Способ некогерентного накопления импульсных светолокационных сигналов Российский патент 2023 года по МПК G01C3/08 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 импульсных светолокационных сигналов, включающем K циклов зондирования цели лазерными импульсами, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала в N каналах дальности, где N=R_max/ΔR, R_max - диапазон измеряемых дальностей, ΔR=с τ/2, с - скорость света, τ - тактовый период измерителя задержки отраженного сигнала, в каждом канале дальности сравнение принятого сигнала с одним или несколькими аналоговыми рабочими пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней с учетом весового коэффициента уровня, по которой судят о наличии сигнала в этом канале путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, принимают отраженные сигналы с помощью лавинного фотодиода, в подготовительном режиме в отсутствие зондирующих лазерных импульсов устанавливают для рабочего режима оптимальный коэффициент лавинного умножения М_опт фотодиода, при котором отношение сигнал/шум максимально, в режиме М_опт выявляют наличие импульсов микроплазм и определяют минимальную амплитуду импульсов микроплазм U_Mmin, устанавливают дополнительный пороговый уровень U_M в пределах U_cmax<U_M<U_Mmin, где U_cmax - максимальная ожидаемая амплитуда сигнала, после чего переходят в рабочий режим накопления сигнала, в каждом j-м канале дальности накапливают взвешенные суммы Σ_j превышений рабочих порогов, параллельно в каждом j-м канале дальности накапливают суммы Σ_Mj превышений уровня U_M, по окончании серии циклов зондирования в каждом канале дальности вычисляют разностные величины ΔΣ_j=Σ_j-Σ_Mj и, если ΔΣ_j превышает заранее установленное пороговое число, то принимают решение о наличии сигнала в данном канале дальности и по номеру этого канала дальности судят о дальности до цели.

Оптимальный режим M_opt устанавливают, включая безлавинный режим смещения фотодиода М=1, затем устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства f<<f₀, где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, после этого увеличивают порог в раз, где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=М^α, порог фиксируют и с помощью напряжения смещения фотодиода устанавливают такой коэффициент лавинного умножения М=М_опт, при котором частота f_M шумовых превышений порога U_M становится равной частоте f в безлавинном режиме М=1 при пороге U, по достижении частоты f_M=f фиксируют достигнутый коэффициент лавинного умножения М=М_опт и включают рабочий режим приема сигналов.

Если амплитуда сигнала в рабочем режиме превышает пороговый уровень U_M, то уменьшают коэффициент лавинного умножения до уровня 1≤М≤М_опт, при котором нелинейные искажения сигнала минимальны.

Если в каком-либо из каналов дальности регистрируется сигнал в двух циклах накопления подряд, то принимают решение о наличии цели в данном канале и прекращают накопление, при этом вероятность появления двух подряд микроплазм в любом канале дальности не должна превышать величины W_2N=W₂⋅N<(1-D), где W₂ - вероятность двух подряд микроплазм в одном канале дальности; N - число каналов дальности; D - заданная вероятность правильного обнаружения сигнала.

На фиг. 1 представлена циклограмма способа. На фиг. 2 - характер смеси сигнала и флуктуационного шума на входе двухпорогового амплитудного анализатора. На фиг. 3 показана схема возможной аппаратурной реализации.

На первой стадии подготовительного режима (фиг. 1) напряжение смещения фотодиода соответствует коэффициенту лавинного умножения М=1. При этом преобладают флуктуационные шумы предусилителя со средним квадратом шумового тока I₀². По частоте f превышения имеющихся пороговых уровней выбросами шума можно судить о среднеквадратическом значении шума. Для порога U известно соотношение , где - частота пересечения шумом нулевого порога; R''(0) - вторая производная корреляционной функции шума на входе порогового устройства R(t) при задержке t=0; σ² - дисперсия шума I₀² в размерности порога U.

Из этого следует, что если в безлавинном режиме М=1 порогу U соответствует частота f, то при повышении порога в раз и установлении лавинного режима, при котором увеличенному порогу соответствует та же частота f шумовых превышений, коэффициент лавинного умножения М=М_опт, обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум [14]. В первой стадии подготовительного режима в течение времени Т_подг1 устанавливают порог U (фиг. 1) Во второй стадии подготовительного режима устанавливают порог и увеличивают напряжение смещения фотодиода до тех пор, пока частота шумовых превышений снова не станет равна f. Тем самым, устанавливают оптимальный коэффициент лавинного умножения М_опт, после чего включают рабочий режим приема светолокационных сигналов.

В режиме приема в каждом канале дальности накапливают взвешенные суммы Σ_j превышений порогов с весовыми коэффициентами, соответствующими превышенным пороговым уровням [11]. Одновременно с этим процессом производят аналогичное многоканальное накопление превышений высокого порога U_M, соответствующих выбросам большой амплитуды, идентифицируемым как микроплазмы. В каждом канале дальности накапливаются суммы этих превышений Σ_Mj. Разность этих сумм ΔΣ_j=Σ_j-Σ_Mj характеризует уровень полезного сигнала, и при превышении величиной ΔΣ_j порогового значения принимают решение о наличии светолокационного сигнала в j-м канале дальности.

В соответствии с предлагаемым решением ложные срабатывания от микроплазм исключаются из смеси сигнал + шум. Особенности дальнейшего выделения сигнала исследованы в [11]. Существенным критерием является эффективность Е накопления, представляющая собой улучшение отношения сигнал/шум на входе и выходе накопителя:

где М(k) - средняя величина накопленной суммы;

σ_K - среднеквадратическое отклонение накопленной суммы после К циклов накопления;

А - амплитуда сигнала на входе накопителя;

σ - среднеквадратическое значение входного шума.

Исследована [11] зависимость эффективности накопления от относительной величины пороговых уровней Δ_u/σ при их симметричном положении от нулевого уровня (фиг. 2). При оптимальном положении порогов 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 эквивалентного 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_M²=2eI₁Δƒ.

Условие нуля производной:

или

откуда

Задача настоящего изобретения решается благодаря 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).

На фиг. 3 показан пример многопороговой (например, двухпороговой) структуры для реализации способа.

Эта локационная структура содержит передающий канал 1, фотоприемный канал 2 со схемой стабилизации лавинного режима фотодиода 3, рабочее многопороговое устройство 4 и дополнительное пороговое устройство 5, подключенные к многоканальным накопителям 6 и 7. Выходные данные накопителей поступают в решающее устройство 8. На выходе фотоприемного канала включен анализатор шума 9, выход которого через схему управления 10 подключен к управляющему входу схемы стабилизации лавинного режима фотодиода 3. Схема управления подключена также к передающему каналу 1 и накопителям 6 и 7, а также к решающему устройству 8.

Перед приемом сигналов включают фотоприемный канал и выводят его в оптимальный режим. Для этого включают анализатор шума 9. Анализатор шума представляет собой пороговое устройство с низким порогом U, таким, что частота его превышений выбросами шума f>>f_M*, где f_M* - ожидаемая частота микроплазм. При таком условии микроплазмы не влияют на режим фотодиода. По достижении установившегося значения f схема 9 увеличивает порог в раз и повышает напряжение смещения фотодиода до тех пор, пока не восстановится частота f, при которой коэффициент лавинного умножения М соответствует уровню М_опт. После этого переходят в рабочий режим. По команде от блока управления 10 передающий канал 1 излучает на цель серию K зондирующих импульсов. Одновременно блок управления запускает синхронизацию многоканальных накопителей 6 и 7, переключая их ячейки накопления с периодом τ (фиг. 2). Отраженные целью сигналы принимаются фотоприемным каналом 2, на выходе которого образуется смесь отраженного сигнала, флуктуационного шума и импульсов микроплазм. С выходов порогового устройства 4 сигналы поступают поочередно в ячейки накопителя 6, соответствующие текущему каналу дальности, включаемому тактовым сигналом блока управления 10. Сигналы в накопителе 6 суммируются с весом, соответствующим превышенному порогу. Например, при двухуровневом преобразовании с симметричным положением порогов относительно нуля при пересечении шумовым выбросом верхнего порога вверх в накопитель заносится «+1», а при пересечении нижнего порога вниз заносится «-1». При таком построении аппаратуры обеспечивается выигрыш Е в улучшении отношения сигнал/шум, близкий к теоретическому пределу где K - количество циклов (объем) накопления [2]. В накопителе 7 содержится информация о количестве микроплазм в каждом канале дальности. Решающее устройство 8 вычисляет разность накопленных сумм ΔΣ_j=Σ_j-Σ_Mj, компенсируя наличие микроплазм.

Пропуск сигнала вследствие маскировки шумом, характеризуемый вероятностью Q_ш, и пропуск сигнала вследствие блокировки микроплазмы, характеризуемое вероятностью Q_M, представляют собой взаимно независимые события [3], поэтому заданную вероятность пропуска сигнала Q=1-D за одно измерение можно представить в виде суммы Q=Q_ш+Q_M, 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 дальности за время накопления;

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

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 1.

Объем накопления K=200; среднее значение накопленной суммы в отсутствие сигнала K_cp(0)=0; установленный порог ; количество каналов накопления N=10⁴; ширина канала τ=10^-8 с; коэффициент

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

Среднее количество микроплазм на канал дальности за один цикл:

Длительность цикла накопления Т=Nτ=10⁴⋅10^-8=10^-4 с.

Допустимая частота микроплазм

Вероятность появления микроплазмы в одном канале в двух циклах подряд - W₂=m₁².

При указанных ограничениях такое событие означает, что с большой вероятностью имеет место сигнал большой амплитуды. Поэтому принимают решение о приеме сигнала в данном канале дальности и останавливают процесс накопления.

Пример 2.

В условиях предыдущего примера вероятность W₂=m₁²=4⋅10^-6. При этом вероятность двух подряд микроплазм в любом канале дальности W_2N=W₂⋅N=4⋅10^-2. В существующей практике пропуск сигнала с такой вероятностью считается допустимым.

Таким образом, обеспечивается задача изобретения - достижение теоретически предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации независимо от 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., 479 с.

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

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

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

7 Тихонов В. И. Выбросы случайных процессов. Изд. «Наука», М, 1970 г., 392 с.

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 ред. 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».

14 Патент РФ №2755603. «Способ порогового обнаружения оптических сигналов».

Изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности к технике приема сигналов посредством лавинных фотодиодов. Сущность заявленного способа некогерентного накопления импульсных светолокационных сигналов состоит в следующем. В каждом K-м цикле зондирования осуществляют прием отраженного сигнала в N каналах дальности, в которых проводится сравнение принятого сигнала с одним или несколькими аналоговыми пороговыми уровнями, а также накопление суммы превышений этих уровней с учетом весового коэффициента уровня. Наличие сигнала в конкретном канале детектируется путем сравнения суммы превышений с пороговым числом. Затем осуществляют приём отраженных сигналов посредством лавинного фотодиода, в подготовительном режиме в отсутствие зондирующих лазерных импульсов устанавливают для рабочего режима оптимальный коэффициент лавинного умножения М_опт фотодиода, при котором отношение сигнал/шум максимально. Далее в режиме М_опт выявляют наличие импульсов микроплазм и определяют минимальную амплитуду импульсов микроплазм U_Mmin, устанавливают дополнительный пороговый уровень U_M, после чего переходят в рабочий режим накопления сигнала, при котором в каждом j-м канале дальности накапливают взвешенные суммы Σ_j превышений рабочих порогов. При этом параллельно в каждом j-м канале дальности накапливают суммы Σ_Mj превышений уровня U_M. По окончании серии циклов зондирования в каждом канале дальности вычисляют разностные величины ΔΣ_j=Σ_j-E_Mj. В том случае, если ΔΣ_j превышает установленное пороговое число, то принимают решение о наличии сигнала в данном канале дальности и по номеру этого канала дальности судят о дальности до цели. Технический результат предлагаемого способа заключается в обеспечении максимальной вероятности обнаружения светолокационных сигналов методом накопления независимо от возникающих при лавинном умножении сигнала в фотодиоде микроплазм. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ некогерентного накопления импульсных светолокационных сигналов, включающий K циклов зондирования цели лазерными импульсами, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала в N каналах дальности, где N=R_max/ΔR, R_max - диапазон измеряемых дальностей, ΔR=с τ/2, с - скорость света, τ - тактовый период измерителя задержки отраженного сигнала, в каждом канале дальности сравнение принятого сигнала с одним или несколькими аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней с учетом весового коэффициента уровня, по которой судят о наличии сигнала в этом канале путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, отличающийся тем, что принимают отраженные сигналы с помощью лавинного фотодиода, в подготовительном режиме в отсутствие зондирующих лазерных импульсов устанавливают для рабочего режима оптимальный коэффициент лавинного умножения М_опт фотодиода, при котором отношение сигнал/шум максимально, в режиме М_опт выявляют наличие импульсов микроплазм и определяют минимальную амплитуду импульсов микроплазм U_Mmin, устанавливают дополнительный пороговый уровень U_M в пределах U_cmax<U_M<U_Mmin, где U_cmax - максимальная ожидаемая амплитуда сигнала, после чего переходят в рабочий режим накопления сигнала, в каждом j-м канале дальности накапливают взвешенные суммы Σ_j превышений рабочих порогов, параллельно в каждом j-м канале дальности накапливают суммы Σ_Mj превышений уровня U_M, по окончании серии циклов зондирования в каждом канале дальности вычисляют разностные величины ΔΣ_j=Σ_j-Σ_Mj, и если ΔΣ_j превышает заранее установленное пороговое число, то принимают решение о наличии сигнала в данном канале дальности и по номеру этого канала дальности судят о дальности до цели.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оптимальный режим M_opt устанавливают, включая безлавинный режим смещения фотодиода М=1, затем устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства f<<f₀, где f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, после этого увеличивают порог в раз, где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=М^α, порог фиксируют и с помощью напряжения смещения фотодиода устанавливают такой коэффициент лавинного умножения М=М_опт, при котором частота f_M шумовых превышений порога U_M становится равной частоте f в безлавинном режиме М=1 при пороге U, по достижении частоты f_M=f фиксируют достигнутый коэффициент лавинного умножения М=М_опт и включают рабочий режим приема сигналов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если амплитуда сигнала в рабочем режиме превышает максимальный из пороговых уровней U_max, то уменьшают коэффициент лавинного умножения до уровня 1≤М<М_опт, при котором нелинейные искажения сигнала минимальны.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если в каком-либо из каналов дальности регистрируется сигнал в двух циклах накопления подряд, то принимают решение о наличии цели в данном канале и прекращают накопление, при этом вероятность появления двух подряд микроплазм в любом канале дальности не должна превышать величины W_2N=W₂⋅N<(1-D), где W₂ - вероятность двух подряд микроплазм в одном канале дальности; N - число каналов дальности; D - заданная вероятность правильного обнаружения сигнала.