Устройство определения времени прихода оптического сигнала Российский патент 2018 года по МПК G01S7/295 

Изобретение относится к области пассивной локации и может быть использовано для обнаружения оптических импульсных сигналов на фоне мощной фоновой засветки и для определения времени прихода оптического сигнала на фоне помех.

Известно устройство для определения времени прихода импульсного сигнала с помощью интегрирования и последовательного суммирования с линий задержки (Чудновский B.C., Чудновский Л.С. Измерение времени прихода импульсного сигнала в присутствии аддитивных шумов / Труды Академии управления МВД «Информационно-техническое обеспечение деятельности органов внутренних дел», М.: 1998, с. 154). Данное устройство применимо для сигналов с быстрым фронтовым вступлением типа A(t-t₀)^kη(t-t₀), где А амплитуда; t₀ - время начала процесса; η(t-t₀) - единичная функция; k<1-2 - показатель степени. Относительная погрешность определения времени прихода находится на уровне 0,1-0,2 σ, где: σ - среднеквадратическое значение уровня шума на выходе системы интегрирующий фильтр - суммирование с линий задержки. Недостатком этого устройства является резкое снижение точности определения времени прихода при значениях k>2-3. Устройство включает: интегратор, линии задержки, инверторы и сумматор.

Известно устройство определения времени прихода импульсного сигнала с последующим предельным ограничением (клиппирования) и дальнейшим интегрированием. (Вагин Ю.П., Карпин B.C., Чудновский B.C., Чудновский Л.С. Обратная задача пассивной локации / Тезисы докладов Пятых научных чтений памяти М.К. Тихонравова по военной космонавтике: "Космос и обеспечение безопасности России", т. 2. - М.: 2004, с. 100-103).

Данное устройство эффективно требует широкой полосы регистрации входного сигнала, что приводит к проигрышу в отношения сигнал/шум на выходе системы и увеличению погрешности определения времени прихода. Кроме того, необходимо быстрое фронтовое вступление сигнала для достижения приемлемой точности определения времени прихода. Техническая реализация устройства включает: предельный ограничитель, интегратор, компараторы.

Несмотря на простую техническую реализацию предлагаемых устройств определения времени прихода, они не обеспечивают высокую точность для импульсных сигналов при относительно невысоких отношениях сигнал/шум. Например, в космических системах мониторинга молниевых разрядов предъявляются требования к погрешности среднеквадратического определения физического времени прихода менее 0,5 мкс при соотношении сигнал/шум выше 10.

Наиболее близким техническим решением является устройство для обнаружения сигналов (патент RU №2042149, G01S 7/36, опубл. 20.08.1995), содержащее антенну, модулятор входного сигнала, детектор сигнала, усилитель, фильтр, ключи, индикатор, генератор звуковой частоты, генератор запуска световой индикации, дешифратор, генератор тактовых импульсов, блок порогового сигнала, инвертор.

Недостатком этого устройства является невозможность установки и регулирования порога срабатывания. Все сигналы, в том числе и помехи, превышающие порог чувствительности, в пределах полосы пропускания устройства будет регистрироваться оконечным устройством, т.е. вероятность ложных тревог известного устройства высока.

Технический результат изобретения - повышение точности определения времени сигнала, прошедшего априорно неизвестную трассу распространения и регистрируемого при больших уровнях фоновой засветки.

Технический результат достигается тем, что в устройстве определения времени прихода оптического сигнала, содержащем последовательно соединенные усилитель и первый фильтр, а также содержащем управляемый ключ, блок порогового сигнала, инвертор и первый детектор, в него дополнительно введены фотодиод, одновибратор, решающее устройство, два компаратора, второй детектор, второй фильтр в виде двойного дифференциатора, при этом первый фильтр выполнен низкочастотным, а детекторы выполнены пиковыми положительной и отрицательной полярностей, причем выход фотодиода соединен с входом усилителя, выход усилителя соединен с входом первого фильтра низких частот, выход первого фильтра низких частот соединен с входом двойного дифференциатора, выход двойного дифференциатора подсоединен к первому входу управляемого ключа и входу блока порогового сигнала, выход блока порогового сигнала подключен ко второму входу управляемого ключа, входу одновибратора и входу запуска считывания информации в решающем устройстве, выход управляемого ключа подключен к входам пиковых детекторов и входам компараторов, а выход пикового детектора отрицательной полярности через последовательно соединенный инвертор, выходы компараторов и выход пикового детектора положительной полярности подключены к входам считывания информации решающего устройства, выход одновибратора подсоединен к входу прекращения считывания информации решающего устройства, к входам обнуления показания пиковых детекторов и входу размыкания управляемого ключа.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства определения времени прихода оптического сигнала, где введены следующие обозначения:

1 - фотодиод,

2 - усилитель,

3 - фильтр низких частот (первый фильтр),

4 - двойной дифференциатор (второй фильтр),

5 - блок порогового сигнала,

6 - управляемый ключ,

7 - пиковый детектор положительной полярности,

8 - пиковый детектор отрицательной полярности,

9 - компаратор, срабатывающий на переход напряжения из плюса в минус,

10 - компаратор, срабатывающий на переход напряжения из минуса в плюс,

11 - инвертор,

12 - одновибратор,

13 - решающее устройство.

Устройство имеет следующие функциональные связи (фиг. 1). Выход фотодиода 1 соединен с входом усилителя 2, выход усилителя 2 соединен с входом первого фильтра низких частот 3. Выход первого фильтра низких частот 3 соединен с входом второго фильтра, роль которого выполняет двойной дифференциатор 4. Выход двойного дифференциатора 4 (второго фильтра) подсоединен к входу блока порогового сигнала 5 и первому входу управляемого ключа 6. Выход блока порогового сигнала 5 подключен ко второму входу управляемого ключа 6, к входу одновибратора 12 и входу запуска считывания информации в решающем устройстве 13. Выход управляемого ключа 6 подключен к входам первого и второго пиковых детекторов положительной 7 и отрицательной 8 полярностей и входам компараторов 9 и 10. Выход пикового детектора отрицательной полярности 8 через последовательно соединенный инвертор 11, выходы компараторов 9 и 10 и выход пикового детектора положительной полярности 7 подключены к входам считывания информации решающего устройства 13. Выход одновибратора 12 подсоединен к входу прекращения считывания информации решающего устройства 13, к входам обнуления показания пиковых детекторов 7 и 8 и входу размыкания управляемого ключа 6.

Устройство работает следующим образом.

Входной оптический сигнал s(t) вместе с аддитивным шумом n(t) поступает на фотодиод 1 и далее на последовательно соединенные усилитель 2, фильтр низких частот (ФНЧ) 3 и двойной дифференциатор 4. Выход дифференциатора 4 соединен с входом блока порогового сигнала 5 (значение порога срабатывания П_об задается потребителем) и входом управляемого ключа 6, замыкание которого осуществляется при срабатывании блока порогового сигнала 5. Выход ключа 6 подсоединен к пиковому детектору положительной полярности 7 и к пиковому детектору отрицательной полярности 8, а также к компаратору 9, переходя из положительной полярности в отрицательную полярность, и компаратору 10 перехода из отрицательной полярности в положительную. При срабатывании блока порогового сигнала 5 запускается одновибратор 12, формирующий сигнал стандартной длительности ΔT. Длительность ΔT выбирается из условия максимального времени между переходом t_-+ и времени срабатывания блока порогового сигнала 5. После срабатывания блока порогового сигнала 5 в решающем устройстве 13 начинается запись показаний пикового детектора 7, и инвертированного инвертором 11 пикового детектора 8, и времен срабатывания компараторов 9, 10. После завершения срабатывания одновибратора 12 запись показаний в решающее устройство 13 завершается, показания пиковых детекторов 7 и 8 обнуляются, а управляемый ключ 6 приходит в разомкнутое состояние.

В решающем устройстве 13, после завершения записи исходных данных, определяется время прихода импульсного однополярного сигнала. Для точного определения времени прихода t₀ в решающее устройство поступают сигналы единого времени (СЕВ).

Определение времени прихода импульсных излучений на фоне помех предполагает первичную фильтрацию входной реализация с целью повышения отношения сигнал/шум, что достигается применением фильтра Баттерворта низких частот пятого порядка. Для обострения фронтового вступления входного сигнала используется двойное дифференцирование.

На фиг. 2 приведены осциллограммы: входного однополярного излучения I и на выходе системы низкочастотный фильтр - двойной дифференциатор II (отношение сигнал/шум на входе равно 10). Характерные точки на фиг. 2: амплитуда первого максимума А₊, время перехода через ноль от первого максимума к первому минимуму t_+-, амплитуда первого минимума А_-, время перехода от первого минимума ко второму максимуму t_-+. Из соотношения подобия треугольников можно представить первое приближение времени прихода t_np:

Поскольку при таком методе первое приближение времени прихода определяется с систематической ошибкой, то в зависимости от результата фильтрации в оценку времени прихода t₀ вводится функциональная поправка f(t_-+ - t_+-)

Изобретение относится к области пассивной оптической локации и может быть использовано для обнаружения оптических импульсных сигналов на фоне мощной фоновой засветки и для определения времени прихода оптического сигнала на фоне помех. Технический результат изобретения - повышение точности определения времени сигнала, прошедшего априорно неизвестную трассу распространения и регистрируемого при больших уровнях фоновой засветки. Указанный результат достигается за счет того, что устройство содержит усилитель, первый фильтр, выполненный низкочастотным, управляемый ключ, блок порогового сигнала, инвертор, первый и второй детекторы, выполненные пиковыми положительной и отрицательной полярности, фотодиод, одновибратор, решающее устройство, два компаратора, второй фильтр в виде двойного дифференциатора, при этом перечисленные средства соединены между собой определенным образом. 2 ил.

Устройство определения времени прихода оптического сигнала, содержащее последовательно соединенные усилитель и первый фильтр, а также содержащее управляемый ключ, блок порогового сигнала, инвертор и первый детектор, отличающееся тем, что в него дополнительно введены фотодиод, одновибратор, решающее устройство, два компаратора, второй детектор, второй фильтр в виде двойного дифференциатора, при этом первый фильтр выполнен низкочастотным, а детекторы выполнены пиковыми положительной и отрицательной полярностей, причем выход фотодиода соединен с входом усилителя, выход усилителя соединен с входом первого фильтра низких частот, выход первого фильтра низких частот соединен с входом двойного дифференциатора, выход двойного дифференциатора подсоединен к первому входу управляемого ключа и входу блока порогового сигнала, выход блока порогового сигнала подключен ко второму входу управляемого ключа, входу одновибратора и входу запуска считывания информации в решающем устройстве, выход управляемого ключа подключен к входам пиковых детекторов и входам компараторов, а выход пикового детектора отрицательной полярности через последовательно соединенный инвертор, выходы компараторов и выход пикового детектора положительной полярности подключены к входам считывания информации решающего устройства, выход одновибратора подсоединен к входу прекращения считывания информации решающего устройства, к входам обнуления показания пиковых детекторов и входу размыкания управляемого ключа.