Способ порогового приема оптических сигналов Российский патент 2021 года по МПК G01S17/48 

Предлагаемое изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных приложениях.

Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [2].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих при пороговой обработке смеси сигнала и шума [3].

Недостатком этого способа является зависимость лавинного режима от выставленного порога срабатывания. Это приводит к неправильному выбору рабочей точки фотодиода и ухудшению пороговой чувствительности [4]. Кроме того, в широком диапазоне условий эксплуатации коэффициент лавинного умножения может оказаться слишком высоким, что приводит к снижению помехоустойчивости и стойкости к перегрузкам.

Задачей изобретения является обеспечение наилучшей пороговой чувствительности во всех условиях эксплуатации.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе порогового приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем прием, усиление и формирование выходных импульсов при превышении сигналом заданного порога срабатывания, предварительную установку коэффициента лавинного умножения М фотодиода производят в наиболее критичных условиях температуры t°_кр и мощности фоновой засветки Р_фкр, при этом на выходе фотодиода определяют среднеквадратическое значение выходного шума σ₁ в безлавинном режиме, а затем увеличивают коэффициент лавинного умножения до величины М = М_кр, при котором среднеквадратическое значение выходного шума увеличивается до величины σ_M = (1,7…1,8) σ₁, запоминают значение М_кр, после чего в реальных условиях эксплуатации устанавливают коэффициент лавинного умножения , где - заранее заданный параметр, зависящий от окружающей температуры и яркости фона, и устанавливают порог срабатывания на уровне, при котором частота f ложных срабатываний от шумовых выбросов удовлетворяет условию f₁ < f < f₂, где f₁ и f₂ - соответственно нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а после стабилизации частоты f в указанных пределах включают рабочий режим приема оптических сигналов.

Параметр может быть постоянным во всем диапазоне условий эксплуатации.

Параметр может изменяться в зависимости от условий эксплуатации в виде где I₀²=4kTΔf/R - квадрат неумножаемого шумового тока; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная окружающая температура; Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства; R - сопротивление нагрузки фотодиода; I_M²=2eI₁Δf - квадрат умножаемого шумового тока; е - заряд электрона; I₁ = I_т + I_ф - первичный обратный ток фотодиода, включающий темновой ток I_т и фототок фона I_ф; α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.

На фиг. 1 представлены примеры зависимостей M(t°). На фиг. 2 показаны графики относительных зависимостей отношения сигнал/шум η для германиевого Ge (фиг. 2а) и кремниевого Si (фиг. 2б) лавинных фотодиодов при критической температуре 50°С, а также при отсутствии фона i_ф=0 и уровне фототока фона I_ф=I_т.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе настройки систему помещают в наиболее критичные условия, например, при максимальной температуре t°_макс и при воздействии максимального фонового излучения Р_ф. Напряжение смещения фотодиода уменьшают до минимума, при котором коэффициент лавинного умножения М = 1. Непосредственно на выходе фотодиода или после линейного усиления измеряют среднеквадратическое значение шума σ₁. После этого увеличивают напряжение смещения фотодиода, соответственно увеличивая коэффициент лавинного умножения до тех пор, пока среднеквадратическое значение шума в той же точке не увеличится до уровня σ_М = 1,73 сл. Достигнутый уровень напряжения смещения, соответствующий этому значению коэффициента лавинного умножения М_кр, сохраняют в настройках системы.

В рабочем режиме при работе в реальных условиях окружающей температуры и яркости фона воспроизводят величину М_кр с поправкой В условиях применения, где требуется постоянство характеристик приемной системы, устанавливают (фиг. 1 - режим постоянной чувствительности). Такой режим бывает необходим в системах передачи данных с высокими требованиями к точности привязки сигналов по времени. В этом случае требуется соблюдать постоянство усиления при обработке сигналов.

При обнаружении слабых оптических сигналов, когда требуется максимальная чувствительность во всех эксплуатационных условиях, поддерживают оптимальный коэффициент лавинного умножения (фиг. 1 - режим наилучшей чувствительности).

После установки лавинного режима устанавливают пороговый уровень так, чтобы частота шумовых превышений этого уровня находилась в заданных пределах. По истечении подготовительного периода приступают к приему сигналов в рабочем режиме.

Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока

I₀² - квадрат неумножаемого шумового тока

е - заряд электрона;

I₁ = I_T + I_ф - первичный обратный ток фотодиода;

I_T - темновой ток;

I_ф - фототок фона;

Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства;

М - коэффициент лавинного умножения;

М^α - шум-фактор лавинного умножения;

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [4].

Квадрат W отношения шум/сигнал, приведенного к величине М,

J_M²=2eI₁Δf.

Условие нуля производной

Или

Формула (6) означает, что во всех условиях эксплуатации, влияющих на параметры I₀² и J_M² существует соответствующее им значение М_опт, реализуемое данным способом.

Пример 1 (Фиг. 2а).

Германиевый фотодиод. I₁=10^-7 A. J_M²=3,2⋅10^-19 А². α = 1. Оптимальный коэффициент лавинного умножения М = М_опт = 3. Отношение сигнал/шум ц отличается от максимального не более чем на 2% при поддержании коэффициента лавинного умножения в пределах 2,5<М<3,5,

Пример 2 (Фиг. 2б).

Кремниевый фотодиод. I₁=10^-9 A. J_M²=3,2⋅10^-21 А². α = 0,5. Рабочую точку фотодиода поддерживают при М = 25…40. При этом максимальное отношение сигнал/шум, отличается от максимального значения, обеспечиваемого при М = М_опт = 30, не более чем на 2%. На фиг. 2б) пунктиром показана зависимость η(М) при I_T = I_ф. Видно, что при этом М_опт снижается до уровня М_опт = 20.

Необходимая точность поддержания коэффициента лавинного умножения в окрестности М_опт определяется допустимым ухудшением отношения шум/сигнал следующим из расчетов по формулам (3), (6), относительные результаты которых приведены в таблицах 1-3 для разных значений α и I₀².

Из приведенных данных видно, что при постоянном коэффициенте α ухудшение отношения сигнал/шум η = М/σ зависит только от неточности выставления М_опт. и не зависит от соотношения умножаемой и неумножаемой компонент шума. Это упрощает как заводскую регулировку системы, так и осуществление способа в широком диапазоне условий эксплуатации. Из фиг. 2 видно также, что правая часть зависимости W(M) имеет более пологий характер, что позволяет вдвое увеличить допуск на положительное отклонение М при тех же требованиях к стабильности W.

Применение формул (1) и (6) с учетом результатов таблиц 1-3 позволяет установить значения λ = σ_M/σ₁, необходимые для установки оптимального коэффициента лавинного умножения. Эти результаты приведены в таблице 4.

Подстановка в выражение (7) оптимального значения М_опт (6) с учетом неравенства I₀² >> J_M² дает значение

которое выполняется во всех реальных условиях (см. табл. 4).

Принципиальное постоянство λ, независимо от типа фотодиода и соотношения неумножаемой и умножаемой составляющих шума обеспечивает методическую состоятельность способа и надежность его реализации.

Таким образом, способ обеспечивает решение поставленной задачи - достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации.

Источники информации

1. Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М., 1969 г. - 520 с.

2. Патент РФ №2 248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.

3. US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.

4. Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9. - С. 59.

5. Вильнер В. Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.

Использование: изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и любой области, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/шум. Сущность: способ порогового приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий прием, усиление и пороговую обработку сигналов, а также формирование выходных импульсов при превышении сигналом заданного порога срабатывания, предварительную установку коэффициента лавинного умножения М фотодиода производят в наиболее критичных условиях температуры t°_кр и мощности фоновой засветки Р_фкр, при этом на выходе фотодиода определяют среднеквадратическое значение выходного шума σ₁ в безлавинном режиме, а затем увеличивают коэффициент лавинного умножения до величины М = М_кр, при котором среднеквадратическое значение выходного шума увеличивается до величины σ_M = (1,7…1,8) σ₁, запоминают значение М_кр, после чего в реальных условиях эксплуатации устанавливают коэффициент лавинного умножения , где - заранее заданный параметр, зависящий от окружающей температуры и яркости фона, и устанавливают порог срабатывания на уровне, при котором частота f ложных срабатываний от шумовых выбросов удовлетворяет условию f₁ < f < f₂, где f₁ и f₂ - соответственно нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а после стабилизации частоты f в указанных пределах включают рабочий режим приема оптических сигналов. Технический результат: обеспечение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

1. Способ порогового приема оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий прием, усиление и пороговую обработку сигналов, а также формирование выходных импульсов при превышении сигналом заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что предварительную установку коэффициента лавинного умножения М фотодиода производят в наиболее критичных условиях температуры t°_кр и мощности фоновой засветки Р_фкр, при этом на выходе фотодиода определяют среднеквадратическое значение выходного шума σ₁ в безлавинном режиме, а затем увеличивают коэффициент лавинного умножения до величины М=М_кр, при котором среднеквадратическое значение выходного шума увеличивается до величины σ_М = (1,7…1,8) σ₁, запоминают значение М_кр, после чего в реальных условиях эксплуатации устанавливают коэффициент лавинного умножения , где - заранее заданный параметр, зависящий от окружающей температуры и яркости фона, и устанавливают порог срабатывания на уровне, при котором частота f ложных срабатываний от шумовых выбросов, удовлетворяет условию f₁ < f < f₂, где f₁ и f₂ - соответственно нижняя и верхняя границы допуска на частоту f, а после стабилизации частоты f в указанных пределах включают рабочий режим приема оптических сигналов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параметр во всем диапазоне условий эксплуатации.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параметр изменяется в зависимости от условий эксплуатации по закону где I₀²=4kTΔf/R - квадрат неумножаемого шумового тока; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная окружающая температура; Δf - полоса пропускания линейного тракта до входа порогового устройства; R - сопротивление нагрузки фотодиода; I_M²=2eI₁Δf, квадрат умножаемого шумового тока; е - заряд электрона; I₁=I_т+I_ф - первичный обратный ток фотодиода, включающий темновой ток I_т и фототок фона I_ф; α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.