 7 в поток первичных электронов или фотоэлектронов (ФЭ). Поскольку квантовая эффективность фотокатода однофотонного диссектора 7 меньше 1, то только часть фотонов приводит к генерации (появлению) фотоэлектронов с фотокатода (см. фиг.2, б).

Использование электронной динодной умножительной системы в однофотонном диссекторе 7 позволяет получить отклик в виде ОФИ на каждый сгенерированный фотоэлектрон (см. фиг.2, в). Причем амплитуда ОФИ в однофотонном диссекторе значительно превышает уровень тепловых шумов его нагрузки.

Процесс умножения заряда в однофотонном диссекторе 7 позволяет получить выходной сигнал, значительно превосходящий шумы нагрузки. Однако мгновенные значения коэффициента вторичной эмиссии динодов могут значительно отклоняться от своего среднего значения. Поэтому каждый фотоэлектрон порождает на выходе динодной умножительной системы в однофотонном диссекторе 7 лавину электронов, число которых является случайной величиной, вызывающей флуктуации амплитуды ОФИ.

Для ограничения подачи импульсов темнового тока (ИТТ) с анода однофотонного диссектора 7 на вход последующей схемы обработки применен АД 10 с пороговым уровнем U_АД. Выбор оптимального значения уровня амплитудной дискриминации позволяет подавить импульсы темнового тока на 70…80%, тогда как потеря полезного сигнала (ОФИ) составляет всего лишь 3…4% (см. фиг.2, г). Пороговый уровень амплитудной дискриминации U_АД выбирается в диапазоне 30…80% от амплитуды ОФИ U_АД=(0,3…0,8)·U_ОФИm.

Длительность импульсов на выходе амплитудного дискриминатора 10 τ_АД определяется временем превышения процессом на входе АД порогового уровня U_АД (см. фиг.2, г).

Пространственно-временной поиск с выделением временного момента прихода оптических импульсов, реализуемый в предлагаемом изобретении, основан на том, что на приемном конце поискового комплекса известен период следования оптических сигналов Т_след (см. фиг.3). В течение времени t∈[0, Т_след] (см. фиг.3, а) фиксируется момент t_АД первого превышения порогового уровня U_АД амплитудного дискриминатора (см. фиг.3, б), анализ причины которого производится в последующем интервале t∈[Т_след, 2Т_след] (см. фиг.3, в).

Превышение процессом с выхода однофотонного диссектора 7 уровня амплитудной дискриминации U_АД (см. фиг.3, а) в момент времени переводит аппаратуру в ждущий режим, при котором канал однофотонной регистрации не реагирует на поток фотоэлектронов до временного момента

Здесь τ_{ОФИ.зад} - время задержки между моментом срабатывания амплитудного дискриминатора АД 10 t_АД и моментом генерации t_ФЭ всего лишь одного фотоэлектрона. Величина τ_строб соответствует длительности импульса стробирования, в течение которой могут быть зарегистрированы фотоны (сгенерированы фотоэлектроны) во время повторного анализа.

Если во временном интервале

произошло повторное превышение порогового уровня амплитудной дискриминации U_АД, то принимается решение о приеме полезного излучения в анализируемом пространственном элементе разложения во время действия импульса стробирования.

Здесь

соответствует моменту окончания действия импульса стробирования во время повторного обследования.

Следовательно, превышение процессом с выхода однофотонного диссектора уровня амплитудной дискриминации U_АД (см. фиг.3, а) в момент времени переводит аппаратуру в ждущий режим, при котором канал однофотонной регистрации не реагирует на поток фотоэлектронов в течение времени Т_след-τ_строб/2 от момента (см. фиг.3, в).

Если во временном интервале (2) не произошло повторного превышения порогового уровня амплитудной дискриминации U_АД, то выносится решение об отсутствии излучения источника, и, достигнув момента времени, кратного Т_след, производится переход к обзору следующего пространственного элемента разложения в контролируемом пространстве (см. фиг.3, в).

Решение об отсутствии излучения источника выносится и тогда, когда отсутствует превышение порогового уровня амплитудной дискриминации за время .

Проведенный анализ работы однофотонного приемника для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов показал, что приемника особо реагирует на ситуацию, когда в момент начала обзора пространственного элемента разложения оптический импульс уже присутствует на оптическом входе однофотонного диссектора 7. При этом часть оптического импульса находится в начале, а часть - в конце времени наблюдения [0, Т_след]. Причем особый интерес имеет случай срабатывания амплитудного дискриминатора АД 10 в интервале t∈[Т_след-0,5·τ_строб, Т_след].

Исходя из этого, будут проанализированы три случая. В первом случае в интервале t∈[0, Т_след] вообще не регистрируется ни одного срабатывания амплитудного дискриминатора АД 10. Во втором случае срабатывание амплитудного дискриминатора АД 10 произошло в интервале [0, Т_след-0,5·τ_строб]. И, наконец, в третьем случае срабатывание амплитудного дискриминатора произошло в интервале [Т_след-0,5·τ_строб, Т_след].

Обратимся к фиг.4, где показаны эпюры, поясняющие процессы в однофотонном приемнике при отсутствии приема однофотонных импульсов (ОФИ) и импульсов темнового тока (ИТТ) на интервале [0, Т_след].

В момент перехода к анализу нового пространственного элемента разложения на выходах первого (см. фиг.4, д), второго (см. фиг.4, е) и третьего (см. фиг.4, ж) элементов НЕ 21-23 действуют напряжения, соответствующие логической единицы. Следовательно, на втором, третьем и четвертом входах четвертого элемента И действуют напряжения, соответствующие логической единице. Поэтому импульс с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ 25 (фиг.4, б) через четвертый элемент И 26 (см. фиг.4, з) поступает на вход блока управления 24. Здесь формируется сигнал для блока развертки 18 на переход к анализу нового пространственного элемента разложения. Сигнал с блока развертки 18, воздействуя на ФОС 8, обеспечивает переход однофотонного диссектора 7 к анализу соседнего пространственного элемента разложения в строке или к новой строке в кадре.

Поскольку для первого рассматриваемого случая за интервал [0, Т_след] однофотонный приемник не регистрирует приход фотонов и появления импульсов темнового тока, то на выходе амплитудного дискриминатора 10 действует напряжение, соответствующее логическому нулю (см. фиг.4, а).

Тактовый импульс ГТИ 25 (см. фиг.4, б), поступая на вход третьего формирователя импульсов ФИ3 12, приводит к тому, что последний генерирует импульс длительностью Т_след-τ_строб/2 (см. фиг.4, в).

Поскольку на первом входе первого элемента И 11 в интервале [0, Т_след-τ_строб/2] действует напряжение логического нуля (см. фиг.4, а), то такое же напряжение будет и на его выходе (втором входе элемента ИЛИ 13).

Четвертый формирователь импульсов 20 в интервале [0, Т_след-τ_строб/2] находится в состоянии покоя (см. фиг.4, г). Поэтому на втором входе второго элемента И 12 действует напряжение логического нуля. Следовательно, на его выходе также действует напряжение логического нуля.

Поскольку на первом и втором входах ЛИ 13 действует напряжение логического нуля, то такое же напряжение будет и на его выходе. Как следствие, первый и второй формирователи импульсов 14 и 15 остаются в состоянии покоя, при котором на их выходах установлены напряжения логического нуля.

Напряжение логического нуля, действующее на входе реле 17 в интервале [0, Т_след-τ_строб/2] не приводит к его срабатыванию.

На выходах первого (см. фиг.4, д), второго (см. фиг.4, е) и третьего (см. фиг.4, ж) элементов И 21-23 в интервале [0, Т_след-Т_строб/2] сохраняются напряжения логического нуля.

Поскольку на двух входах шестого элемента И 32 действуют напряжения логического нуля, то как пятый формирователь импульсов 31, так и генератор синхроимпульсов 29 будут находиться в состоянии покоя.

В момент времени t=Т_след-τ_строб/2 тактовый импульс ГТИ 25 (см. фиг.4, б), задержанный в первой линии задержки 27 на время Т_след-τ_строб/2 (см. фиг.4, и), поступает на первый вход пятого элемента И 28. Поскольку на его втором (см. фиг.4, д) и третьем (см. фиг.4, е) входах действуют напряжения логической единицы, то тактовый импульс проходит на вход четвертого формирователя импульсов 20 (см. фиг.4, к). Формирователь 20 в момент t=Т_след-τ_строб/2 генерирует импульс длительностью τ_строб/2. В течение действия импульса приемник чувствителен к приходу ОФИ или ИТТ.

В рассматриваемом временном интервале [Т_след-0,5·τ_строб, Т_след] напряжение на выходе элемента ИЛИ 13 неизменно. Как следствие, не изменяются напряжения и на выходах первого и второго формирователей импульсов 19 и 20, третьего элемента И 16, реле 17, первого, второго и третьего элементов НЕ 21-23. В этих условиях сгенерированный очередной тактовый импульс ГТИ 25 (см. фиг.4, б) свободно проходит через четвертый элемент И 26 (см. фиг.4, з) на вход блока управления 24.

Блок управления 24 формирует сигнал управления для блока развертки 18, подключенного к ФОС 8 однофотонного диссектора 7. Сигнал управления переводит диссектор к обзору соседнего элемента разложения в строке, а при осмотре всех элементов разложения в строке (кадре) - к обзору соседней строки (соседнего кадра). При превышении угловых размеров контролируемого пространства угла поля зрения приемного телескопа 3 блок управления 24 формирует на втором выходе сигнал для перехода к обзору соседнего кадра.

Обратимся к фиг.5, где представлены эпюры, поясняющие процессы в однофотонном приемнике при приеме фонового однофотонного импульса или импульса темнового тока на временном интервале [0, Т_след-0,5τ_строб].

В момент перехода к анализу нового пространственного элемента разложения на выходах первого (см. фиг.5, м), второго (см. фиг.5, н) и третьего (см. фиг.5, о) элементов НЕ 21-23 действуют напряжения, соответствующие логической единицы. Следовательно, на втором, третьем и четвертом входах четвертого элемента И 26 действуют напряжения, соответствующие логической единице. Поэтому импульс с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ 25 (фиг.5, и) через четвертый элемент И 26 (см. фиг.5, п) поступает на вход блока управления 24. Здесь формируется сигнал для блока развертки 18 на переход к анализу нового пространственного элемента разложения. Сигнал с блока развертки 18, воздействуя на ФОС 8, обеспечивает переход однофотонного диссектора 7 к анализу соседнего пространственного элемента разложения в строке или к новой строке в кадре.

Поскольку для рассматриваемого случая на временном интервале [0, Т_след-0,5τ_строб] однофотонный приемник регистрирует приход фотонов или появление импульсов темнового тока, то на выходе амплитудного дискриминатора 10 появляется импульс с амплитудой, соответствующей напряжению логической единицы (см. фиг.5, а).

Тактовый импульс ГТИ 25 (см. фиг.5, и), поступая на вход третьего формирователя импульсов ФИ3 19 (см. фиг.5, п), приводит к тому, что последний генерирует импульс длительностью Т_след-τ_строб/2 (см. фиг.5, к).

Поскольку на втором входе первого элемента И 11 в интервале [0, Т_след-τ_строб/2] действует напряжение логической единицы (см. фиг.5, к), то импульс с выхода АД (см. фиг.5, а) свободно проходит через первый элемент И 11 (см. фиг.5, б) и элемент ИЛИ (см. фиг.5, г) на вход первого формирователя импульсов 14. Формирователь 14 по переднему фронту входного сигнала генерирует импульс длительностью Т_след-τ_строб/2 и амплитудой, соответствующей логической единице (см. фиг.5, д). В течение времени действия напряжения логической единицы на выходе первого формирователя импульсов 14 приемник находится в режиме, при котором он нечувствителен к приходу импульсов с выхода АД 10.

Действительно, выходной импульс первого формирователя импульсов 14 (см. фиг.5, д) инвертируется в первом элементе НЕ 21 (см. фиг.5, м) и запирает четвертый 26 и пятый 28 элементы И. Благодаря этому очередной тактовый импульс ГТИ (см. фиг.5, и) не проходит через четвертый элемент И 26 на вход блока управления (см. фиг.5, п). Приемник продолжает анализ ранее выбранного пространственного элемента разложения. Кроме того, первый тактовый импульс, задержанный в первой линии задержки 27 на Т_след-τ_строб/2 (см. фиг.5, р) не проходит через запертый пятый элемент И 28 (см. фиг.5, с) на вход четвертого формирователя импульсов 20. Приемник остается нечувствительным к приему импульсов АД во временном интервале [Т_след-0,5·τ_строб, Т_след]. Напряжение логического нуля на выходе четвертого формирователя импульсов 20 (см. фиг.5, з) запирает второй элемент И 12 (см. фиг.5, в). Напряжение логического нуля на выходе второго формирователя импульсов 15 (см. фиг.5, е) запирает третий 16 (см. фиг.5, ж) и шестой 32 элементы И. Реле 17 находится в состоянии покоя (см. фиг.5, з).

Кроме того, импульс с выхода первого формирователя импульсов 14 (см. фиг.5, д) поступает на управляющий вход блока питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом 2, который изменяет потенциалы на группе электродов таким образом, что однофотонный диссектор становится нечувствительным к приходу фотонов в течение времени наличия напряжения логической «1» на его управляющем входе.

В момент окончания действия импульса на выходе первого формирователя импульсов 14 (см. фиг.5, д) второй формирователь импульсов 15 генерирует импульс длительностью τ_строб (см. фиг.5 е). Приемник переходит в режим проверки причины срабатывания АД 10 на предшествующем интервале [0, Т_след-0,5·τ_строб].

Действительно, выходной импульс второго формирователя импульсов 15 (см. фиг.5, е) инвертируется во втором элементе НЕ 22 (см. фиг.5, н) и запирает четвертый 26 и пятый 28 элементы И. Благодаря этому на выходах третьего (см. фиг.5, к) и четвертого (см. фиг.5, л) формирователей импульсов 19 и 20 действуют напряжения логического нуля. Первый (см. фиг.5, б) и второй (см. фиг.5, в) элементы И 11 и 12 заперты. Сигнал с выхода АД 10 (см. фиг.5, а) может зарегистрировать во время действия импульса стробирования с выхода второго формирователя импульсов 15 (см. фиг.5, е) только третий элемент И 16. Заметим, что появление импульса на выходе второго формирователя импульсов 15 в рассматриваемом случае будет эквивалентно ложному срабатыванию, поскольку по условию анализируется «чисто» фоновый пространственный элемент разложения.

По окончании действия импульса стробирования на выходе второго формирователя импульсов 15 и отсутствия ложного срабатывания (приема ОФИ или генерации ИТТ) состояние реле 16 остается неизменным, а его выходное напряжение соответствует уровню логического нуля (см. фиг.5, з). На выходах первого (см. фиг.5, м), второго (см. фиг.5, н) и третьего (см. фиг.5, о) элементов НЕ 21-23 устанавливаются напряжения, соответствующие логической единице. Следовательно, на втором, третьем и четвертом входах четвертого элемента И 26 действуют напряжения, соответствующие логической единице. Поэтому импульс с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ 25 (фиг.5, и) через четвертый элемент И 26 (см. фиг.5, п) поступает на вход блока управления 24. Здесь формируется сигнал для блока развертки 18 на переход к анализу нового пространственного элемента разложения. Сигнал с блока развертки 18, воздействуя на ФОС 8, обеспечивает переход однофотонного диссектора 7 к анализу соседнего пространственного элемента разложения в строке или к новой строке в кадре.

Заметим, что в интервале между моментом окончания действия импульса стробирования и моментом t=2Т_след второй (см. фиг.5, е), третий (см. фиг.5, к) и четвертый (см. фиг.5, л) формирователи импульсов 15, 19 и 20 находятся в состоянии покоя, а их выходные напряжения соответствуют уровню логического нуля. Поэтому появление импульсов на выходе АД не приведет к срабатыванию реле 17.

Действие напряжения, соответствующего логическому нулю на втором входе шестого элемент элемента И 32 исключает запуск генератора синхроимпульсов 29.

Обратимся к фиг.6, где показаны эпюры, поясняющие процессы в однофотонном приемнике при приеме однофотонных импульсов от фона или импульса темнового тока на интервале [Т_след-0,5τ_строб, Т_след].

В момент перехода к анализу нового пространственного элемента разложения на выходах первого (см. фиг.6, м), второго (см. фиг.6, н) и третьего (см. фиг.6, о) элементов НЕ 21-23 действуют напряжения, соответствующие логической единицы. Следовательно, на втором, третьем и четвертом входах четвертого элемента И 26 действуют напряжения, соответствующие логической единице. Поэтому импульс с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ 25 (фиг.6, и) через четвертый элемент И 26 (см. фиг.6, п) поступает на вход блока управления 24. Здесь формируется сигнал для блока развертки 18 на переход к анализу нового пространственного элемента разложения. Сигнал с блока развертки 18, воздействуя на ФОС 8, обеспечивает переход однофотонного диссектора 7 к анализу соседнего пространственного элемента разложения в строке или к новой строке в кадре.

Поскольку для рассматриваемого случая на временном интервале [0, Т_след-0,5τ_строб] однофотонный приемник не регистрирует приход фотонов или появление импульсов темнового тока, то на выходе амплитудного дискриминатора 10 во всем временном интервале [0, Т_след-0,5τ_строб] действует напряжение логического нуля (см. фиг.6, а).

Тактовый импульс ГТИ 25 (см. фиг.6, и), поступая на вход третьего формирователя импульсов ФИ 19 (см. фиг.6, п), приводит к тому, что последний генерирует импульс длительностью Т_след-τ_строб/2 (см. фиг.6, г).

Поскольку на первом входе первого элемента И 11 в интервале [0, Т_след-τ_строб/2] действует напряжение логического нуля (см. фиг.6, б), то напряжение логического нуля будет и на его выходе (на втором входе элемента ИЛИ 13).

Четвертый формирователь импульсов 20 в интервале [0, Т_след-τ_строб/2] находится в состоянии покоя (см. фиг.6, л). Поэтому на втором входе второго элемента И 12 действует напряжение логического нуля. Следовательно, на его выходе также действует напряжение логического нуля.

Поскольку на первом и втором входах элемента ИЛИ 13 действует напряжения логического нуля, то такое же напряжение будет и на его выходе (см. фиг.6, г). Как следствие, первый и второй формирователи импульсов 14 и 15 остаются в состоянии покоя, при котором на их выходах установлены напряжения логического нуля.

Напряжение логического нуля, действующее на входе реле 17 в интервале [0, Т_след-τ_строб/2], не приводит к его срабатыванию в интервале [0, Т_след-τ_строб/2] (см. фиг.6, з).

В интервале [0, Т_след-τ_строб/2] на выходах первого (см. фиг.6, б), второго (см. фиг.6, в) и третьего (см. фиг.6, ж) элементов И 21-23 сохраняются напряжения логического нуля.

Поскольку на двух входах шестого элемента И 32 действуют напряжения логического нуля, то как пятый формирователь импульсов 31, так и генератор синхроимпульсов 29 будут находиться в состоянии покоя.

В момент времени t=Т_след-τ_строб/2 тактовый импульс ГТИ 25 (см. фиг.6, и), задержанный в первой линии задержки 27 на время Т_след-τ_строб/2 (см. фиг.6, и) поступает на первый вход пятого элемента И 28. Поскольку на его втором (см. фиг.6, м) и третьем (см. фиг.6, н) входах действуют напряжения логической единицы, то тактовый импульс проходит на вход четвертого формирователя импульсов 20 (см. фиг.6, с). Формирователь 20 в момент t=Т_след-τ_строб/2 генерирует импульс длительностью τ_строб/2. В течение действия импульса приемник чувствителен к приходу ОФИ или ИТТ.

Появившийся импульс на выходе АД 10 (см. фиг.6, а) в рассматриваемом временном интервале [Т_след-0,5·τ_строб, Т_след] через открытый второй элемент И 12 (см. фиг.6, б) и элемент ИЛИ (см. фиг.6, г) поступает на вход первого формирователя импульсов 14. Формирователь 14 по переднему фронту входного сигнала генерирует импульс длительностью Т_след-τ_строб/2 и амплитудой, соответствующей логической единице (см. фиг.6, д). В течение времени действия напряжения логической единицы на выходе первого формирователя импульсов 14 приемник находится в режиме, при котором он нечувствителен к приходу импульсов с выхода АД 10.

Действительно, выходной импульс первого формирователя импульсов 14 (см. фиг.6, д) инвертируется в первом элементе НЕ 21 (см. фиг.6, м) и запирает четвертый элемент И 26. Благодаря этому очередной тактовый импульс ГТИ (см. фиг.6, и) не проходит через четвертый элемент И 26 на вход блока управления (см. фиг.6, п). Приемник продолжает анализ ранее выбранного пространственного элемента разложения.

Кроме того, импульс с выхода первого формирователя импульсов 14 (см. фиг.6, д) поступает на управляющий вход блока питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом 2, который изменяет потенциалы на группе электродов таким образом, что однофотонный диссектор становится нечувствительным к приходу фотонов в течение времени наличия напряжения логической единицы «1» на его управляющем входе. Поэтому во время действия напряжения логической единицы на выходе первого формирователя импульсов 14 срабатывание АД 10 исключено (см. фиг.6, а). Реле 17 находится в состоянии покоя (см. фиг.6, з).

В момент окончания действия импульса на выходе первого формирователя импульсов 14 (см. фиг.6, д) второй формирователь импульсов 15 генерирует импульс длительностью τ_строб (см. фиг.6, е). Приемник переходит в режим проверки причины срабатывания АД 10 на предшествующем временном интервале [Т_след-0,5·τ_строб, Т_след].

Действительно, выходной импульс второго формирователя импульсов 15 (см. фиг.6, е) инвертируется во втором элементе НЕ 22 (см. фиг.6, н) и запирает четвертый 26 и пятый 28 элементы И. Благодаря этому на выходах третьего (см. фиг.6, к) и четвертого (см. фиг.6, л) формирователей импульсов 19 и 20 действуют напряжения логического нуля. Первый (см. фиг.6, б) и второй (см. фиг.6, в) элементы И 11 и 12 заперты. Сигнал с выхода АД 10 (см. фиг.6, а) может зарегистрировать во время действия импульса стробирования с выхода второго формирователя импульсов 15 (см. фиг.6, е) только третий элемент И 16. Заметим, что появление импульса на выходе второго формирователя импульсов 15 в рассматриваемом случае будет эквивалентно ложному срабатыванию, поскольку по условию анализируется «чисто» фоновый пространственный элемент разложения.

По окончании действия импульса стробирования на выходе второго формирователя импульсов 15 и отсутствия ложного срабатывания (приема ОФИ или генерации ИТТ) состояние реле 16 остается неизменным, а его выходное напряжение соответствует уровню логического нуля (см. фиг.6, з). На выходах первого (см. фиг.6, м), второго (см. фиг.6, н) и третьего (см. фиг.6, о) элементов НЕ 21-23 устанавливаются напряжения, соответствующие логической единице. Следовательно, на втором, третьем и четвертом входах четвертого элемента И 26 действуют напряжения, соответствующие логической единице. Поэтому импульс с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ 25 (фиг.6, и) через четвертый элемент И 26 (см. фиг.6, п) поступает на вход блока управления 24. Здесь формируется сигнал для блока развертки 18 на переход к анализу нового пространственного элемента разложения. Сигнал с блока развертки 18, воздействуя на ФОС 8, обеспечивает переход однофотонного диссектора 7 к анализу соседнего пространственного элемента разложения в строке или к новой строке в кадре.

Заметим, что в интервале между моментом окончания действия импульса стробирования и моментом t=3Т_след второй (см. фиг.6, е), третий (см. фиг.6, к) и четвертый (см. фиг.6, л) формирователи импульсов 15, 19 и 20 находятся в состоянии покоя, а их выходные напряжения соответствуют уровню логического нуля. Поэтому появление импульсов на выходе АД не приведет к срабатыванию реле 17.

Действие напряжения, соответствующего логическому нулю, на втором входе шестого элемент элемента И 32 исключает запуск генератора синхроимпульсов 29.

Обратимся к фиг.7, где представлены временные зависимости, поясняющие процессы в однофотонном приемнике при приеме однофотонных импульсов во время действия на однофотонный приемник оптического импульсного сигналов в интервале [0, Т_след-0,5τ_строб].

Временные расположения оптических импульсных сигналов выделены штриховой линией на фиг.7, а. На приемном конце известен период следования оптических импульсов Т_след, но неизвестны моменты их появления.

В момент перехода к анализу нового пространственного элемента разложения на выходах первого (см. фиг.7, м), второго (см. фиг.7, н) и третьего (см. фиг.7, о) элементов НЕ 21-23 действуют напряжения, соответствующие логической единицы. Следовательно, на втором, третьем и четвертом входах четвертого элемента И 26 действуют напряжения, соответствующие логической единице. Поэтому импульс с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ 25 (фиг.7, и) через четвертый элемент И 26 (см. фиг.7, п) поступает на вход блока управления 24. Здесь формируется сигнал для блока развертки 18 на переход к анализу нового пространственного элемента разложения. Сигнал с блока развертки 18, воздействуя на ФОС 8, обеспечивает переход однофотонного диссектора 7 к анализу соседнего пространственного элемента разложения в строке или к новой строке в кадре.

Поскольку для рассматриваемого случая на временном интервале [0, Т_след-0,5τ_строб] однофотонный приемник регистрирует приход фотонов или появление импульсов темнового тока, то на выходе амплитудного дискриминатора 10 появляется импульс с амплитудой, соответствующей напряжению логической единицы во временном интервале, соответствующему приему оптического импульсного сигнала (см. фиг.7, а). Считается, что до момента приема оптического импульсного сигнала отсутствует срабатывание АД 10 на прием фонового ОФИ или ИТТ.

Тактовый импульс ГТИ 25 (см. фиг.7, и), поступая на вход третьего формирователя импульсов ФИ3 19 (см. фиг.7, п), приводит к тому, что последний генерирует импульс длительностью Т_след-τ_строб/2 (см. фиг.7, к).

Поскольку на втором входе первого элемента И 11 в интервале [0, Т_след-τ_строб/2] действует напряжение логической единицы (см. фиг.7, к), то импульс с выхода АД (см. фиг.7, а) свободно проходит через первый элемент И 11 (см. фиг.7, б) и элемент ИЛИ (см. фиг.7, г) на вход первого формирователя импульсов 14. Формирователь 14 по переднему фронту входного сигнала генерирует импульс длительностью Т_след-τ_строб/2 и амплитудой, соответствующей логической единице (см. фиг.7, д). В течение времени действия напряжения логической единицы на выходе первого формирователя импульсов 14 приемник находится в режиме, при котором он нечувствителен к приходу импульсов с выхода АД 10.

Действительно, выходной импульс первого формирователя импульсов 14 (см. фиг.7, д) инвертируется в первом элементе НЕ 21 (см. фиг.7, м) и запирает четвертый 26 и пятый 28 элементы И. Благодаря этому очередной тактовый импульс ГТИ (см. фиг.7, и) не проходит через четвертый элемент И 26 на вход блока управления (см. фиг.7, п). Приемник продолжает анализ ранее выбранного пространственного элемента разложения. Кроме того, первый тактовый импульс, задержанный в первой линии задержки 27 на Т_след-τ_строб/2 (см. фиг.7, р) не проходит через запертый пятый элемент И 28 (см. фиг.7, с) на вход четвертого формирователя импульсов 20. Приемник остается нечувствительным к приему импульсов АД во временном интервале [Т_след-0,5·τ_строб, Т_след]. Напряжение логического нуля на выходе четвертого формирователя импульсов 20 (см. фиг.7, з) запирает второй элемент И 12 (см. фиг.7, в). Напряжение логического нуля на выходе второго формирователя импульсов 15 (см. фиг.7, е) запирает третий 16 (см. фиг.7, ж) и шестой 32 элементы И. Реле 17 находится в состоянии покоя (см. фиг.7, з).

Кроме того, импульс с выхода первого формирователя импульсов 14 (см. фиг.7, д) поступает на управляющий вход блока питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом 2, который изменяет потенциалы на группе электродов таким образом, что однофотонный диссектор становится нечувствительным к приходу фотонов в течение времени наличия напряжения логической «1» на его управляющем входе.

В момент окончания действия импульса на выходе первого формирователя импульсов 14 (см. фиг.7, д) второй формирователь импульсов 15 генерирует импульс длительностью τ_строб (см. фиг.7, е). Приемник переходит в режим анализа причины срабатывания АД 10 на предшествующем интервале [0, Т_след-0,5·τ_строб].

Действительно, выходной импульс второго формирователя импульсов 15 (см. фиг.7, е) инвертируется во втором элементе НЕ 22 (см. фиг.7, н) и запирает четвертый 26 и пятый 28 элементы И. Благодаря этому на выходах третьего (см. фиг.7, к) и четвертого (см. фиг.7, л) формирователей импульсов 19 и 20 действуют напряжения логического нуля. Первый (см. фиг.7, б) и второй (см. фиг.7, в) элементы И 11 и 12 заперты. Сигнал с выхода АД 10 (см. фиг.7, а) может зарегистрировать во время действия импульса стробирования с выхода второго формирователя импульсов 15 (см. фиг.7, е) только третий элемент И 16.

Заметим, что длительность импульса стробирования с выхода второго формирователя импульсов 15 (см. фиг.7, е) выбрана такой, чтобы оптический импульсный сигнал действовал во время стробирования.

Следовательно, импульс с выхода АД 10 (см. фиг.7, а) во время стробирования (см. фиг.7, е) через третий элемент И 16 (см. фиг.7, ж) поступит на вход реле 17. Срабатывание реле 17 (см. фиг.7, з) указывает на обнаружение источника оптических импульсных сигналов.

На выходе третьего элемента НЕ 23 (см. фиг.7, о) устанавливается напряжение, соответствующее логического нулю. Следовательно, на втором входе четвертого элемента И 26 действует напряжение, соответствующее логическому нулю. Поэтому импульс с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ 25 (фиг.7, и) не может через четвертый элемент И 26 (см. фиг.7, п) поступить на вход блока управления 24, исключая тем самым переход однофотонного диссектора 7 к анализу соседнего пространственного элемента разложения в строке или к новой строке в кадре.

Кроме того, импульсы с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ 25 (фиг.7, и) больше не поступают на выход четвертый элемент И 26. Как следствие, третий и четвертый формирователи импульсов 19 и 20 находятся в состоянии покоя, исключая запуск первого и второго формирователей импульсов 14 и 15.

Действие напряжения, соответствующего логической единицы на втором входе шестого элемент элемента И 32 (см. фиг.7, з) приводит к появления на его выходе импульса (см. фиг.7, т), длительность которого определяется временным интервалом между моментом срабатывания АД 10 (см. фиг.7, а) и моментом окончания действия импульса стробирования с выхода второго формирователи импульсов 15 (см. фиг.7, е). Заметим, что момент появления выходного импульса случаен, а вот момент его окончания задается импульсом стробирования с выхода второго формирователи импульсов 15 и используется для уменьшения временной неопределенности приема импульсных сигналов.

По заднему фронту импульса с выхода второго формирователи импульсов 15 (см. фиг.7, е) пятый формирователь импульса 31 генерирует короткий импульс запуска (см. фиг.7, у) для генератора синхроимпульсов 29.

Вторая линия задержки 30 с временем задержки в Т_след-τ_строб задает момент начала генерации синхроимпульсов генератором 29 (см. фиг.7, ф).

Генератор синхроимпульсов 29 формирует тактовые синхроимпульсы длительностью τ_строб и периодом следования Т_след. Во время действия синхроимпульса генератора 29 на входе однофотонного приемника всегда будет присутствовать оптический импульсный сигнал.

Одной из современных тенденций развития систем поиска, обнаружения и сопровождения источников оптического излучения является выполнение их в цифровом виде. Применение диссектора позволяет организовать дискретную развертку в пределах строки. Аналогично может быть реализована развертка по кадру. Дискретное построчное сканирование контролируемого поля (пространства) иллюстрируется фиг.8.

При реверсивном построчном сканировании приемный телескоп 3 в контролируемом поле с линейными углами β×Θ выделяет ряд кадров, в пределах которых обзор осуществляется построчно (фиг.8, а). Строка сканируется дискретно элементом разложения квадратной формы с угловым размером α. Угловой размер кадра γ соответствует углу поля зрения приемного телескопа 3. В частном случае при γ=Θ в поле выделяется липа один кадр.

В отличие от прогрессивного растрового сканирования поля (фиг.8, б) реверсивное растровое сканирование (фиг.8, а) предполагает встречный просмотр пространства в двух соседних строках кадра.

Применение цифрового блока развертки 18 диссектора 7 позволяет добиться высокой стабильности и точности сканирования контролируемого пространства.

Временные зависимости на фиг.9 показывают процессы формирования управляющих сигналов в блоке развертки для последовательного сканирования 8-ми элементов разложения в строке (фиг.9, в) и строк в кадре при растровом сканировании (см. фиг.9, г). Здесь управляющими сигналами выступают тактовые импульсы генератора ГТИ (см. фиг.9, а). На фиг.9, б даны эпюры напряжения на выходе четвертого элемента И 26.

Здесь рассматривается случай, когда при сканировании первой «фоновой» строки в третьем и седьмом элементах разложения произошло ложное срабатывание на временном интервале [0, Т_след-0,5τ_строб], а в пятом элементе разложения - во временном интервале [Т_след-0,5·τ_строб, Т_след]. Поэтому время на анализ первого, второго, четвертого шестого и восьмого элементов разложения потребуется по Т_след, на анализ третьего и седьмого элементов разложения - по 2Т_след, а на анализ пятого элементов разложения - 3Т_след (см. фиг.9, в). Следовательно, время на анализ первой «фоновой» строки составит 12Т_след (см. фиг.9, г).

При сканировании второй «фоновой» строки во втором, третьем и седьмом элементах разложения произошло ложное срабатывание на временном интервале [0, Т_след-0,5·τ_строб]. Поэтому время на анализ этих потребуется по 2Т_след (см. фиг.9, в). Следовательно, время на анализ второй строки составит 11Т_след (см. фиг.9, г).

Видно, что как время анализ элементов разложения в строке, так и строк в кадре является случайной величиной.

Временные зависимости на фиг.10 показывают процессы формирования управляющих сигналов в блоке развертки для последовательного сканирования 8-ми элементов разложения в строке (фиг.10, в) и строк в кадре при реверсивном растровом сканировании (фиг.10, г). Здесь управляющими сигналами выступают тактовые импульсы генератора ГТИ (фиг.10, а). На фиг.10, б даны эпюры напряжения на выходе четвертого элемента И 26.

Докажем причинно-следственную связь между ожидаемым техническим результатом и признаками заявляемого технического решения.

Принимаемое оптическое излучение преобразуется фотокатодом однофотонного диссектора (ОФД) в поток первичных электронов или фотоэлектронов (ФЭ). Использование электронной умножительной (динодной) системы в диссекторе позволяет получить отклик в виде ОФИ на каждый сгенерированный фотоэлектрон. Амплитуда ОФИ в однофотонном диссекторе значительно превышает уровень тепловых шумов их нагрузки.

Форма ОФИ (изменение напряжения) на нагрузочном сопротивлении R_н однофотонного диссектора, имеющего N_д идентичных каскадов умножения (динодов) и коэффициент умножения G_ОФД, описывается гамма-функцией

где τ_д - время пролета электронами между двумя соседними динодами.

Амплитуда ОФИ равна

где е_эл=1,6·10^-19 Кл - заряд электрона.

Время пролета τ_д связано с полосой пропускания однофотонного диссектора П_ОФД по уровню 0,707 соотношением

где коэффициент b_ОФД изменяется в пределах от 0,048 до 0,036 для ОФЭУ и однофотонных диссекторов с числом динодов соответственно от 8 до 14.

Пространственно-временной поиск с выделением временного момента прихода оптических импульсов основан на том, что на приемном конце поискового комплекса известен период следования оптических сигналов Т_след. В течение времени фиксируется момент t_АД первого превышения порогового уровня U_АД амплитудного дискриминатора (см. фиг.5 - фиг.7), анализ причины которого производится в последующем интервале .

Превышение процессом с выхода ОФЭП уровня амплитудной дискриминации U_АД в момент времени переводит аппаратуру в ждущий режим, при котором канал однофотонной регистрации не реагирует на поток фотоэлектронов в течение времени Т_след-τ_строб/2 от момента генерации первого ФЭ t_ФЭ.

Повторный опрос канала однофотонной регистрации производится во временном интервале $$\lfloor t_{строб1},t_{строб2}\rfloor$$ .

Здесь t_строб1=t_АД+Т_след-7·τ_д-11,6·U_АД.нτ_д-τ_имп соответствует моменту начала действия, t_строб2=t_АД+Т_след-7·τ_д+τ_имп - моменту окончания действия импульса стробирования во время повторного обследования, U_АД.н=U_АД/U_ОФИm - нормированный относительно амплитуды ОФИ (2) уровень амплитудной дискриминации.

Следовательно, повторный опрос канала однофотонной регистрации производится в интервале

Пусть коэффициент k_след определяет отношение периода следования оптических импульсов Т_след и длительности прямоугольного оптического импульса τ_имп

коэффициент k_Т определяет отношение нестабильности периода следования оптических импульсов ΔТ_след к периоду следования оптических импульсов Т_след

а параметр α представляет произведение полосы на длительность прямоугольного оптического импульса τ_имп

Тогда длительность импульса стробирования для задания временного интервала повторного опроса канала однофотонной регистрации составляет

Если во временном интервале (4) произошло повторное превышение порогового уровня амплитудной дискриминации U_АД, то принимается решение о приеме полезного излучения в анализируемом пространственном элементе разложения и во время действия импульса стробирования.

В противном случае выносится решение об отсутствии излучения источника, и, достигнув момента времени, кратного периоду следования оптических импульсов Т_след, производится переход к обзору следующего пространственного элемента разложения в контролируемом пространстве. Такое же решение выносится и тогда, когда отсутствует превышение порогового уровня амплитудной дискриминации за время .

К основным характеристикам аппаратуры пространственно-временного поиска импульсных сигналов в режиме регистрации однофотонных импульсов следует в первую очередь отнести вероятность ложных тревог Р_лт, вероятность правильного обнаружения источника полезного оптического излучения Р_обн и среднее время наблюдения фонового пространственного элемента разложения $${\overline{\tau }}_{эл}$$ .

Вероятность ложных тревог при условии приема только фонового излучения (гипотеза Н₀) определяется вероятностью отсутствия фонового фотоэлектрона или ИТТ на временном интервале , а также вероятностью регистрации хотя бы одного (n≥1) фонового фотоэлектрона или ИТТ на временном интервале .

В формуле (9) через обозначена условная вероятность того, что при повторном обследовании не будет зарегистрировано ни одного фонового фотоэлектрона или ИТТ во время стробирования фотокатода ОФЭП.

Пусть ξ_фон - частота (скорость) генерации фоновых фотоэлектронов, а ξ_ИТТ - частота генерации ИТТ после амплитудной дискриминации. Как однофотонные импульсы фонового излучения, так и импульсы темнового тока ОФЭП являются шумовым (мешающим) воздействием. Поэтому вводится понятие частоты генерации шумовых импульсов, значение которой рассчитывается по формуле

Тогда за время измерения (анализа) τ_изм будет в среднем генерироваться $${\overline{n}}_{ш}={\xi }_{ш}\cdot {\tau }_{изм}$$ шумовых импульсов.

Для описания статистических свойств потока шумовых импульсов используется закон Пуассона, при котором вероятность генерации равно n шумовых импульсов равна

.

В случае пуассоновского потока шумовых импульсов с частотой генерации ξ_ш, выражение (9) преобразуется к виду

где $${\overline{n}}_{ш.след}={\xi }_{ш}\cdot {Т}_{след}$$ - число шумовых импульсов, генерируемых за период следования оптических импульсов Т_след;

$${\overline{n}}_{ш.строб}={\xi }_{ш}\cdot {\tau }_{строб}$$ - среднее число шумовых импульсов, генерируемых за длительность импульса стробирования τ_строб.

Из формул (8) и (11) видно, что для снижения вероятности ложных тревог следует генерировать оптические импульсы наносекундной и пикосекундной длительности, предъявляя жесткие требования к стабильности частоты следования последних.

Из выражений (8) и (11) следует, что вероятность ложных тревог зависит от длительности τ_имп и периода следования Т_след прямоугольного оптического импульса, нестабильности периода следования ΔТ_след оптических импульсов, параметров однофотонного фотоэмиссионного прибора (числа динодов N_д, полосы пропускания ОФЭП П_ОФЭП по уровню 0,707), порогового уровня амплитудной дискриминации U_АД, частоты генерации шумовых импульсов ξ_ш.

Тогда вероятность ложных тревог может быть рассчитана по формуле

Вероятность правильного обнаружения полезного излучения может быть рассчитана по формуле

В формуле (13) первый сомножитель определяет усредненную вероятность отсутствия регистрации шумового импульса до момента появления оптического импульса. Эта вероятность зависит только от свойств фонового излучения и темнового тока ОФЭП, но не зависит от энергии сигнала.

Сомножитель $${\left[1-\exp (-{\overline{n}}_c)\right]}^2$$ в формуле (13) определяется произведением вероятности срабатываний АД во время действия оптического импульса на интервале на интервале на вероятность срабатывания АД во время действия импульса стробирования. Этот сомножитель зависит от энергии (среднего числа ОФИ $${\overline{n}}_c$$ ) полезного излучения в импульсе.

Результаты расчета по (13) показывают, что для обеспечения неравенство Р_обн>90% среднее число ОФИ полезного излучения в импульсе должно превышать 3 $$\left({\overline{n}}_c\ge 3\right)$$ , а среднее число шумовых импульсов, генерируемых за период следования оптических импульсов Т_след должно менее 0,2 $$\left({\overline{n}}_{ш.след}<\mathrm{0,2}\right)$$ . При этом среднее число шумовых импульсов, генерируемых за длительность импульса стробирования $${\overline{n}}_{ш.строб}$$ должно удовлетворять условию $${\overline{n}}_{ш.строб}<<{\overline{n}}_{ш.след}$$ .

К временным характеристикам аппаратуры пространственно-временного поиска импульсных сигналов в режиме регистрации однофотонных импульсов следует в первую очередь отнести среднее время наблюдения фонового пространственного элемента разложения.

Для описанного алгоритма пространственно-временного поиска источника оптического излучения при приеме фонового излучения интервал наблюдения элемента разложения равен

- периоду Т_след при отсутствии превышения уровня дискриминации на интервале ;

- двум периодам 2Т_след при регистрации ОФИ или ИТТ на интервале , но не подтверждении факта регистрации ОФИ полезного излучения при повторном анализе;

- трем периодам 3Т_след при отсутствии регистрации ОФИ или ИТТ на интервале , регистрации хотя бы одного ОФИ или ИТТ на интервале ,но отсутствие регистрации во время повторного анализа.

Вероятность завершения наблюдения пространственного элемента разложения за время Т_след равна вероятности отсутствия генерации шумовых импульсов за период следования оптических импульсов. Для пуассоновского процесса эта вероятность равна $$\exp (-{\overline{n}}_{ш.след})$$ .

Для завершения наблюдения элемента разложения за время 2·Т_след должно произойти два последовательных события. Во-первых, за время должен появиться хотя бы один шумовой импульс на выходе ОФЭП. Вероятность этого события определяется формулой $$1-\exp (-{\overline{n}}_{ш.след}+\mathrm{0,5}{\overline{n}}_{ш.строб})$$ . Второе событие предполагает отсутствие появления шумовых импульсов на выходе ОФЭП во время действия импульса стробирования. Вероятность второго события определяется формулой $$\exp (-{\overline{n}}_{ш.строб})$$ .

Для завершения наблюдения элемента разложения за время 3Т_след должно произойти три последовательных события. Во-первых, за время не должно появиться ни одного шумового импульса на выходе ОФЭП. Вероятность этого события определяется формулой $$\exp (-{\overline{n}}_{ш.след}+\mathrm{0,5}{\overline{n}}_{ш.строб})$$ .

Второе событие предполагает генерацию хотя бы одного шумового импульса на выходе ОФЭП за время и определяется вероятностью $$1-\exp (-\mathrm{0,5}{\overline{n}}_{ш.строб})$$ .

Третье событие предполагает отсутствие шумовых импульсов во время действия импульса стробирования. Вероятность третьего события определяется формулой $$\exp (-{\overline{n}}_{ш.строб})$$ .

Нормированное относительно периода следования оптических импульсов Т_след среднее время наблюдения фонового пространственного элемента разложения

Таким образом, соотношения (1)-(14) позволяют провести расчет основных характеристик аппаратуры пространственно-временного поиска импульсных сигналов в режиме регистрации однофотонных импульсов.

Оценим эффективность предлагаемого изобретения с позиций снижения вероятности ложных срабатываний.

В предлагаемом изобретении превышение процессом с выхода однофотонного диссектора уровня амплитудной дискриминации U_АД в момент времени переводит аппаратуру в ждущий режим, при котором весь канал однофотонной регистрации не реагировать на поток фотоэлектронов в течение времени Т_след-τ_строб/2 от момента формирования импульса на выходе АД. На время действия ждущего режима однофотонный диссектор и электронная часть поисковой аппаратуры отключены.

Поскольку однофотонный диссектор не чувствителен к приему ФЭ в течение ждущего режима, то на его выходе не могут появляться ОФИ фонового излучения.

Анализ показал, что полного запирания однофотонного диссектора практически реализовать не удается. Поэтому на выходе ОФЭП могут появляться ИТТ. Однако благодаря запиранию электронной части поисковой аппаратуры срабатываний АД не происходит.

Следовательно, при реализации изобретения расчет вероятности ложных тревог может быть проведен по формулам (8) и (11).

В прототипе на время действия ждущего режима будет отключена и вся электронная часть поисковой аппаратуры. Пусть в момент сгенерирован первый фоновый ФЭ, который вызывает в момент t_АД срабатывание АД. В течение ждущего режима действует запрет на срабатывание АД.

Следует помнить, что поскольку ОФЭП в прототипе работает в обычном режиме, то на его выходе в течение ждущего режима могут формироваться фоновые ОФИ и ИТТ (фиг.11).

Из фиг.11 видно, что импульс темнового тока ИТТ, а также фоновые ОФИ под номерами 2 и 3 не приведут к срабатыванию АД. А вот фоновый ОФИ под номером 4 напротив вызовет ложное срабатывание, поскольку напряжение на входе АД в момент подачи импульса стробирования на электронную часть поисковой аппаратуры t_строб1 равен уровню амплитудной дискриминации U_АД.

Следовательно, при расчете вероятности ложных тревог следует учитывать вероятность приема ФЭ во временном интервале $$\lfloor t_{строб1}-\Delta \tau ,t_{строб2}\rfloor$$ , а не как в изобретении $$\lfloor t_{строб1},t_{строб2}\rfloor$$ . Здесь величина

определяет временной интервал между моментом появления ФЭ и моментом достижения задним фронтом ОФИ фонового излучения уровню амплитудной дискриминации U_АД.

Вероятность ложных тревог при условии приема только фонового излучения в прототипе может быть рассчитана по формуле (11) при значении длительности импульса стробирования

Зависимости вероятности ложных тревог Р_лт, рассчитанные по формулам (16) и (17) прототипа, по формулам (8) и (12) для изобретения, от среднего числа шумовых импульсов за период следования оптических импульсов $${\overline{n}}_{ш.след}$$ при k_Т=0, α=1, N_д=14 и U_АД.н=0,5 для трех значений k_след представлены на фиг.12.

Видно, что реализация изобретения по сравнению с реализацией прототипа дает значительное снижение (выигрыш) вероятности ложных тревог. Выигрыш при изменении среднего числа шумовых импульсов за период следования оптических импульсов $${\overline{n}}_{ш.след}$$ в пределах менее 0,1 превышает 30% при использовании ОФЭП с широкой полосой пропускания.

Зависимости на фиг.13 показывают, что выигрыш от реализации изобретения по сравнению с реализацией прототипа превышает 2,7 раза при k_след>10 и использовании инерционного ОФЭП с параметрами α<0,1 и $${\overline{n}}_{ш.след}=\mathrm{0,1}$$ .

Таким образом, доказана эффективность реализации изобретения с позиций снижения вероятности ложных срабатываний.

Оценим увеличение вероятности правильного обнаружения Р_обн (снижение вероятности пропуска Р_пр=1-Р_обн) сигнала в предлагаемом техническом решении по сравнению с прототипом.

В прототипе не учтена возможность начала обзора пространственного элемента, когда оптический импульс уже присутствует на входе ОФЭП (фиг.14).

Пусть принимаются оптические импульсы длительностью τ_имп и периодом следования Т_след. Причем момент окончания оптического импульса соответствует моменту t_к. Пусть k_след=Т_след/τ_имп - период следования Т_след, нормированный относительно длительности τ_имп оптических импульсов.

Рассмотрим случай (фиг.14), когда момент окончания оптического импульса t_к попадает во временной интервал [0, τ_имп], т.е. t_к∈[0, τ_имп]. Тогда во временном интервале [0, t_к] могут приниматься фотоны первого, а во временном интервале $$\lfloor {Т}_{след}-{\tau }_{имп}+t_{к},{Т}_{след}\rfloor$$ - второго оптического импульса. Суммарно фотоны полезного излучения могут приниматься в течение времени, равном длительности оптического импульса τ_имп.

Из фиг.15 следует, что в рассматриваемом случае часть оптического импульса во время повторного просмотра элемента не будет анализироваться. Это, естественно, приведет к снижению вероятности правильного обнаружения.

В прототипе вероятность обнаружения полезного излучения рассчитывается по формуле

Напомним, что для предлагаемого технического решения (ТР)

Выигрыш в снижении вероятности пропуска сигнала Р_пр=1-Р_обн может быть оценен формулой

Расчет по формулам (17)-(19) показывает выигрыш в снижении вероятности пропуска сигнала на 6% при $${\overline{n}}_c=5$$ и k_след=5. Естественно, что выигрыш снижается с ростом значения параметра k_след, составляя всего 3% при k_след=10 и менее 1% при k_след=50.

Оценивая эффективность предлагаемого алгоритма пространственно-временного поиска импульсных сигналов в режиме регистрации однофотонных импульсов, необходимо оценить увеличение среднего времени анализа элемента разложения по сравнению с прототипом.

Функциональные элементы устройства регистрации (см. фиг.1) удовлетворяют критерию промышленного применения.

Существует несколько основных типов телескопов: Кеплера, Галилея, Ньютона и Грегори. Наибольшее распространение в оптических системах связи получили зеркальные антенны типа Кассегрена.

Существующие однофотонные диссекторы отличается высоким быстродействием, мгновенной готовностью к работе, возможностью применения любого алгоритма сканирования, простотой эксплуатации, большим сроком службы и высокой надежностью. Диссекторы обладают высокой механической прочностью, устойчивостью к вибрациям, к воздействию повышенных (до +70°C) и низких (от -60°C) температур, а также к повышенной влажности и солености.

Фокусирующая и отклоняющая система для однофотонного диссектора представляет фокусирующую катушку и две отклоняющие катушки соответственно по осям X (в горизонтальной плоскости) и Y (в вертикальной плоскости). В качестве ФОС для диссектора ЛИ-607 могут быть использованы системы ФОС-120 или ФОС-46-Д. Отклоняющая система ФОС-120 с индуктивностью 50 мГн и сопротивлением катушек 50 Ом обеспечивает величину максимальной кадровой частоты 5 Гц, а тактовой - 327 кГц. Стабильность тока отклонения в диапазоне температур -40…+40°C составляет 0,25%. Потребляемая мощность - 800 мВт. Отклоняющая система ФОС-46-Д с индуктивностью 60 мГн и сопротивлением катушек 60 Ом при тактовой частоте 1280 кГц и частоте кадров 19,5 Гц показала, что стабильность токов отклонения в диапазоне температур -40…+40°C составляет 0,1%.

Описания конкретных схем блоков питания динодов умножительной системы ОФЭП с постоянными и регулируемыми потенциалами даются в статьях журнала «Приборы и техника эксперимента (ПТЭ)». Так, например применение биполярных управляющих сигналов позволяет за время 100 не изменить коэффициент умножения ОФЭП на два порядка [ПТЭ. - 1977. - №2. - С.174-175 или ПТЭ. - 1975. - №3. - С.196-198]. Схема стробирования, описанная в [ПТЭ. - 1978. - №1. - С.163-164], основана на переключении двух соседних динодов из встречного включения в нормальное. Описанная в [ПТЭ. - 1983. - №11. - С.14-73] схема обеспечивала изменение усиления ФЭП в 10000 раз при времени запирания 20 не и времени отпирания 50 не.

Реализацию блока развертки в цифровой форме можно найти в [ПТЭ. - 1981. - №2. - С.135-136].

Описание схемных решений АД можно найти в [ПТЭ. - 1987. - №4. - C.112-114] с временным разрешением 40 и 400 не, в [Приборы для научных исследований. - 1987. - №10. - С.46-52] с рабочей частотой, превышающей 50 МГц.

Вся цифровая часть, включая формирователь импульсов, линии задержки, логические элементы и прочие узлы, могут быть реализованы на ТТЛ-логике.

Таким образом, доказана практическая реализуемость узлов на отечественной и зарубежной элементной базе.

Изобретение относится к области приема оптических сигналов и касается однофотонного приемника для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов. Приемник включает в себя диссектор с фокусирующе-отклоняющей системой и динодной умножительной системой, блок питания динодов с регулируемым потенциалом, блок управления, блок развертки, импульсный усилитель, импульсный дискриминатор, формирователи импульсов, генераторы тактовых и синхроимпульсов, реле и логические элементы. Кроме того, приемник содержит приемный телескоп с блоком управления и светофильтр. Технический результат заключается в увеличении вероятности правильного обнаружения сигнала, снижении времени поиска и уменьшении временной неопределенности приема импульсных сигналов. 15 ил.

Однофотонный приемник для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов, содержащий однофотонный диссектор с фокусирующе-отклоняющей системой и динодной умножительной системой, блок питания динодов умножительной системы с фиксированным потенциалом, выход однофотонного диссектора через импульсный усилитель подключен к входу амплитудного дискриминатора, а также первый, второй и третий элементы И, первый элемент НЕ, первый и второй формирователи импульсов, генератор тактовых импульсов и блок развертки, причем выход блока развертки подключен к управляющему входу фокусирующе-отклоняющей системы однофотонного диссектора, отличающийся тем, что в нем диноды умножительной системы однофотонного диссектора разделены на электроды с фиксированным и регулируемым потенциалом, а также тем, что в него введены блок питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом, приемный телескоп, блок управления телескопом, светофильтр, элемент ИЛИ, третий, четвертый и пятый формирователи импульса, второй и третий элементы НЕ, реле, четвертый, пятый и шестой элементы И, первая и вторая линии задержки, блок управления и генератор синхроимпульсов, причем оптический вход приемника является оптическим входом приемного телескопа, в фокальной плоскости которого установлен однофотонный диссектор, причем между приемным телескопом и однофотонным диссектором включен светофильтр, причем выход блока питания динодов умножительной системы с фиксированным потенциалом подключен к электродам однофотонного диссектора с фиксированным потенциалом, выход блока питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом подключен к электродам однофотонного диссектора с регулируемым потенциалом, управляющий вход блока управления телескопом соединен с вторым выходом блока управления, первый выход которого подключен к входу блока развертки, выход амплитудного дискриминатора объединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, причем выход генератора тактовых импульсов подключен к первому входу четвертого элемента И, выход которого объединен с входами блока управления, третьего формирователя импульсов и первой линии задержки, выход которой подключен к первому входу пятого элемента И, выход которого через четвертый формирователь импульсов подключен к второму входу второго элемента И, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, причем выход элемента ИЛИ соединен с входом первого формирователя импульсов, выход которого объединен с управляющим входом блока питания динодов умножительной системы с регулируемым потенциалом, входами первого элемента НЕ и второго формирователя импульсов, выход которого объединен с входом второго элемента НЕ, первым входом шестого элемента И и вторым входом третьего элемента И, причем выход третьего элемента И подключен к входу реле, выход первого элемента НЕ объединен с четвертым входом четвертого элемента И и вторым входом пятого элемента И, причем выход второго элемента НЕ объединен с третьими входами четвертого и пятого элементов И, выход третьего формирователя импульса подключен к второму входу первого элемента И, выход третьего элемента НЕ соединен с вторым входом четвертого элемента И, выход реле объединен с входом третьего элемента НЕ и вторым входом шестого элемента И, выход которого через пятый формирователь импульсов и вторую линию задержки подключен к управляющему входу генератора синхроимпульсов, выход которого является выходом приемника.