Способ обнаружения импульсных оптических сигналов Российский патент 2023 года по МПК H01L31/09 

Предлагаемое изобретение относится к обнаружению сигналов на фоне флуктуационного шума, в частности, к технике приема импульсных оптических сигналов, и может быть использовано в локации, связи и других областях.

Известен способ приема импульсных оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1-3]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [4]. Указанные решения не обеспечивают максимального отношения сигнала к шуму, поскольку не контролируют это отношение. Знание дисперсии шума важно для правильного построения режима порогового выделения сигналов [4]. Известные методы определения параметров шума, в том числе его дисперсии и шум-фактора [5-9] либо приближенно рассчитываются с учетом общих физических основ построения таких структур, либо требуют привлечения сложных стационарных приборов, основанных на метрологических принципах, непригодных для портативной аппаратуры, работающей в широком диапазоне внешних эксплуатационных воздействий.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ порогового обнаружения оптических сигналов [10], включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства f₁ << f₀, увеличивают порог в раз, фиксируют этот порог, затем, управляя напряжением смещения U_M лавинного фотодиода, устанавливают на нем такой коэффициент лавинного умножения М, при котором частота шумовых превышений порога f_M соответствует значению f_M=f₁, после чего фиксируют напряжение смещения на этом уровне и повышают порог в раз до уровня, при котором частота шумовых превышений порога в рабочем режиме соответствует заданным требованиям.

Недостатком указанной процедуры является отсутствие возможности определения параметров шума, в том числе постоянного параметра α шум-фактора F=М^α, определяющего оптимальную величину М и необходимого для организации правильного режима обработки смеси сигнала и шума.

Задачей изобретения является оперативное определение постоянного параметра α шум-фактора лавинного умножения в процессе проектирования, производства и обслуживания аппаратуры без привлечения специального измерительного оборудования и средств его метрологического обеспечения.

Эта задача решается за счет того, что в известном способе обнаружения импульсных оптических сигналов, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении выходным сигналом фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства f₁ << f₀, увеличивают порог в раз, фиксируют этот порог затем, управляя напряжением смещения лавинного фотодиода, устанавливают на нем такой коэффициент лавинного умножения М, при котором частота шумовых превышений порога f_MA соответствует значению f₁, после чего фиксируют напряжение смещения на этом уровне и повышают порог в раз до уровня при котором частота шумовых превышений порога соответствует заданным требованиям, вводят режим определения параметра α шум-фактора лавинного умножения F=М^α, в котором выбирают частоту f₁=f_A, отвечающую условию где N_A=f_AT - количество превышений порогового уровня шумовыми выбросами за время Т измерения частоты, ξ << 1 - коэффициент заданной точности определения N_A, задают частоту превышений порога шумовыми выбросами где α₀ - номинальное значение параметра α, устанавливают напряжение смещения фотодиода, при котором коэффициент лавинного умножения М=1, устанавливают порог срабатывания U на уровне, при котором средняя частота его превышений выбросами шума равна f_MA, затем увеличивают порог в раз, тем самым снижая частоту шумовых превышений порога до уровня f_A, и устанавливают коэффициент лавинного умножения М, при котором частота шумовых превышений порога становится равной f_MA, в этом режиме увеличивают порог в раз, определяют среднюю частоту шумовых превышений порога f_A* и вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=М^α по формуле а в режиме приема сигналов по измеренному значению α устанавливают коэффициенты повышения порога и согласно выражениям где причем, порог U устанавливают так, чтобы частота f₁ была минимально возможной при обеспечении требуемой точности ее определения, затем устанавливают коэффициент лавинного умножения М, при котором частота шумовых превышений порога становится равной f_M, после чего увеличивают порог до уровня и производят прием сигналов.

Ввиду постоянства коэффициента α, определяемого конструкцией фотодиода, процедура определения параметра α может быть выполнена однократно, вне процесса приема сигналов.

Фиг. 1 представляет циклограмму способа в режиме определения α. На фиг.2 приведены графики зависимости частоты шумовых выбросов от параметра α. На фиг.3 приведены графики зависимости погрешности оценки α* относительно истинного значения α. На фиг.4 представлена структурная схема аппаратуры, реализующей способ.

Предлагаемый способ основан на использовании статистических закономерностей выбросов случайных процессов и заключается в следующем.

На первом этапе осуществления способа в режиме определения коэффициента а устанавливают безлавинный режим фотодиода М=1 путем подачи на него низкого напряжения смещения. В этом режиме устанавливают порог срабатывания на таком уровне, чтобы частота превышения порога шумовыми выбросами приняла номинальное значение f_MA (фиг.1, Т₂). На втором этапе увеличивают порог в раз до уровня U_M, при этом частота шумовых выбросов уменьшается до значения f_A (фиг.1, Т₃). Регулируя напряжение смещения фотодиода, устанавливают такой коэффициент лавинного умножения М=М_опт, при котором частота шумовых превышений порога снова принимает значение f_MA (фиг.1, Т₄). После установления величины М еще раз увеличивают порог в раз и определяют частоту шумовых превышений f_A*, по которой судят об истинном значении α.

Известно [1, 3], что в без лавинном режиме (М=1) квадрат среднеквадратического значения шума σ на выходе фотодиода

где σ₀ и σ₁ - соответственно среднеквадратические значения неумножаемой (σ₀) и умножаемой (σ₁) составляющих шума.

Частота f пересечений порога U выбросами нормально распределенного шума

где - частота пересечения шумом нулевого порога;

R(τ) - корреляционная функция шума; σ² - дисперсия шума [12].

Параметры f и σ² связаны однозначным соотношением (2), избавляющим от необходимости отдельного измерения этих параметров с помощью громоздкой лабораторной аппаратуры, требующей особых условий эксплуатации и сложного метрологического обеспечения [6-9].

Зная частоты f и f₀ из (2) можно определить отношение порог/шум

В лавинном режиме [1]

где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=М^α, определяемый материалом и структурой фотодиода [3, 6, 10].

Обратная η² величина W (квадрат отношения шум/сигнал)

Производная этой величины

Минимум отношения шум/сигнал обеспечивается при dW/dM=0.

Условие (8) выполняется при

Частота шумовых превышений порога в лавинном режиме

Подстановка (9) в (10) дает выражение частоты шумовых превышений порога при М=М_опт. С учетом всегда имеющего место условия σ₀² >> σ₁² частота шума в лавинном режиме f_p

Из (2) и (11) в условиях определения коэффициента α получается отношение частот f=f_MA(M=M_опт) И f=f_A(M=1).

Подстановка (3) в (12) дает

Как следует из (12) и (13), при постоянных значениях коэффициента а, зависящего от конструкции фотодиода, и отношения U/σ, задаваемого частотой f, отношение f_МА/f_A полностью определяется этими параметрами и также является постоянным параметром способа.

Соотношение (13) можно представить в виде зависимостей f_MA(α), α(f_A) и f_A(f_MA), используемых при подготовке и в процессе измерения α.

Измерение α производят в следующем порядке (фиг.1).

1. Предварительно определяют и запоминают среднюю частоту шумовых пересечений нуля f₀.

2. Выбирают диапазон частот f_A…f_MA так, чтобы в нижней границе этого диапазона соблюдалось условие [14]

где Т - время измерения частоты f_A; N_A - минимальное количество шумовых превышений порога за время Т, при котором выполняется условие (17).

Пример 1

откуда N_A≥10000.

3. Определяют номинальное значение f_MA верхней границы частот шумовых выбросов по формуле (14) при номинальном для исследуемой полупроводниковой структуры параметре α=α₀.

Пример 2

α₀=0,5; f₀=10⁷; N_A=10000; T=1с.

f_A=N_A/T=10000 1/c.

4. Устанавливают порог срабатывания U на таком уровне, чтобы средняя частота его превышения шумовыми выбросами составляла f_MA.

5. Увеличивают порог в раз и фиксируют его на уровне При этом частота шумовых выбросов снижается до уровня f_A.

6. Увеличивают напряжение смещения фотодиода до величины, при которой частота шумовых превышений порога станет равной f_MA.

7. Увеличивают порог в раз и определяют частоту шумовых выбросов f_A*. Если коэффициент α=α₀, то частота f_А*=t_А.

8. При f_А* ≠ f_A определяют фактическое значение а по формуле

Пример 3

f_A=11000 (f_A=10100) 1/с; α₀=0,5.

Следует отметить высокую устойчивость описанной процедуры к дестабилизирующим факторам: погрешность измерения f_A, равная 1%, приводит к ошибке определения параметра α, не более 0,13%. С другой стороны, малые отклонения α от номинального значения вызывают значительные изменения измеряемой частоты f_A*, что характеризует высокую чувствительность метода.

Определение частоты как отношения N/T с одной стороны обеспечивает простоту реализации способа, поскольку сводит эту процедуру к подсчету количества выбросов N за эталонное время Т. Обе эти операции реализуются простейшими серийными средствами микроэлектроники, в том числе, в составе миниатюрных фотоприемных устройств, работающих в портативной аппаратуре, применяемой в широких эксплуатационных условиях. С другой стороны, эти операции выполняются с высокой «цифровой» точностью и имеют простое и органичное метрологическое обеспечение без привлечения аналоговых средств, требующих специальных эксплуатационных ограничений и регулярной калибровки.

На фиг.2 показана зависимость (14) для α от 0,3 до 1 и для ряда значений f_A от 100 до 100000 1/с.

На фиг.3 приведены графики относительной погрешности δα измерения α в зависимости от α и того же ряда значений f_A при относительной погрешности измерения δ f_А=0,01. Видно, что погрешность измерения снижается с ростом α и уменьшением частоты f_A. Последнее следует учитывать при соблюдении условия (17). При этом необходимо иметь в виду, что время измерения Т увеличивается с уменьшением f_А.

Способ реализуется в системе фотоприемного устройства и может применяться при проведении научных исследований, проектировании и производстве аппаратуры переключением работы фотоприемного устройства из режима приема сигналов в режим контроля шум-фактора.

Возможный вариант измерительной структуры по предлагаемому способу (фиг.4) содержит лавинный фотодиод 1, выход которого через согласующий усилитель 2 и управляемые аттенюаторы 3 и 4 подключен к входу порогового формирователя импульсов 5. Выход последнего связан с входами датчиков частоты 6 и 7. Датчик 6 подключен к управляющему входу порогового формирователя 5, а датчик 7 - к источнику смещения фотодиода 8. Датчики 6 и 7 и аттенюаторы 3 и 4 подключены к блоку управления 9. На выходе порогового формирователя установлено решающее устройство 10, связанное с блоком управления.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно (на этапе проектирования) устанавливают: частоту f₀, определяемую полосой пропускания приемного тракта 1-4 до входа порогового формирователя; частоту f₁ и f_A, удовлетворяющие оговоренным выше ограничениям и особенностям примененных аппаратных средств; частоту f_p - по предъявляемым техническим требованиям в режиме приема сигналов; номинальное значение параметра шум-фактора α=α₀, определяемое конструкцией фотодиода; интервал усреднения Т датчиков частоты. Вычисляют частоты f_M и f_MA.

В режиме измерения α по команде с блока управления 9 устанавливают начальные параметры приемного тракта - коэффициент лавинного умножения фотодиода М=1 и начальный порог срабатывания порогового устройства U. С этой целью с помощью блока управления 9 открывают аттенюаторы 3 и 4 и устанавливают на источнике смещения 8 низкий уровень напряжения смещения, соответствующий коэффициенту лавинного умножения М=1. Одновременно устанавливают порог срабатывания U формирователя 5 так, чтобы частота f шумовых превышений порога соответствовала номинальному значению f_MA (фиг.1). По достижении установившегося значения частоты f_MA с помощью блока управления включают аттенюатор 3, вносящий ослабление Оптимальному режиму лавинного умножения М=М_опт [10, 13] соответствует ослабление Введением этого ослабления эквивалентный порог становится равным

Одновременно с помощью блока управления включают датчик частоты 7, управляющий коэффициентом лавинного умножения фотодиода путем подачи на него напряжения смещения, при котором частота шумовых срабатываний в лавинном режиме f_M снова становится равна частоте f_M0, установленной в безлавинном режиме. После этого включают второй аттенюатор с ослаблением и определяют частоту шумовых превышений f_A*.

Практически частоту определяют путем подсчета количества выбросов N за время Т, формируя оценку частоты вида f ~ N/T.

N - случайная величина, с достаточной точностью описываемая распределением Пуассона с математическим ожиданием M_N=N и дисперсией D_N=N [14]. С учетом этого можно определить необходимое количество N по требуемой точности определения частоты. При ошибка не превышает 1%. При этом время измерения составляет 0,1-1,0 секунды в зависимости от заданной точности измерения α.

Полученные данные передают в решающее устройство 10, вычисляющее значение α, а также, при необходимости, параметры М=М_опт и шум-фактор лавинного умножения F=М^α.

В режиме приема сигналов коэффициент повышения порога устанавливают по уточненному значению α, что позволяет реализовать оптимальное значение коэффициента лавинного умножения, при котором отношение сигнал/шум максимально.

Если коэффициент α стабилен в течение срока службы приемной аппаратуры, то его определение можно производить не при каждом приеме сигналов, а отдельно, например, при отладке аппаратуры и изменении условий эксплуатации. Во всяком случае, измерение α по предлагаемому способу возможно в любой момент и не требует привлечения отдельных измерительных средств, так как структура приемного тракта в режимах приема сигналов и определения α совпадает. Обработка данных может производиться как на встроенном решающем устройстве, так и на удаленном вычислительном оборудовании.

Аналоговые процедуры способа не содержат нелинейных функциональных преобразований, для реализации которых требуются сложные устройства с надежной воспроизводимостью и стабильностью, а также сложным метрологическим обеспечением.

Средства, реализующие способ, обладают минимальным временем выхода на рабочий режим. Способ может быть реализован в составе штатного фотоприемного устройства, то есть, именно в той структуре, которая подлежит исследованию.

Таким образом, способ обеспечивает решение поставленной задачи - оперативное определение постоянного параметра α шум-фактора лавинного умножения в процессе проектирования, производства и обслуживания аппаратуры без привлечения специального измерительного оборудования и средств его метрологического обеспечения.

Источники информации

1. И.Д. Анисимова и др. Под ред. В.И. Стафеева. Полупроводниковые фотоприемники приемники. Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра - М: Радио и связь, 1984 г. - 216 с.

2. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ.- М: Радио и связь, 1989. -

С.340.

3. Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. Москва, Физматгиз. 2011, - С.201-209.

4. Патент РФ №2248670.

5. Насонов B.C. Справочник по радиоизмерительным приборам. - М.: Советское радио, 1976, т.1., 234 с.

6 Усков А.А. Измерение фактора избыточного шума лавинного фотодиода. ФГАО У ВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», Новосибирск, 2016.

7. Яковлева Н.И. и др. Исследование фотодиодных лавинных элементов матричных фотоприемных устройств на основе гетероэпитаксиальных структур InGaAs. Успехи прикладной физики, 2014, том 2, №4., с. 374-382.

8. Останин С.А. Метод измерения малых значений дисперсии белого шума в смеси с гармоническим сигналом. Известия алтайского государственного университета. 2011, №1, С.174-175.

9. Степанов А.В. Электрические шумы. Спецпрактикум кафедры физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 2003. - С.17-22.

10. Способ порогового обнаружения оптических сигналов. Патент РФ №2755602 -прототип.

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

12. Тихонов В.И. Выбросы случайных процессов. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1970, - С.392.

13. Способ порогового приема оптических сигналов. Патент РФ №2756384.

14. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. «В.Ш.», 1977.

Изобретение относится к технике выделения сигналов из шума и может быть использовано в любой области, где требуется определение параметров шума. Способ обнаружения импульсных оптических сигналов, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении выходным сигналом фотодиода заданного порога срабатывания, включает режим определения параметра α шум-фактора лавинного умножения, в котором выбирают частоту превышения порога шумовыми выбросами, задают частоту превышений порога шумовыми выбросами, устанавливают напряжение смещения фотодиода, при котором коэффициент лавинного умножения М=1, устанавливают порог срабатывания на уровне, при котором средняя частота его превышений выбросами шума равна f_MA, затем увеличивают порог, тем самым снижая частоту шумовых превышений порога до уровня f_A, и устанавливают коэффициент лавинного умножения М, при котором частота шумовых превышений порога становится равной f_MA, в этом режиме увеличивают порог, определяют среднюю частоту шумовых превышений порога f_A* и вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения. Технический результат изобретения - оперативное определение параметров флуктуационного шума. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обнаружения импульсных оптических сигналов, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении выходным сигналом фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, включают безлавинный режим смещения фотодиода, устанавливают порог срабатывания U на уровне, соответствующем частоте шумовых срабатываний порогового устройства f₁<<f₀, увеличивают порог в раз, фиксируют этот порог затем, управляя напряжением смещения лавинного фотодиода, устанавливают на нем такой коэффициент лавинного умножения М, при котором частота шумовых превышений порога f_MA соответствует значению f₁, после чего фиксируют напряжение смещения на этом уровне и повышают порог в раз до уровня при котором частота шумовых превышений порога соответствует заданным требованиям, отличающийся тем, что вводят режим определения параметра α шум-фактора лавинного умножения F=М^α, в котором выбирают частоту f₁=f_A, отвечающую условию где N_A=f_AT - количество превышений порогового уровня шумовыми выбросами за время Т измерения частоты, ξ<<1 - коэффициент заданной точности определения N_A, задают частоту превышений порога шумовыми выбросами где α₀ - номинальное значение параметра α, устанавливают напряжение смещения фотодиода, при котором коэффициент лавинного умножения М=1, устанавливают порог срабатывания U на уровне, при котором средняя частота его превышений выбросами шума равна f_MA, затем увеличивают порог в раз, тем самым снижая частоту шумовых превышений порога до уровня f_A, и устанавливают коэффициент лавинного умножения М, при котором частота шумовых превышений порога становится равной f_MA, в этом режиме увеличивают порог в раз, определяют среднюю частоту шумовых превышений порога f_A* и вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=М^α по формуле а в режиме приема сигналов по измеренному значению α устанавливают коэффициенты повышения порога и согласно выражениям где причем порог U устанавливают так, чтобы частота f₁ была минимально возможной при обеспечении требуемой точности ее определения, затем устанавливают коэффициент лавинного умножения М, при котором частота шумовых превышений порога становится равной f_M, после чего увеличивают порог до уровня и производят прием сигналов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процедуру определения параметра α выполняют однократно, вне процесса приема сигналов.