Способ порогового обнаружения оптических сигналов Российский патент 2022 года по МПК G01R19/175 H01L31/107 

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

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

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих в фотодиоде в процессе лавинного умножения [3].

Недостатком этого способа является возможность введения фотодиода в режим микроплазменного пробоя [4]. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение амплитуды сопровождается увеличением длительности импульсов и уменьшением скважности [5]. В таком режиме шум лавинного фотодиода состоит из двух независимых составляющих - нормального шума [6] и «телеграфного» шума микроплазм. Микроплазменная составляющая шума фотодиода не сопоставима по статистическим характеристикам с нормальной составляющей, и ее участие в процессе регулирования смещения фотодиода непредсказуемо [7]. При некоторых температурных условиях регулировка лавинного режима по частоте шумовых выбросов фотодиода включая микроплазмы, может привести к выходу системы на неоптимальный режим лавинного умножения, т.е. к ухудшению пороговой чувствительности фотоприемного устройства или к недопустимой вероятности ложных срабатываний, вызванных микроплазмами.

Задачей изобретения является достижение наилучших обнаружительных характеристик во всех условиях эксплуатации при наличии микроплазм и нормального шума.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога I_пор1 срабатывания, предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают второй порог I_пор2, приведенный к выходу фотодиода, в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором коэффициент лавинного умножения где α - коэффициент шума фотодиода, - квадрат умножаемой составляющей шумового тока, приведенного к выходу фотодиода; е - заряд электрона; I₁ - первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf - полоса пропускания приемного тракта, после чего уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока оценка ϕ₂ относительной частоты превышений порога I_пор2 шумовыми выбросами не упадет до предельного уровня где - количество разрешаемых интервалов на контрольном интервале Т₂; ΔТ - разрешаемый интервал времени; n₂ - количество превышений порога I_пор2 за время Т₂; Q_M - допустимая вероятность возникновения микроплазм за время Т₂; t - коэффициент статистического разброса оценки ϕ₂, после чего фиксируют напряжение смещения и устанавливают порог I_пор1 на уровне, при котором частота f₁ (1/с) шумовых превышений порога I_пор1 имеет стационарное значение f₁ << f₀, где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, при этом порог I_пор1 блокируют на время каждого превышения порога I_пор2, после установления порога I_пор1 увеличивают его в раз, где f_p - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, затем фиксируют порог I_пор1 и приступают к приему сигналов.

Частоту f₁ можно устанавливать в режиме шумовой автоматической регулировки, при этом период T₁ усреднения частоты шумовых превышений порога I_пор1 выбирают из условия минимального времени выхода на рабочий режим при заданном предельном разбросе установившихся значений порога I_пор1.

На фиг.1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг.2 - примеры смеси сигнала, шума и микроплазм (а), блокировки порога I_пор1 (б) и решения о приеме сигнала (в).

Реализующее способ фотоприемное устройство содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2 и пороговое устройство 3. Напряжение смещения подается на фотодиод 1 от последовательно соединенных источника питания 4 и схемы термокомпенсации 5. Пороговое устройство 3 охвачено цепью обратной связи в виде схемы шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП) 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Схема термокомпенсации 5 управляется схемой шумовой регулировки лавины 7, подключенной к выходу усилителя 2. Синхронизация осуществляется блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7. Способ осуществляется следующим образом.

По команде от блока управления 8 включаются схема термокомпенсации 5 и схема ШАРП 6. Схема термокомпенсации [2] обеспечивает установку режима смещения близко к оптимальному режиму без учета микроплазм, при котором соблюдается зависимость

где

М - коэффициент лавинного умножения;

М_опт - значение М, при котором отношение сигнал/шум [6] максимально;

I₀² - квадрат неумножаемого шумового тока на выходе фотодиода;

J_M²=2eI₁Δf;

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6];

е - заряд электрона;

I₁ - первичный умножаемый ток фотодиода в безлавинном режиме.

Δf - полоса пропускания приемного тракта.

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

I₀² - квадрат неумножаемого шумового тока

е - заряд электрона;

I₁ - первичный обратный ток фотодиода;

Δf- полоса пропускания приемного тракта до входа порогового устройства;

М - коэффициент лавинного умножения;

М^α - шум-фактор лавинного умножения;

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.

Квадрат W отношения шум/сигнал

Условие нуля производной

Или

Задача настоящего изобретения решается благодаря процедуре статистической интерпретации микроплазм не как ложных тревог, а как факторов пропуска сигнала. За счет этого можно допустить более высокую вероятность микроплазм и, тем самым, поддерживать коэффициент лавинного умножения ближе к оптимальному уровню (6).

Пропуск сигнала, характеризуемый вероятностью Q_ш и появление микроплазмы, характеризуемое вероятностью Q_M представляют собой взаимно независимые события [10], поэтому заданную вероятность пропуска сигнала Q = 1 - D за контрольный интервал времени Т₂, где D - вероятность правильного обнаружения сигнала, можно представить в виде суммы Q = Q_ш + Q_M.

При оценке вероятности ложного события (генерации микроплазмы) путем подсчета относительной частоты ложных событий [10, с. 226] как отношения количества n₂ ложных событий и полного контрольного объема N₂ испытаний существует нижняя доверительная граница ϕ₂* оценки вероятности Q_M.

где t - доверительный коэффициент [10].

Контрольный объем испытаний N₂ связан с контрольным интервалом времени Т₂ соотношением

где ΔТ₂ - разрешаемый отрезок времени

Подстановка в (7) и ϕ₂*=Q_M с учетом малости ϕ₂ дает

(Q_M - ϕ₂)² ~ t² ϕ₂/ N₂, где решением является меньший корень ϕ₂

Тогда допустимое количество n₂ микроплазм за время Т₂

Соответствующая частота микроплазм

Схема шумовой регулировки лавины срабатывает на каждую микроплазму, превышающую порог I_пор2 и на каждое срабатывание уменьшает напряжение на минимально значимую величину ΔU_см, понижая коэффициент лавинного умножения М на заданную допустимую величину ΔM до тех пор, пока не установится частота микроплазм f₂. При этом схема шумовой регулировки лавины 7 с порогом срабатывания Iпор₂>I_пор1 реагирует только на импульсы микроплазм 9 (фиг.2а), одновременно блокируя вход порогового устройства 3, которое, таким образом, срабатывает только на флуктуационные (тепловые и дробовые) нормально распределенные шумы 10 (фиг.2 б). Соответственно схема ШАРП 6 отрабатывает только такие шумы. Благодаря этому возможно поддержание оптимального отношения порога I_пор1 порогового устройства 3 к шуму, обеспечивающего максимальную вероятность правильного обнаружения сигнала при минимальной вероятности ложных тревог [8] (фиг.2 в).

Пример 1

D = 0,9; Q = 1 - D = 0,1; Q_M = 0,01; Т₂ = 10^-3 с; ΔТ₂ = 10^-7 с; t = 2.

Согласно (8) N₂ = 10^-3/10^-7 = 10000.

В соответствии с (9) наименьшая допустимая оценка относительной частоты микроплазм ϕ₂ = 0,00181, n₂ = ϕ₂N₂ ~ 18.

Допустимая частота микроплазм f₂ = 18/10^-3 = 18000 1/с.

Пример 2

Те же данные, но Q_M = 10^-3.

Тогда ϕ₂ = 0,0005; n₂ = 5; f₂ = 5/10^-3 = 5000 1/с.

При этом Q_ш = Q - Q_M = 0,09-0,099.

Это значит, что снижение порога чувствительности, вызванное указанным потоком микроплазм уменьшится в Ф(0,1)/Ф(0,09) = 1,1 раза или в Ф(0,1)/Ф(0,099) = 1,01 раза, где Ф(х) - функция Лапласа [10, приложение 2]. Следовательно, чувствительность практически сохранится на теоретически предельном уровне в условиях высокой частоты микроплазм, то есть при коэффициенте лавинного умножения, близком к оптимальному. При увеличении Т₂ нижняя доверительная граница оценки ϕ₂ увеличивается, что позволяет производить регулировку лавинного режима при меньшем значении Q_M и уменьшить снижение порога чувствительности в условиях микроплазм до пренебрежимо малого уровня.

Оптимальный выбор режима Т₂ = 10^-4 с или Т₂ = 10^-3 с зависит от типа фотодиода и соответствующего характера микроплазм. В любом случае влияние микроплазменного шума устраняется.

Если процесс стабилизации отношения порог/шум происходит при частоте f_п шумовых превышений порога, превышающей частоту f_p таких событий в рабочем режиме, то перед переходом к приему сигналов порог увеличивают в раз [9], где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня. Такой процесс стабилизации режима порогового устройства занимает время не более 10^-3 с [9].

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает время выхода на режим порядка Т = 1 мс и работу с максимальной частотой повторения 1/Т = 1 кГц. Существующие технические решения обеспечивают выход на режим за 1-6 с [3, 8] при коэффициенте лавинного умножения М < М_опт, то есть с потерей чувствительности. Выигрыш предлагаемого способа по быстродействию составляет 1000-6000 раз, а по отношению сигнал/шум - до 1,5-2 раз.

Таким образом, обеспечивается задача изобретения - достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим.

Источники информации

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

2 Патент РФ №2248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.

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

4 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков M.A. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007.

5 Вишневский А.И., Руденко В.С, Платонов А.П. Силовые ионные и полупроводниковые приборы. Учебное пособие для вузов. Под редакцией В.С. Руденко. Москва, Высшая школа, 1975.

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

7 Шашкина А.С.и др. Лавинный пробой p-n-перехода в задачах радиотехники. - Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016, том 16, №5, с. 864-871.

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

9 Патент РФ №2718856. Способ автоматической стабилизации частоты пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса, 2020 г.

10 Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Москва, Высшая школа, 1977, - 480 С.

Изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных системах. Сущность: способ порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода включает пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания. При этом предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, и устанавливают второй порог I_пор2, приведенный к выходу фотодиода, в пределах - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода. Устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором отношение сигнал/шум максимально, после чего уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока оценка ϕ₂ относительной частоты превышений порога I_пор2 микроплазменными выбросами не упадет до предельно допустимого уровня где - количество разрешаемых интервалов на контрольном интервале Т₂; ΔТ - разрешаемый интервал времени; n₂ - количество превышений порога I_пор2 за время Т₂; Q_M - допустимая вероятность возникновения микроплазм за время Т₂; t - параметр статистического разброса оценки ϕ₂. После этого фиксируют напряжение смещения и устанавливают порог I_пор1 на уровне, при котором частота f₁ (1/с) шумовых превышений порога I_пор1 имеет стационарное значение f₁ << f₀, где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня. При этом вход I_пор1 блокируют на время каждого превышения порога I_пор2. После установления порога I_пор1 увеличивают его в раз, где f_p - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме. Затем фиксируют порог I_пор1 и приступают к приему сигналов. Технический результат: достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев и нормального шума при минимальном времени выхода на оптимальный лавинный режим. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога I_пор1 срабатывания, отличающийся тем, что предварительно определяют неумножаемую составляющую квадрата шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают второй порог I_пор2, приведенный к выходу фотодиода, в пределах где - квадрат неумножаемого шумового тока, приведенного к выходу фотодиода, устанавливают напряжение смещения фотодиода на уровне, при котором коэффициент лавинного умножения где α - коэффициент шума фотодиода, - квадрат умножаемой составляющей шумового тока, приведенного к выходу фотодиода; е - заряд электрона; I₁ - первичный умножаемый темновой ток фотодиода; Δf - полоса пропускания приемного тракта, после чего уменьшают напряжение смещения до тех пор, пока оценка ϕ₂ относительной частоты превышений порога I_пор2 шумовыми выбросами не упадет до предельно допустимого уровня где - количество разрешаемых интервалов на контрольном интервале Т₂; ΔT - разрешаемый интервал времени; n₂ - количество превышений порога I_пор2 за время T₂, Q_M - допустимая вероятность возникновения микроплазм за время Т₂; t - коэффициент статистического разброса оценки ϕ₂, после чего фиксируют напряжение смещения и устанавливают порог I_пор1 на уровне, при котором частота f₁ (1/с) шумовых превышений порога I_пор1 имеет стационарное значение f₁ << f₀, где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, при этом вход I_пор1 блокируют на время каждого превышения порога I_пор2, после установления порога I_пор1 увеличивают его в раз, где f_p - предельно допустимая частота ложных срабатываний в рабочем режиме, затем фиксируют порог I_пор1 и приступают к приему сигналов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту f₁ устанавливают в режиме шумовой автоматической регулировки, при этом период T₁ усреднения частоты шумовых превышений порога I_пор1 выбирают из условия минимального времени выхода на рабочий режим при заданном предельном разбросе установившихся значений порога I_пор1.