Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов Российский патент 2023 года по МПК G01S17/02 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии.

Известен способ некогерентного накопления импульсов при их многократном повторении, например, для обнаружения принимаемых сигналов при лазерном или радиолокационном зондировании удаленных объектов [1-5]. Указанный способ заключается в том, что производят серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования принятый сигнал сравнивают с аналоговым порогом (осуществляют бинарное квантование), подсчитывают количество превышений аналогового порога и принимают решение о наличии сигнала, если это количество превышает заданное число. Этот способ не позволяет реализовать потенциальную вероятность обнаружения сигналов вследствие потери информации при бинарном квантовании принимаемого сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ некогерентного накопления сигналов, включающий серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с одним или несколькими аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней, по которой после завершения серии судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом [6].

Преимущества этого способа максимально реализуются, если прием отраженного сигнала производят с помощью лавинного фотодиода, обладающего по сравнению с другими приемниками наилучшей пороговой чувствительностью [7]. Однако в оптимальном по чувствительности режиме лавинного умножения возможно образование взрывных («телеграфных») шумов, обусловленных микроплазменными пробоями (микроплазмами) в полупроводниковом переходе фотодиода [8]. 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 [9]. В таком режиме шум лавинного фотодиода состоит из двух независимых составляющих - нормального шума [7] и взрывного шума микроплазм. Микроплазменная составляющая шума фотодиода не сопоставима по статистическим характеристикам с нормальной составляющей и ее участие в процессе регулирования смещения фотодиода непредсказуемо [10].

Задачей изобретения является обеспечение максимальной вероятности обнаружения светолокационных сигналов методом накопления при наличии микроплазм, возникающих при лавинном умножении сигнала в фотодиоде.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе некогерентного накопления светолокационных сигналов, включающем серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней с учетом весового коэффициента уровня, по которой судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, прием отраженных сигналов осуществляют с помощью лавинного фотодиода в N каналах задержки отраженного сигнала, характеризуемых временной длительностью канала т и диапазоном измерения задержки Т=Nτ, где N - количество каналов, предварительно устанавливают оптимальный по отношению сигнал/шум коэффициент лавинного умножения фотодиода M_opt, затем, управляя напряжением смещения фотодиода, уменьшают частоту f_m до предельно допустимого уровня f_m^*, в этом режиме определяют среднюю длительность микроплазменных импульсов t_m, минимальную амплитуду U^m_min микроплазменных импульсов, устанавливают дополнительный пороговый уровень U^п согласно условию U^п<U^m_min и если в текущем канале задержки выброс смеси сигнала и шума превышает порог U^п, то в данном цикле накопления обработку сигнала в этом канале блокируют.

Предельно допустимый уровень частоты микроплазменных импульсов f_m^* можно устанавливать согласно зависимости где - допустимое количество микроплазм в одном канале накопления за один цикл; K - количество циклов накопления; т - временная ширина канала накопления; K_пор - пороговое значение накопленной суммы в одном канале, при котором принимается решение о наличии сигнала (пороговое число); - коэффициент, обеспечивающий условие Q_ш+Q_м≤Q; Q - вероятность пропуска сигнала (вероятность необнаружения); Q_ш - составляющая вероятности пропуска сигнала, обусловленная флуктуационным шумом; Q_м - вероятности пропуска сигнала, обусловленная влиянием микроплазм.

Для обеспечения стабильности обнаружительных характеристик в широком диапазоне условий можно предварительно устанавливать аналоговые пороговые уровни относительно нулевого уровня в режиме шумовой автоматической регулировки путем накопления суммы превышений аналоговых пороговых уровней в отсутствие сигнала, смещения относительного положения нулевого уровня и пороговых уровней так, чтобы накопленное суммарное количество превышений пороговых уровней было минимальным, после чего поддерживают это относительное положение уровней в течение времени накопления сигналов.

На фиг. 1 представлен пример смеси сигнала с шумом и два аналоговых порога, установленных симметрично относительно нулевого уровня.

На фиг. 2 показан пример блокировки сигнала при возникновении микроплазменных импульсов, превышающих порог U^п.

На фиг. 3 приведена структурная схема способа.

Смесь принятого сигнала и шума (фиг. 1) образует реализацию случайного процесса, подвергаемую анализу путем сравнения с одним или несколькими аналоговыми порогами. В двухуровневом варианте эту реализацию сравнивают с аналоговыми порогами, расположенными симметрично относительно нулевого уровня (фиг. 1). Если в данном цикле зондирования в какой-либо временной дискрете реализация 3 пересекает положительный пороговый уровень u₊ вверх, то регистрируют это генерацией и добавлением к накапливаемой сумме числа +1, а если реализация пересекает отрицательный пороговый уровень u_- вниз, то к накапливаемой сумме добавляют число минус 1. По окончании серии из K зондирований сравнивают накопленную сумму k с пороговым числом K_пор и, в случае превышения этого числа, принимают решение о наличии сигнала в данной дискрете времени.

Шумовой процесс характеризуется среднеквадратическим значением σ. В приведенном примере фиг. 1 амплитуда сигнала А равна среднеквадратическому значению шума [11]. Величины положительного и отрицательного порогов u₊ и u_- составляют u₊=+0,5 σ и u_-=-0,5 σ. Одна дискрета времени τ=10^-8 с. Длительность сигнала по уровню 0,5 занимает около трех дискрет. Полоса пропускания линейного тракта согласована с шириной спектра сигнала. При отсутствии сигнала вероятности пересечения шумовым процессом положительного и отрицательного порогов соответственно вверх и вниз равны, следовательно, в отсутствие сигнала средняя величина М(n₀) накопленной суммы n0 равна нулю.

Существенным критерием является эффективность Е накопления, представляющая собой улучшение отношения сигнал/шум на входе и выходе накопителя:

где М(k) - средняя величина накопленной суммы k;

σ_K - среднеквадратическое отклонение накопленной суммы k после K циклов накопления;

А - амплитуда сигнала на входе накопителя;

σ - среднеквадратическое значение входного шума.

Исследована [11] зависимость эффективности накопления от относительной величины пороговых уровней u/σ при их симметричном положении от нулевого уровня (фиг. 1). При оптимальном положении пороговых уровней двухуровневый и четырехуровневый режимы накопления с симметричным размещением пороговых уровней по эффективности приближаются к теоретическому пределу

Существует оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М, которое в отсутствие микроплазм можно определить следующим образом. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока:

где 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

где J_М²=2eI₁Δf.

Условие нуля производной

или

откуда

Задача настоящего изобретения решается благодаря процедуре аппаратной интерпретации микроплазм не как ложных тревог, а как факторов пропуска сигнала. За счет этого приема можно допустить более высокую вероятность микроплазм и, тем самым, поддерживать коэффициент лавинного умножения ближе к оптимальному уровню (6). Фиг. 2 иллюстрирует принцип блокирования смеси сигнала и флуктуационного шума путем выявления выбросов, превышающих дополнительный порог UM.

На фиг. 3 показан пример двухпороговой структуры для реализации способа.

Эта локационная структура содержит передающий канал 1, фотоприемный канал 2, ключ 3 и дополнительное пороговое устройство 4, выход которого подключен к управляющему входу ключа. На выходе ключа находятся пороговые устройства u₊ 5 и u_- 6, показанные на фиг. 1. Их выходы подключены к входам многоканального накопителя 7, на выходе которого установлен цифровой блок обнаружения и временной фиксации сигнала 8. Управление этой структурой и ее синхронизация осуществляется блоком управления 9.

По команде от блока управления передающий канал излучает на цель серию K зондирующих импульсов. Одновременно запускается синхронизация многоканального накопителя 7, переключая его ячейки накопления с временной дискретностью т (фиг. 1). Отраженные целью сигналы принимаются фотоприемным каналом 2, на выходе которого образуется смесь отраженного сигнала и флуктуационного шума, через открытый ключ 3 поступающие на входы пороговых устройств 5 и 6. Выбросы шума в смеси с сигналом вызывают срабатывание одного из пороговых устройств, формирующих импульс «1», если срабатывает устройство 5 с порогом u₊ и импульс «-1», если срабатывает устройство 6 с порогом u_-. Импульсы «1» и «-1» поступают согласно своей задержке в соответствующую ячейку накопителя 7. Если в смеси сигнала с шумом присутствует импульс микроплазмы, превышающий порог u^M, на выходе дополнительного порогового устройства 4 формируется импульс запрета, закрывающий ключ 3, препятствуя, тем самым прохождению импульса микроплазмы на пороговые устройства 5 и 6. По завершении серии К циклов зондирования цифровой блок обнаружения и временной фиксации сигнала 8 осуществляет поиск ячеек накопителя с суммой, превышающей цифровой порог K_пор. При наложении сигнального импульса на микроплазму суммарный выброс идентифицируется как сигнал, то есть потери информации в этом случае не происходит. Если сигнал занимает несколько ячеек, то его временную привязку осуществляют по методикам, описанным, например, в [11-13].

Произведена оценка требуемого объема аппаратуры, необходимой для реализации способа. Для двухуровневого накопления при указанных данных в каждом канале дальности необходимо иметь возможность накопления до превышения цифрового порога K_пор на (3-4) σ_K. При оптимальном положении аналоговых уровней |u₊|=|u_-|~0,5σ (фиг. 1) и объеме накопления K=200 среднеквадратическое отклонение накопленной суммы σ_K~10, и минимальный объем суммирующего устройства K_макс~4σ_K=40<2⁶. Объем суммирующего устройства при бинарном накоплении с оптимальным положением порогового уровня оценивается по формуле Для рассмотренного примера K=200 эта величина составит то есть на два двоичных разряда больше по сравнению с двухуровневым накоплением.

Пропуск сигнала, характеризуемый вероятностью Q_ш и появление микроплазмы, характеризуемое вероятностью Q_М, представляют собой взаимно независимые события [3], поэтому заданную вероятность пропуска сигнала Q=1-D за контрольный интервал времени τ можно представить в виде суммы Q=Q_ш+Q_м, где D - вероятность правильного обнаружения сигнала.

При выборе условий

и

можно практически полностью устранить влияние микроплазм на обнаружительные характеристики.

Условие (8) равносильно соотношению

где m - допустимое количество микроплазм в одном канале накопления за цикл обнаружения;

K_пор - пороговое значение накопленной суммы в одном канале, при котором принимается решение о наличии сигнала;

- коэффициент, обеспечивающий условие (7).

Накопленная сумма k является случайной величиной с математическим ожиданием, соответствующим уровню принимаемого сигнала и при пороговом значении этой величины k=K_пор со среднеквадратическим отклонением

Критическое количество микроплазм в одном канале накопления m не должно существенно влиять на статистику накопленной суммы, обусловленной сигналом, что отмечается выражением (9).

Пример.

Объем накопления K=200; установленный порог количество каналов накопления N=10⁴; ширина канала τ=10^-8 с; коэффициент

При этих условиях среднее количество микроплазм на канал за все время накопления:

Среднее количество микроплазм на канал за один цикл:

Длительность цикла накопления Т=Nτ=10⁴⋅10^-8=10^-4 с. Допустимая частота микроплазм:

Таким образом, обеспечивается задача изобретения - достижение теоретически предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев, следующих с частотой до 200 кГц.

Предлагаемый способ некогерентного накопления сигналов обеспечивает максимальную вероятность обнаружения сигналов при минимальном объеме аппаратуры и может быть реализован в портативных лазерных дальномерах.

Источники информации

1. Я.Д. Ширман, В.Н. Голиков «Основы теории обнаружения радиолокационных сигналов и измерения их параметров». Изд. «Советское радио», М., 1963 г., с. 179.

2. Я.Д. Ширман, В.Н. Манжос «Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех». Изд. «Радио и связь», М., 1981 г., с. 81-83.

3. В.Е. Гмурман «Теория вероятностей и математическая статистика». Изд. «Высшая школа», М., 1977 г.

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

5. Патент WO 2005/006016 A1 "Laser rangefinder and method thereof.

6. Патент РФ №2359226 по з-ке №2007137271 от 10.10.2007. «Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов». - Прототип.

7. 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.

8. Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007.

9. 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.

10. 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.

11. Вильнер В.Г. и др. Оценка возможностей светолокационного импульсного измерителя дальности с накоплением. Фотоника, 2007, №6, с. 22-27.

12. Патент РФ №2390724. «Способ светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления».

13. Патент РФ №2469269. «Способ определения дальности».

Использование: 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 некогерентного накопления светолокационных сигналов, включающий серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней с учетом весового коэффициента уровня, по которой судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, прием отраженных сигналов осуществляют с помощью лавинного фотодиода в N каналах задержки отраженного сигнала, характеризуемых временной длительностью канала τ и диапазоном измерения задержки Т=Nτ, где N - количество каналов, предварительно устанавливают оптимальный по отношению сигнал/шум коэффициент лавинного умножения фотодиода M_opt, затем, управляя напряжением смещения фотодиода, уменьшают частоту f_m до предельно допустимого уровня f_m*, в этом режиме определяют среднюю длительность микроплазменных импульсов t_m, минимальную амплитуду U^m_min микроплазменных импульсов, устанавливают дополнительный пороговый уровень U^п согласно условию U^п<U^m_min, и если в текущем канале задержки выброс смеси сигнала и шума превышает порог U^п, то в данном цикле накопления обработку сигнала в этом канале блокируют. Предельно допустимый уровень частоты микроплазменных импульсов f_m* можно устанавливать согласно зависимости где - допустимое количество микроплазм в одном канале накопления за один цикл; K - количество циклов накопления; τ - временная ширина канала накопления; K_пор - пороговое значение накопленной суммы в одном канале, при котором принимается решение о наличии сигнала (пороговое число); χ<<1 - коэффициент, обеспечивающий условие Q_ш+Q_м≤Q; Q - вероятность пропуска сигнала (вероятность необнаружения); Q_ш - составляющая вероятности пропуска сигнала, обусловленная флуктуационным шумом; Q_м - вероятности пропуска сигнала, обусловленная влиянием микроплазм. Технический результат: обеспечивается теоретически предельная чувствительность во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев и флуктуационного шума. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов, включающий серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней с учетом весового коэффициента уровня, по которой судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, отличающийся тем, что прием отраженных сигналов осуществляют с помощью лавинного фотодиода в N каналах задержки отраженного сигнала, характеризуемых временной длительностью канала τ и диапазоном измерения задержки Т=Nτ, где N - количество каналов, предварительно устанавливают оптимальный по отношению сигнал/шум коэффициент лавинного умножения фотодиода M_opt, затем, управляя напряжением смещения фотодиода, уменьшают частоту f_m до предельно допустимого уровня f_m*, в этом режиме определяют среднюю длительность микроплазменных импульсов t_m, минимальную амплитуду U^m_min микроплазменных импульсов, устанавливают дополнительный пороговый уровень U^п согласно условию U^п<U^m_min, и если в текущем канале задержки выброс смеси сигнала и шума превышает порог U^п, то в данном цикле накопления обработку сигнала в этом канале блокируют.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предельно допустимый уровень частоты микроплазменных импульсов f_m* устанавливают согласно зависимости где - допустимое количество микроплазм в одном канале накопления за один цикл; K - количество циклов накопления; τ - временная ширина канала накопления; K_пор - пороговое значение накопленной суммы в одном канале, при котором принимается решение о наличии сигнала (пороговое число); - коэффициент, обеспечивающий условие Q_ш+Q_м<Q; Q - вероятность пропуска сигнала (вероятность необнаружения); Q_ш - составляющая вероятности пропуска сигнала, обусловленная флуктуационным шумом; Q_м - вероятности пропуска сигнала, обусловленная влиянием микроплазм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно устанавливают аналоговые пороговые уровни относительно нулевого уровня в режиме шумовой автоматической регулировки путем накопления суммы превышений аналоговых пороговых уровней в отсутствие сигнала, смещения относительного положения нулевого уровня и пороговых уровней так, чтобы накопленное суммарное количество превышений пороговых уровней было минимальным, после чего поддерживают это относительное положение уровней в течение времени накопления сигналов.