Способ приема светолокационных сигналов Российский патент 2024 года по МПК H04B1/10 G01S3/08 

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 системах.

Известен способ измерения расстояний путем измерения задержки отраженного целью лазерного импульса [1,2].

Известен способ приема оптических локационных сигналов с помощью лавинных фотодиодов [3]. Известны также способы селекции сигналов на фоне отражений от посторонних объектов путем временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) или порога срабатывания (ВАРП) [1-4].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ приема светолокационных сигналов путем преобразования принятых световых импульсов в электрические сигналы и увеличения усиления принятых сигналов в процессе приема световых импульсов [5].

Особенностью этого способа являются повышенные требования, предъявляемые к точности задания функции ВАРУ f(t); В данном техническом решении f(t)=xt², где х - постоянный коэффициент, что обусловлено выбранной процедурой определения прозрачности атмосферы по сигналу обратного рассеяния.

При локации малоразмерных целей принимаемый сигнал обратно пропорционален четвертой степени задержки отраженного сигнала [2], следовательно, для дискриминации помех при локации таких целей оптимальный закон ВАРУ имеет вид f(t)=xt⁴.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение зависимости ВАРУ вида f(t)=xt^m при m=1, 2, 3, 4… . На практике бывает целесообразно с той же целью формировать не нарастающую, а убывающую зависимость f(t)=xt^-m, подчиняющуюся указанному закону.

Эта задача решается за счет того, что в известном способе приема светолокационных сигналов путем преобразования принятых световых импульсов в электрические сигналы и увеличения усиления f(t) принятых сигналов в процессе приема световых импульсов согласно степенной функции, функцию f(t)=kt^m, где m=1, 2, 3, 4… формируют с помощью дифференцирующего звена, на вход которого в момент начала приема подают ступенчатый сигнал, причем, постоянную времени дифференцирующего звена линейно увеличивают от момента начала приема.

Коэффициент к можно калибровать с привязкой к правой границе рабочего интервала приема.

Дифференцирующее звено может быть выполнено в виде дифференцирующей RC-цепочки, на емкостный вход которой подают ступенчатое напряжение, а выходным сигналом является падение напряжения на сопротивлении R, причем, величину сопротивления линейно увеличивают относительно момента посылки сигналов согласно зависимости R=kt, где k=1/mC.

Для изменения функции f(t) обратно пропорционально квадрату текущего времени устанавливают коэффициент k=1/2С.

На фиг. 1.а) показана эквивалентная схема формирования управляющей функции f(t) на дифференцирующей RC-цепочке с управляемым сопротивлением R(t); на фиг. 1.б) приведена простая схема управляемого усилителя на полевом транзисторе и операционном усилителе; на фиг. 1.в) изображена схема управляемого сопротивления согласно [7]; на фиг. 2 представлена зависимость ошибки воспроизведения функции f(t) в рабочем интервале приема сигналов.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.

Для дифференцирующей цепочки фиг. 1а) справедливы соотношения.

С учетом (2)

Производная этого выражения

Из (4):

Откуда с точностью до константы

Если требуется обеспечить вид функции U_R(t)=At^-m, это можно задать выбором показателя т.

То есть

Например, [5, 6], при m=2 значение коэффициента .

Известны средства высокоточного управления сопротивлением [7, 8] (фиг.1.в) и усилением [9] (фиг. 1.б), позволяющие реализовать описанную процедуру как в стационарной, так и в портативной аппаратуре. Как показано в [7], выходное сопротивление такой структуры в широких пределах линейно зависит от управляющего сигнала и не зависит от выходного напряжения.

Техника высокоточного формирования линейно изменяющихся сигналов также хорошо отработана [11].

На фиг. 1.б) показан простейший регулируемый усилитель. По данным shemabook.ru при использовании в этой схеме полевого транзистора 2N5457 и операционного усилителя LM101 благодаря низкому дифференциальному напряжению операционного усилителя полевой транзистор линейно изменяет сопротивление в диапазоне нескольких декад, обеспечивая «превосходное электронное управление усилителем». Еще более высокими характеристиками обладает специально разработанный для применения в фотоприемной аппаратуре регулируемый усилитель Texas Instruments VCA810 [10], обеспечивающий регулирование усиления в пределах ±40 дБ в полосе пропускания 35 МГц при высоком входном импедансе (1 МОм, 1 пФ) с высокой линейностью регулировочной характеристики ±0,3 дБ в заданных пределах регулирования и в рабочем температурном диапазоне от минус 40°С до плюс 85°С.

Точность воспроизведения «фотометрической» зависимости (8) определяется параметром kC, который устанавливается при регулировке приемного тракта. Из (8) видно, что ошибка увеличивается с ростом t. На фиг. 2 представлена зависимость относительной приведенной погрешности Δ=(f(t)/ t²) - 1 при следующих исходных данных. Относительная единица времени х=10^-7 с; емкость С=10^-7 Ф; установленное значение k*=1,01k, т.е. с отклонением 1%.

В данном примере протяженность трассы составляет 33 отн. ед. времени, то есть время приема сигналов Т=33⋅10^-7 с, что соответствует глубине исследуемой трассы зондирования Z=сТ/2 ~ 500 м, где с - скорость света [5]. При заданных исходных данных отклонение усиления принятых сигналов от заданного закона в конце трассы составляет 7% (см. фиг. 2; k*=1,01k). Обычно такая точность удовлетворяет требованиям, предъявляемым к задачам зондирования, но если требуется более высокая точность, она может быть обеспечена при регулировке аппаратуры путем калибровки коэффициента усиления приемного тракта с привязкой к концу трассы (см. фиг. 2; k*=1,001k).

Таким образом, изобретение выполняет поставленную задачу - обеспечение с высокой точностью зависимости ВАРУ вида f(t)=xt^m при m=1, 2, 3, 4…

Источники информации

1 Боек X. Использование лазеров для измерения расстояний. Зарубежная радиоэлектроника №3, 1964 г.

2 Смирнов В.А. Введение в оптическую радиоэлектронику. Советское радио, М., 1973.Г. - 208 с.

3 Ермаков Б.А., Возницкий М.В. Получение и обработка информации в импульсных лазерных дальномерах. Оптический журнал №10, 1993 г. - с. 15-32.

4 Вильнер В.Г. и др. Достоверность измерений импульсного лазерного дальномера. Фотоника №3, 2013 г. - с. 42-60.

5 Авторское свидетельство СССР №309338 по заявке от 01.01.1971 г. «Способ определения прозрачности атмосферы» - прототип.

6 Авторское свидетельство СССР №390401 по заявке от 01.11.1971 г. «Способ определения прозрачности атмосферы».

7 Авторское свидетельство СССР №1312726 по заявке от 01.11.1971 г. «Управляемый резистор».

8. Авторское свидетельство СССР №1141571 по заявке от 23.08.1982 г. «Управляемый аттенюатор».

9 А.Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М: ВИНОМ, 1994 г. - 352 с.

10 VCA810 High Gain Adjust Range, Wideband and Variable Gain Amplifier. Texas Instruments Datasheet.

11 Проектирование радиоэлектронных устройств на интегральных микросхемах. Под ред. Шаца. М.: Советское радио, 1976, с. 161-163.

Изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике обработки светолокационных сигналов, например, при лазерном зондировании атмосферы. Способ приема светолокационных сигналов путем преобразования принятых световых импульсов в электрические сигналы и увеличения усиления f(t) принятых сигналов в процессе приема световых импульсов согласно степенной функции, функцию f(t)=kt^m, где m=1, 2, 3, 4…, формируют с помощью дифференцирующего звена, на вход которого в момент начала приема подают ступенчатый сигнал, причем постоянную времени дифференцирующего звена линейно увеличивают от момента начала приема. Дифференцирующее звено может быть выполнено в виде дифференцирующей RC-цепочки, на вход которой подают ступенчатое напряжение, а выходным сигналом является падение напряжения на сопротивлении R, причем, величину R линейно увеличивают относительно момента посылки сигналов согласно зависимости R=kt, где k=1/mC. Техническим результатом при реализации заявленного решения является обеспечение с высокой точностью зависимости ВАРУ вида f(t)=xt^m при m=1, 2, 3, 4... . 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ приема светолокационных сигналов путем преобразования принятых световых импульсов в электрические сигналы и увеличения усиления f(t) принятых сигналов в процессе приема световых импульсов согласно степенной функции, отличающийся тем, что функцию f(t)=kt^m, где m=1, 2, 3, 4…, формируют с помощью дифференцирующего звена, на вход которого в момент начала приема подают ступенчатый сигнал, причем постоянную времени дифференцирующего звена линейно увеличивают от момента начала приема.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент k калибруют с привязкой к правой границе рабочего интервала приема.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дифференцирующее звено выполнено в виде дифференцирующей RC-цепочки, на вход которой подают ступенчатое напряжение, а выходным сигналом является падение напряжения на сопротивлении R, причем величину сопротивления линейно увеличивают относительно момента посылки сигналов согласно зависимости R=kt, где k=1/mС.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что k=1/2С.