Способ обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода Российский патент 2024 года по МПК G01R29/26 G01S17/48 G01C3/08 H04B1/10 

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 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 характеристик 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 фотоприемных 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 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 f шумовых срабатываний порогового устройства 1/Т << f << f₀, где Т - время измерения частоты f, увеличивают порог в x₁ 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_м соответствует заданному значению f_м, установленному для лавинного режима, после чего фиксируют напряжение смещения на этом уровне и повышают порог в х₂ раз до уровня, при котором частота f_p 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 M^α определяющего оптимальную величину М и необходимого для организации правильного режима обработки смеси сигнала и шума.

Задачей изобретения является оптимизация чувствительности фотоприемных устройств путем оперативного определения шум-фактора приемного тракта без привлечения специального измерительного оборудования и средств его метрологического обеспечения.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе обнаружения оптических сигналов, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, поочередно устанавливают коэффициент лавинного умножения фотодиода М на трех уровнях М*=1, M₁>1 и М₂>M₁, устанавливают порог срабатывания U на уровне, при котором частоты f*=f(M*). f₁=f(M₁) и f₂=f(М₂) его превышений выбросами шума в режимах M₁ и М₂ удовлетворяют условию f << f₀, регистрируют значения M₁, М₂, f₁ и f₂, и вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=М^α по формуле

после чего устанавливают оптимальный режим обнаружения оптических сигналов с учетом уточненного параметра α.

Частоты f₁ и f₂ определяют путем подсчета за время измерения Т количества превышений порога выбросами шума N₁=f₁T и N₂=f₂T.

Время Т выбирают из условия где х << 1 - коэффициент заданной точности определения N.

На фиг. 1 представлена циклограмма способа. На фиг. 2 приведен график величины (α* - α) в зависимости от α. На фиг. 3 - графики зависимости погрешности измерения α от контролируемых параметров процесса. На фиг. 4 показана структура для осуществления способа.

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

Предварительно устанавливают порог срабатывания U на уровне, обеспечивающем условие 1/Т<<f<f₀ для всех режимов М*, M₁ и М₂. Определяют частоту f* превышений порога шумовыми выбросами в режиме М*. Подсчитывают количество шумовых превышений порога N=N* за время Т*, удовлетворяющее условию где N(T*)=f*T*, х << 1 - коэффициент заданной точности определения N.

В момент времени t₁ (фиг. 1) включают режим лавинного умножения M₁. После выхода фотодиода на режим подсчитывают количество шумовых превышений порога N=Ni за время T₁=t₂ - t₁, удовлетворяющее условию В момент времени t₂ включают режим лавинного умножения М₂, и подсчитывают количество N₂ шумовых превышений порога U, за время Т₂=t₂ - t₃, соблюдая то же условие

Имеет место соотношение [12]

где f - частота пересечений порога U выбросами нормально распределенного шума;

σ² - квадрат среднеквадратического значения (дисперсия) шума;

- частота пересечения шумом нулевого порога;

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

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

где σ₂ и σ_у - соответственно среднеквадратические значения неумножаемой (σ_н) и умножаемой (σ_у) составляющих шума.

Параметры f и σ² связаны однозначным соотношением (1), 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 (1) 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].

Из (4) и (2):

В первом и втором лавинных режимах

Откуда

И, окончательно, оценка измеряемого параметра

Точное измерение дисперсии σ² низкоуровневого шума представляет сложную и не всегда выполнимую задачу [5-8]. Предлагаемое техническое решение основано на зависимости (1), связывающей дисперсию шума σ² с частотой f превышений порога U выбросами шума [12]. Согласно этой зависимости,

Подстановка (12)-(14) в (11) позволяет исключить σ² и U, устранив источник ошибки, связанный с малой точностью измерения этих величин, имеющей место при низком уровне шума (и, соответственно, порога).

При этом

где f*=f(M=1); f₁=f(M₁); f₂=f(M₂).

Таким образом,

где

Пример 1

Истинное значение σ=0,5; относительные величины U²=10000; коэффициенты лавинного умножения M₁=20; М₂=40.

f*=2865048; f₁=4215963; f₂=7017818;

A=5,656233; оценка

При U²=20000

f*=820850; f₁ - 1777434; f₂=4924977;

A=5,656233; оценка

Таким образом, при любом уровне порога U среднее значение оценки а совпадает с истинным значением. Это важно для обеспечения необходимой точности измерений.

Точность определения а по предлагаемому способу в основном определяется погрешностью определения отношения М₂/М_1.

Пример 2

Относительная ошибка измерения отношения М₂/М₁ в условиях приведенного примера составляет ±0,1%. Погрешность определения а при этом не превышает ±0,72%.

Устанавливать и поддерживать коэффициент лавинного умножения М можно с помощью источника эталонного излучения [15]. Отношение M₂/M₁ стабилизируется этим методом с любой необходимой точностью, поскольку при определении отношения компенсируется систематическая погрешность эталонного источника излучения и схемы стабилизации. В этом случае источник излучения не оказывает влияния на точность, а эталонный уровень задается опорным напряжением, оптическим или электрическим ослабителем [16], с высокой точностью передающим заданное значение.

Квадрат нормированного отношения сигнал/шум

Обратная η² величина (квадрат отношения шум/сигнал)

Производная этой величины

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

Условие максимума η² выполняется при

Для данных примера 1: М_опт=48.

Пример 3

Среднее значение α_ср=0,5; относительные величины коэффициенты лавинного умножения M₁=47; М₂=49; частота f₀=10⁷ 1/с, U²=40000 относительных единиц.

Частоты f₁=3517952 1/с; f₂=3824280 1/с; f*=67464 1/с.

Погрешность оценки α зависит от разности α - α_ср. В таблице 1 приведены результаты расчета оценки α* в зависимости от истинного значения α.

График отклонения оценки (α* - α) в зависимости от аα приведен на фиг. 2. Видно, что абсолютная систематическая погрешность растет по мере отклонения фактического значения а от средней величины, однако величина этой погрешности незначительна.

На фиг. 3 представлены графики погрешности δа измерения а в зависимости от порога U при α_ср=0,5, М_опт=48, номинальных значениях M₁=20, М₂=50 и при отклонении результатов определения параметров f₁, f₂ и M₂/M₁ на 0,1%. Приведенные зависимости отражают влияние наиболее существенных источников погрешности и позволяют сделать следующие замечания:

а) самый большой вклад в погрешность δа дает ошибка определения отношения M₂/M_i, причем, этот вклад не зависит от порогового уровня U;

б) составляющие погрешности, обусловленные неточностью определения частот F, f₀, f₁ и f₂ убывают с ростом порога U, откуда следуют рекомендации по соответствующему выбору порога;

в) составляющие δ(f₁) и δ(f₂) разнонаправлены и могут взаимно компенсироваться;

г) другие величины, входящие в соотношение (15), меньше влияют на точность, причем ошибки от погрешности определения f₀ и f* также убывают с ростом порога U и имеют разный знак.

Измерение а производят в следующем порядке.

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

2. Выбирают диапазон частот f*…f_м так, чтобы в нижней границе этого диапазона соблюдалось условие [14]

где Т - время измерения частоты f*;

N* - минимальное количество шумовых превышений порога за время Т, при котором выполняется условие (23).

Пример 4

По результатам предыдущего примера частота f*=67464 1/с, следовательно

Т=N*/F≥10000/67464=0,15 сек.

3. Устанавливают порог срабатывания на уровне U, обеспечивающем заданную частоту f* при М=1.

4. Поочередно включают лавинные режимы M₁ и М₂ в рабочем диапазоне, например, в окрестности оптимального значения М_опт (см. Пример 3).

5. В каждом из режимов M₁ и М₂ определяют частоты f₁ и f₂ превышения шумовыми выбросами порога U.

6. Определяют параметр а по формуле (15).

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 простыми 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.

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

Возможный вариант измерительной структуры по предлагаемому способу (фиг. 4) содержит проверяемый лавинный фотодиод 1, выход которого через усилитель 2 и эталонный ослабитель 3 подключен к входам порогового датчика частоты 4 и датчика лавины 5. Выходы датчиков связаны с преобразователем данных 6, подключенным к блоку управления лавиной 7 и решающему устройству 8, также связанному с блоком управления лавиной, управляющим режимом лавинного фотодиода 1. Результаты обработки данных с выхода решающего устройства поступают на оконечное устройство 9, осуществляющее вывод результатов. Работа перечисленных блоков управляется программным устройством 10. С лавинным фотодиодом оптически связан опорный излучатель 11 со схемой питания 12.

Способ осуществляется следующим образом.

По команде с программного устройства 10 на блок управления лавиной 7 устанавливается режим М=1 фотодиода 1 и открывается эталонный ослабитель 3. Шум фотодиода, усиленный усилителем 2, поступает на пороговый датчик частоты 4, и результат измерения f* через преобразователь данных 6 передается в цифровой форме в решающее устройство 8. Затем по команде программного устройства в момент времени t₁ (фиг. 1) на блок управления лавиной 7 последний устанавливает лавинный режим M₁ по данным с датчика лавины 5, измеряющего уровень сигнала от опорного излучателя 11, и датчик частоты определяет в этом режиме частоту f₁ превышения порога выбросами шума, аналогично f* поступающую в решающее устройство. В момент времени t₂ по команде с программного устройства включается ослабление К эталонного ослабителя 3, уменьшающего коэффициент передачи тракта в К=М₂/М₁ раз. По данным с датчика лавины 5 блок управления лавиной 7 устанавливает такой режим фотодиода 1, при котором уровень сигнала от опорного излучателя равен уровню в режиме M₁. Тем самым, устанавливается лавинный режим М₂, после чего программное устройство открывает эталонный ослабитель 3, датчик частоты определяет частоту выбросов шума f₂ и передает этот результат в решающее устройство 8, по этим данным вычисляющее величину α по формуле (15). Результат вычисления выдается в оконечное устройство 9.

Данным методом коэффициент лавинного умножения M₁ устанавливается в относительно широких разрешенных пределах (см. фиг. 3), а заданное отношение М₂/М₁ поддерживается с весьма высокой точностью, определяемой точностью воспроизведения коэффициента К эталонного ослабителя 3 (фиг. 4).

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

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

Таким образом, способ обеспечивает решение поставленной задачи - оптимизацию чувствительности фотоприемных устройств путем оперативного определения шум-фактора приемного тракта 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. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 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 УВО «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 обнаружения оптических сигналов. Патент РФ №2755601 - 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. ГРФМЛ, 1970, - С. 392.

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

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

15. Фотоприемное устройство. А.с. СССР №1679212.

16. Способ порогового обнаружения оптических сигналов. Пат. РФ №2755602.

Изобретение относится к технике выделения сигналов из шума и может быть использовано в областях, где требуется определение параметров шума. Способ обнаружения оптических сигналов включает пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, при этом предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, поочередно устанавливают коэффициент лавинного умножения фотодиода М на трех уровнях М*=1, M₁>1 и М₂>M₁, устанавливают порог срабатывания U на уровне, при котором частоты Р=f(M*), f₁=f(M₁) и f₂=f(M₂) его превышений выбросами шума в режимах M₁ и М₂ удовлетворяют условию f₁<<f₀, регистрируют значения M₁, М₂, f₁ и f₂ и вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=М^α по формуле где , после чего устанавливают оптимальный режим обнаружения оптических сигналов с учетом уточненного параметра α. Изобретение обеспечивает оптимизацию чувствительности фотоприемных устройств путем оперативного определения шум-фактора приемного тракта при построении миниатюрной, в том числе носимой и встраиваемой аппаратуры, работающей в широком диапазоне климатических условий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что предварительно определяют частоту f₀ пересечения шумом нулевого порога, поочередно устанавливают коэффициент лавинного умножения фотодиода М на трех уровнях М*=1, M₁>1 и М₂>M₁, устанавливают порог срабатывания U на уровне, при котором частоты f*=f(M*), f₁=f(M₁) и f₂=f(M₂) его превышений выбросами шума в режимах M₁ и М₂ удовлетворяют условию f<<f₀, регистрируют значения M₁ М₂, f₁ f₂ и вычисляют параметр α шум-фактора лавинного умножения F=М^α по формуле после чего устанавливают оптимальный режим обнаружения оптических сигналов с учетом уточненного параметра α.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоты f₁ и f₂ определяют путем подсчета за время измерения Т количества превышений порога выбросами шума N₁=f₁T и N₂=f₂T.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что время Т выбирают из условия где ϰ<< 1 - коэффициент заданной точности определения N.