Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Элементы теории регистрации сигналов в оптических информационных системах, работающих в режиме счета фотонов 25
1.1 Оптические цифровые системы связи, работающие в режиме счета фотонов 25
1.2 Анализ алгоритмов принятия решений и идентификации двоичных символов в цифровых оптических информационных системах 28
1.3 Анализ источников внешних и внутренних шумов 37
1.4 Анализ физических и статистических свойств оптических полей 39
1.5 Исследование особенностей работы фото детекторов в режиме счета фотонов 40
1.5.1 Физическая и математическая модели фотоэмиссионных устройств и диссекторов 40
1.5.2 Физическая и математическая модели фотоэмиссионных приборов с многоканальной электронной умножительной системой 44
1.5.3 Физическая и математическая модели микроканальных пластин 45
1.5.4 Физическая и математическая модели лавинных фотодиодов 48
1.6 Выбор фотодетекторов для регистрации оптического излучения методом счета фотонов 50
1.6.1 Форма одноэлектронного импульса в фотоэмиссионных приборах 50
1.6.2 Частотные свойства фотоэмиссионных приборов 52
1.6.3 Счетные характеристики одноэлектронных фотоэмиссионных приборов 53
1.6.4 Амплитудное распределение одноэлектронных импульсов фотоэмиссионных приборов 54
1.7 Выявление схемотехнических особенностей построения счетчиков фотонов с амплитудной дискриминацией одноэлектронных импульсов 56
Выводы 57
Глава 2. Обоснование математического аппарата для оценки качества работы фотоэлектронных счетчиков с одним порогом амплитудной дискриминации 59
2.1 Статистическое моделирование процесса фотодетектирования 60
2.1.1 Модель потока фотоэлектронов 61
2.1.2 Алгоритмы генерации моментов появления фотонов 62
2.2 Аппроксимация формы одноэлектронного импульса 64
2.3 Условная вероятность регистрации п одноэлектронных импульсов при генерации и фотоэлектронов 65
2.4 Достоверность результатов регистрации световых полей 68
2.5 Оценка влияния частотных свойств фотодетектора на условные вероятности регистрации потока фотонов 69
2.6 Условные вероятности регистрации инерционной фотоприемной аппаратурой jодноэлектронных импульсов при генерации п фотоэлектронов 71
Выводы 84
Глава 3. Разработка статистической модели процесса регистрации потока одноэлектронных импульсов фотоэлектронными счетчиками с одним порогом амплитудной дискриминации 86
3.1 Моделирование работы фотоэлектронных счетчиков без учета флуктуации амплитуд одноэлектронных импульсов 87
3.2 Учет влияния случайного характера процесса умножения заряда в фотоэмиссионном приборе на точность регистрации потока одноэлектронных импульсов 89
3.3 Моделирование флуктуации формы одноэлектронных импульсов 96
3.4 Точность регистрации потока одноэлектронных импульсов при случайном характере процесса умножения заряда в фотоэмиссионном приборе 100
3.5 Обоснование достоверности моделирования 106
3.6 Оценка эффективности оптических информационных систем с приемниками Неймана-Пирсона и методика оценки их характеристик 107
Выводы 112
Глава 4. Исследование и разработка фотоэлектронных счетчиков с многопороговой амплитудной дискриминацией одноэлектронных импульсов и их статистические модели 114
4.1 Выбор оптимальных порогов амплитудной дискриминации без учета флуктуации амплитуд одноэлектронных импульсов 117
4.2 Оптимизация порогов амплитудной дискриминации с учетом флуктуации вторичной эмиссии электронов в динодной системе фотоэмиссионного прибора 121
4.3 Моделирование работы многопороговых фотоэлектронных счетчиков без учета флуктуации коэффициента умножения динодной системы фотоэмиссионного прибора 123
4.4 Моделирование работы многопороговых фотоэлектронных счетчиков с учетом флуктуации амплитуд одноэлектронных импульсов 125
4.5 Структура и алгоритм работы фотоэлектронного счетчика с многопороговой амплитудно-временной селекцией одноэлектронных импульсов 129
4.5.1 Предлагаемое техническое решение и описание работы фотоэлектронного счетчика с многопороговой амплитудно-временной селекцией одноэлектронных импульсов 129
4.5.2 Эффективность предлагаемого технического решения 134
4.6 Оценка эффективности оптических информационных систем с приемниками Неймана-Пирсона и методика оценки характеристик приемной аппаратуры с многопороговыми фотоэлектронными счетчиками 137
Выводы 142
Глава 5. Оценка эффективности оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов на основе амплитудных методов селекции одноэлектронных импульсов 145
5.1 Обнаружение источников полезного когерентного оптического сигнала на фоне медленно флуктуирующего шумового излучения в системах вхождения в связь 146
5.2 Обнаружение источников сигнала реального генератора на фоне медленно флуктуирующего шумового излучения в системах вхождения в связь 150
5.3 Обнаружение некогерентного сигнала на фоне медленно флуктуирующего шумового излучения в системах вхождения в связь 153
5.4 Эффективность системы связи с кодово-импульсной амплитудной модуляцией при работе декодирующего устройства по правилу Зигерта-Котельникова 155
Выводы 163
Заключение 165
Список литературы 167
Приложения 177
- Анализ алгоритмов принятия решений и идентификации двоичных символов в цифровых оптических информационных системах
- Условная вероятность регистрации п одноэлектронных импульсов при генерации и фотоэлектронов
- Учет влияния случайного характера процесса умножения заряда в фотоэмиссионном приборе на точность регистрации потока одноэлектронных импульсов
- Выбор оптимальных порогов амплитудной дискриминации без учета флуктуации амплитуд одноэлектронных импульсов
Введение к работе
Актуальность темы. При работе оптических (атмосферных, космических, световодных) информационных систем в режиме счета отдельных фотонов возможно не только значительно увеличить предельным энергетический потенциал системы, но и повысить степень защиіьі передаваемой информации от несанкционированного доступа
Существует большое количество работ, посвященных нахождению рабочих характеристик и оценке эффективности ошическич информационных систем, рабоїаюшнх в режиме счета фотонов. Однако во всех известных работах предполагается применение сверхширокополосной фоюнриемной аппаратуры. Лнюрами так и оімечается. что вероятность наложения одно электронных импульсов (ОИ). представляющих собой отклик фотоприемника на сгенерированный им фоюэлектрон (<Ю), ничтожно мала. Однако реальные параметры фотоприемпой аппараіурьі и фотоэлектронных счетчиков, построенных на их основе, а именно, часюшые свойства фотоэмиссионных приборов (ФЭП), случайный характер размножения заряда в динодной системе ФЭП. уровни амплитудной дискриминации (АД), быстродействие АД и счетчика импульсов, существенно сказьіваюіси па эффективности работы оптических телекоммуникационных систем. Дейстниіельно. при использовании инерционных Ф'ЗП с ростом энергии сигнала (количества сгенерированных фотоэлектронов за длительность информационного символа) или при уменьшении времени наблюдения просі рапсі венпого элемента разложения в поисковых оптических системах вхождения в связь до десятков и единиц наносекунд, происходит ухудшение характеристик приемной аппаратуры за счет полного или частичного взаимного наложения ОИ. Наиболее эффективным способом селекции наложившихся ОИ является применение в фотоэлектронных счетчиках многопороговой амплитудной дискриминации ОИ. Па данный момент проблема оценки влияния параметров узлов фотоприемников на качественные и количественные показатели оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов, исследована очень мало. Эю связано в первую очередь с большой сложностью постановки натурных экспериментов.
Также, практически не существует алгоритмов и программных средств, как элементов обработки информации (потока ОИ) и позволяющих оценивать эффективность оптических телекоммуникационных систем, работающих в режиме счета фоюнов, в условиях действия внешних и внутренних шумов и при использовании серийно выпускаемой промышленностью фотоприемной аппаратуры.
Актуальность темы подшерждаегся и тем фактом, что согласно проведенным автором патентным исследованиям область применения метода регистрации световых потоков отдельными фотонами непрерывно расширяется и повышается эффективность регистрации в результате использования приемов улучшающих пороговую чувствительность фотодетекторов и расширяющих динамический диапазон регистрируемых световых сигналов.
Цель її задачи работы. Целью диссертационной работы является развитие теории приема световых сш палов в ошическич ипформационныч системач. работающих в режиме счета фотонов, на основе амплитудных методов селекции ОИ и совершенствование технической базы приемных комплексов оптических телекоммуникационных систем.
Для достижения поставленной пели решались следующие задачи:
-
Систематизация и сравнительный анализ методов селекции ОИ. включая оценку патентно-лицензионной ситуации и технического уровня, прогноз тенденций развития аппаратуры.
-
Обоснование математическою апиараіа, основанного на трапецеидальной аппроксимации формы ОИ, позволяющею оценивать качество набитыЛІЖЩУ'ЙТО^ЦЧь'4
СЧЄТЧИК0В ' С БИБЛИОТЕКА
gsferi
?HW
СПетербург 09
-
Анализ особенностей функционирования оптических информационных систем на основе фотоэлектронных счетчиков (ФЭС) с многопороговой амплитудной селекцией наложившихся ОИ и выработка рекомендаций по выбору оптимальных порогов амплитудной дискриминации как с точки зрения максимизации вероятности правильной регистрации ФЭ. так и с точки зрения минимизации требований к стабильности пороговых уровней ЛД.
-
Разработка и обоснование сіатисіической модели процесса регистрации оптического излучения ФЭС с амплитудными методами селекции ОИ и разработка программных средств, как элементов обработки потока ОИ и позволяющих оценивать эффективность работы оптических информационных систем при передаче данных фотонами.
"5. Совершенствование технической базы приемных комплексов оптических телекоммуникационных систем и разработка ФЭС, позволяющих значительно расшириіь динамический диапазон в сторону приема более интенсивных излучений как за счет оптимального различения ОИ, так и за счет селекции темповых ОИ при их наложении на ОИ оптического излучения. 6. Количественная оценка эффективности оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов, с учетом параметров узлов ФЭС и разработка методики расчета их характеристик. Научная задача исследования. Развитие теории приема световых сигналов в оптических информационных системах, работающих в режиме счета фотонов, на основе амплитудных методов селекции ОИ, разработка и научное обоснование модели многопорогового фотоэлектронного счетчика, совершенствование технической базы приемных комплексов телекоммуникационных систем, разработка фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ и методик расчета их характеристик.
Предметами исследования являются: отичсские телекоммуникационные системы, работающие в режиме счета фотонов; алгоритмы и программные средства как элементы обработки потока ОИ с выхода фотодетектора, позволяющие оценивать их эффект ивность; технические решения и статистические модели ФЭС с амплитудными методами селекции ОИ; условные вероятности регистрации оптических сигналов.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием методов математической статистики, теории вероятностей, теории оптимального обнаружения и приема оптических сигналов. Экспериментальная часть работы основана на численных методах машинного моделирования и вычислительного эксперимента с использованием языков высокого уровня программирования.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, теоретическим обоснованием, основанным на использовании строгого математического аппарата, применением многократно проверенных математических моделей системы, практически полным совпадением теоретических результатов с результатами статистического моделирования и экспертизами, проведенными при получении патента Российской Федерации и свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и широким обсуждением результатов на НТК.
Научная новизна работы. В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача, заключающаяся в развитии теории приема световых сигналов в" оптических (атмосферных, космических и световодных) информационных системах, работающих в режиме счета фотонов, на основе амплитудных методов селекции ОИ.
Научная новизна работы состоиі в следующем: 1. Развит математический аппарат, основанный на использовании трапецеидальной аппроксимации формы ОИ, и получены оценочные аналитические выражения для расчета условных вероятностей P{j|n) регистрации j ОИ при генерации п ФЭ инерционными фотоэлектронными счетчиками с одним порогом АД.
-
Научно обоснована модель ФЭС с амплитудными методами селекнии ОИ и разработаны алюритмы и нроіраммньїе средства. позволяющие оценивать эффективность ошических информационных систем при передаче данных фоюнами.
-
Выработаны рекомендации по выбору отнмальпых уровней АД фотоэлектронных счетчиков с многопорої овой селекцией ОИ как с і очки зрения максимизации вероятности правильной регистрации ФЭ, так и с точки зрения минимизации требований к сіабильиосіи уровней АД, с уіеіом случайною харак і ера умножения заряда в ФЭП.
-
Применение мноюпороговой амилигудио-временной селекции ОИ позволило усовершенствован. іехническ\ю базу приемных комплексов ошических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов, а именно расширить динамический диапазон в сюроиу приема более интенсивных излучений
-
Дана количественная опенка эффекпшносш приемной апнараіурьі оптических информационных сисіем. рабоїаюших в режиме счета фотонов, с \чсіом параметров узлов фотоэлектронных счетчиков
Научная новизна предложенных алгоритмов и систем, подтверждаеіся публикациями автора, патентом на изобретение и свидетельством на программу для ЭВМ.
Практическая значимость. Предложен и защищен паїентом №2190196 РФ научно обоснованный способ регистрации слабых световых сигналов, позволяющий подавлять дополнигелыю более 20% ОИ іемнового юка, что значиїсльно снижаеі вероятность ошибки при идентификации двоичных символов в приемной аппаратуре цифровых оптических сисіем связи при передаче данных отдельными фотонами. В данном патенте РФ предложены технические решения, позволяющие реализовать этот способ.
I фактическая значимость диссертационной работы определяется следующим:
-
Разработаны алгоритмы и программы для ЭВМ, позволяющие получаїь численные значения условных вероятностей регистрации оптическою излучения фотоэлектронными счетчиками с амплитудными метлами селекнии ОИ при случайном характере вторичной электронной эмиссии динолной сиаемы ФЭП и оценивать эффективность работы оптических телекоммуникационных систем при передаче данных отдельными фотонами.
-
Предложены варианты технических решений ФЭС с многопороговой амплитудно-временной селекцией ОИ, позволяющие усовершенствовать техническую базу приемных комплексов оптических информационных сисіем, работающих в режиме счета фотонов. Так, введение в фотоэлектронный счетчик дополнительно второго АД позволило снизить ошибку регистрации при приеме трех ФЭ более чем в 12 раз. Введение дополнительно многопороговой временной селекции по уровням 0,7 от средней длительности ОИ гарантирует полную селекцию ОИ темпового тока, наложившегося на ОИ оптического изучения, что полностью устраняет ошибку регистрации, при условии постоянства амплитуд ОИ. При этом потери полезного сигнала отсуїсівуют.
-
Сформулированы іребования к выбору порогов АД фотоэлектронных счетчиков с амплитудной селекцией ОИ. Установлено, что выбор нормированных порогов АД фотоэлектронных счетчиков, при случайном характере вторичной электронной эмиссии динодной сиаемы ФЭП, на уровне UH,mpi=0.5. UHn0p2=l,5 и UHnop3=2,5 гарантирует максимизацию вероятности правильной регисчрации ФЭ.
-
Установлено, что введение второго АД в схему ФЭС позволяет ) величінь вероятность правильной регистрации четырех ФЭ более чем в 4 раза при случайном характере вторичной электронной эмиссии ФЭП, по сравнению с однопороювым фоюэлекфонным счетчиком. Также, введение шорою АД позволяет снизшь требования к полосе upon)екания ФЭП более чем в 4 раза при неизменном значении верояїносіи правильной регистрации ФЭ но сравнению с одпопороговым фоюэлекгронным ечеічиком.
-
При анализе работы цифровых оптических систем связи с активной и пассивной паузами установлено, что при фиксированной полосе пропускания ФЭП увеличение количества порогов АД с одною до двух приведет к уменьшению полной вероятности
ошибки в системе связи более чем в 60 раз и расширению динамического диапазона регистрируемых сигналов более чем в 3 раза.
-
Разработаны программы для ЭВМ, позволяющие дать количественную оценку влияния параметров узлов ФЭС на эффективность оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов, в условиях действия внешних и внутренних шумов. Установлено, что при действии в канале пуассоновской помехи добавление только второго АД позволяет уменьшить вероятность ошибочной идентификации двоичного символа "О" более чем в 13 раз. а третьего АЛ— почти в 40 раз.
-
Разработана методика расчета характеристик приемной аппаратуры оптических информационных систем при передаче данных отдельными фотонами на основе фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ.
Научные результаты работы реализованы в разработках НКБ "Миус" (г. Таганрог); в учебном процессе кафедры РЭС ЗиС ТРТУ (г. Таганрог) и кафедры РЭС Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты) в лекционном материале, лабораторных работах.и исследовательской работе студентов (имеются соответствующие акты о внедрении и справки об использовании).
Результаты, выносимые на защиту:
-
Математический аппарат для оценки точности регистрации оптического излучения инерционными фотоэлектронными счетчиками с одним порогом амплитудной дискриминации, основанный на трапецеидальной аппроксимации формы ОИ.
-
Результаты статистического моделирования работы фотоэлектронных счетчиков с амплитудными методами селекции ОИ с учетом и без учета флуктуации амплитуд ОИ.
-
Сравнительный анализ полученных теоретических результатов с результатами моделирования работы фотоэлектронных счетчиков, как подтверждение достоверности разработанных моделей, алгоритмов и программ для ЭВМ.
-
Методика выбора оптимальных пороговых уровней АД фотоэлектронных счетчиков.
-
Технические решения фотоэлектронных счетчиков с многопороговой амплитудно-временной селекцией ОИ и обоснование их эффективности.
-
Результаты количественной оценки эффективности оптических информационных систем, работающих в режиме счета фотонов, с амплитудными методами селекции ОИ.
Личный вклад автора. Все основные научные результаты, результаты патентных исследований уровня техники по теме диссертации, аналитические выражения для расчета условных вероятностей регистрации ФЭ, результаты моделирования работы ФЭС, разработка алгоритмов и программных средств как элементов обработки потока ОИ с выхода ФЭП, оценка эффективности оптических информационных систем в режиме счета фотонов и разработанные рекомендации по построению ФЭС с амплитудными методами селекции ОИ, приведенные в диссертации, получены автором лично.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Общий объем диссертации 180 страниц, включая 6! иллюстрацию, 8 таблиц, список литературы из 151 наименования.
Анализ алгоритмов принятия решений и идентификации двоичных символов в цифровых оптических информационных системах
В оптических информационных системах находят широкое применение цифровые методы передачи данных. Эти методы, по сравнению с аналоговыми методами модуляции, позволяют значительно уменьшить вредное влияние атмосферы.
В цифровых системах связи используются два режима передачи — либо передача непосредственно каждого двоичного символа, либо передача блоков двоичных символов. В первом случае системы связи называются цифровыми двоичными системами, во втором — цифровыми системами с блочным кодированием. Задачей приемного устройства, в этих случаях, является не столько восстановление действительной формы переданного сигнала, сколько простое обнаружение или декодирование символа (т.е. различение и идентификация символов) [58].
Каждый двоичный символ отождествляется с одной из двух возможных форм сигнала, одна форма соответствует двоичной единице, другая — двоичному нулю. Каждая форма сигнала имеет конечную длительность Т, с. Последовательность форм сигналов затем передается по каналу к приемнику. Декодирующее устройство приемника осуществляет решение, какой из двух возможных двоичных символов был принят в течение Т, с. Поскольку процедура кодирования известна в приемном устройстве, правильное решение о принятой форме сигнала будет соответствовать истинному двоичному символу. Процесс передачи информации по каналу связи происходит в условиях действия шумов и различного рода искажений. Последние приводят к появлению ошибок при декодировании двоичных символов, вследствие чего эффективность системы связи ухудшается. При передаче цифровой информации необходима точная синхронизация работы кодирующего и декодирующего устройств. Такая временная синхронизация осуществляется специальной подсистемой синхронизации. В дальнейшем полагаем, что с помощью подсистемы синхронизации обеспечена идеальная синхронизация декодирующего устройства.
В оптической двоичной цифровой системе связи каждому двоичному символу длительностью Т, с, соответствует генерация оптического поля. Широко распространенным способом передачи цифровой информации в оптическом диапазоне является передача модулированного по интенсивности лазерного излучения в соответствии с передаваемым двоичным символом (системы с активной и пассивной паузой) [8,58]. В приемном устройстве с помощью фото детектора (фотоэмиссионного прибора) осуществляется выделение модулированного по интенсивности оптического поля. Полученный сигнал затем используется для декодирования двоичного символа. Такая система связи называется системой с прямым детектированием или пространственно-некогерентной двоичной системой (поскольку в ней осуществляется выделение сигнала, пропорционального интенсивности оптического поля) [58]. В системах с прямым детектированием используется метод счета фотонов, фотоэлектронов или одноэлектронных импульсов, эквивалентный энергетическому приему [20]. Альтернативной системой связи является система, в которой сигнал, соответствующий двоичному символу, используется для модуляции по амплитуде, фазе или частоте лазерного излучения. В такой системе для выделения двоичной информации используется метод пространственно-когерентного гетеродинирования [58].
По сравнению с приемными устройствами работающими на низких частотах энергетические приемники в оптическом диапазоне в ряде случаев являются более предпочтительными вследствие их большей простоты по сравнению с оптическими гетеродинными приемниками, являющимися весьма сложными и критичными в конструировании и настройке. Кроме того, эффективность приема на фотоэлектронных счетчиках (квантовых счетчиках) в ряде систем выше эффективности супергетеродинных приемников [10, 59].
На рис. 1.2 приведена обобщенная структурная схема приемника оптической информационной системы, использующего режим счета ФЭ.
Как видно из рис. 1.2, структурная схема состоит их двух частей. Первая часть — это фотоэлектронный счетчик, предназначенный для определения уровня интенсивности поля путем подсчета количества фотоэлектронов, сгенерированных фоточувствительной поверхностью фотодетектора (фотокатодом), в течение длительности двоичного символа Т. Типовой режим счета ФЭ предполагает применение ФЭП, к выходу которого через АД подключается счетчик числа ОИ в течение длительности двоичного символа (времени наблюдения пространственного элемента разложения в системах вхождения в связь). ОИ представляет собой отклик одноэлектронного ФЭП на сгенерированный ФЭ.
Вторая часть представляет собой блок оптимальной обработки сигнала (декодирующее устройство). Оптимальная обработка сигнала с выхода фотоэлектронного счетчика базируется на основе теории решений. Применительно к теории связи методы теории решений имеют ряд достоинств. Как отмечено в [93], эти методы характеризуются тремя существенными особенностями: 1) они дают структуру оптимальной системы, 2) позволяют оценить ожидаемое качество оптимальной системы и 3) дают возможность количественного сравнения реальных систем с теоретически оптимальными. Кроме того, методы теории решений предоставляют гораздо более общие и близкие к реальным условиям способы конструирования систем. Применение теории решений приводит к единой количественной теории оптимальных систем, позволяет оценивать эффективность или качество этих систем и сравнивать их между собой, а также определяет структуру систем. Данная теория, применительно к оптическим системам связи, достаточно хорошо развита и широко освещена в литературе (в частности в [8, 10]).
Условная вероятность регистрации п одноэлектронных импульсов при генерации и фотоэлектронов
Как показано выше и в [71], параметр а позволяет одновременно учитывать влияние на условные вероятности счета ФЭ как длительности информационного символа (времени наблюдения) Т и характеристик самого одноэлектронного ФЭП, так и нормированного уровня АД UH.n0p фотоэлектронного счетчика.
Как следует из (2.9) изменение параметра а эквивалентно изменению полосы пропускания ФЭП Пфэп при фиксированных значениях параметров Ьф31„ Т и U„.nop. При этом увеличение а эквивалентно сужению полосы пропускания ФЭП. Соответственно, анализируя диапазоны изменения а можно делать выводы о том, каким образом поведут себя условные вероятности регистрации P{jn} [76].
В табл. 2.1 приведены области изменения параметра а, в пределах которых аналитические выражения для оценки условных вероятностей P{jn} не изменяются. Проанализируем данные табл. 2.1. Из выражения (2.9) следует, что при а 1 критическая величина разнесения временных моментов появления соседних ОИ Д1кр равна или превосходит время измерения (наблюдения) Т. Это, в свою очередь, приводит к тому, что фотоэлектронным счетчиком будет зарегистрирован только один ОИ, в то время как сгенерировано п ФЭ, т.е. при ос 1 имеем Р{ 1п}=Т.
Действительно, пусть используется лазер с длительностью импульса излучения ти=Т=10 не, тогда при а=1,1 имеем tKp=aT=ll не. Т.е. для раздельной регистрации двух ФЭ (самый простой случай), при условии что первый появился в момент времени принадлежащий некоторому условному полуинтервалу (0, 10 не], второй должен появиться в полуинтервале времени (11,21 не], т.е. отстоять от первого не менее чем на 11 не. А т.к. в этот промежуток времени фотоприемник не реагирует на поток ФЭ (например, отсутствует стробирующий импульс), то будет зарегистрирован только один ОИ. Это справедливо для любой интенсивности принимаемого излучения при а 1.
Можно показать, что при использовании фотоэлектронного счетчика с такими частотными свойствами, что параметр а удовлетворяет условию 1/2 а 1, то однозначно можно сделать вывод о том, что им возможна регистрация с отличной от нуля вероятностью только одного или двух ОИ (j = 1,2) при генерации п 2 ФЭ. В случае же выполнения условия 1/3 а 1/2 возможна регистрация только j = l, З ОИ с отличной от нуля вероятностью, при генерации п ФЭ. Аналогичные выводы можно сделать для всех остальных условий (см. табл. 2.1) [76]. Т.е. использование инерционных фотоэлектронных счетчиков (с большими значениями параметра а) в приемной аппаратуре оптических информационных систем приводит к ошибке при принятии решения об обнаружении источников полезного излучения (к ошибке идентификации двоичных символов) в декодирующем устройстве из-за полных взаимных наложений ОИ на выходе ФЭП.
Только в случае выполнения условия а 1/(п -1) возможно зарегистрировать с ненулевой вероятностью все п сгенерированных ФЭ [26, 76]. Таким образом, зная частотные свойства фотоэлектронного счетчика, можно однозначно сделать вывод о предельной интенсивности принимаемого оптического излучения, при которой вероятность правильной регистрации еще отлична от нуля, т.е. Р{пп} 0. Действительно, пусть значение параметра а для определенного фотоэлектронного счетчика составляет а=0,3. Тогда из табл. 2.1 находим, что максимальное количество ФЭ, которое еще может быть зарегистрировано с отличной от нуля вероятностью, равно nmax=4 (Р{44} 0). Соответственно, при использовании лазера с длительностью импульса излучения т Т Ю не и длиной волны излучения А.=0,5 мкм, имеем для искомой предельной интенсивности где Й = 6,63 10 Дж-с — постоянная Планка; с—3-108 м/с — скорость света в вакууме; г)=0,1 —квантовая эффективность фотокатода одноэлектронного ФЭП.
Учет влияния случайного характера процесса умножения заряда в фотоэмиссионном приборе на точность регистрации потока одноэлектронных импульсов
В предыдущих главах диссертации проанализированы основные факторы, влияющие на эффективность оптических информационных систем. Показано, что существенное значение на рабочие характеристики поисковых систем вхождения в связь и на полную вероятность ошибки в системах цифровой оптической связи оказывают параметры узлов фотоэлектронных счетчиков, и получены оценочные аналитические выражения для расчета условных вероятностей P{jn} регистрации j ОИ при генерации п ФЭ. Однако, эти выражения получены при следующих допущениях: 1) флуктуации формы и амплитуды ОИ отсутствуют; 2) использована кусочно-линейная (трапецеидальная) аппроксимация формы ОИ. Получение оценочных аналитический выражений для условных вероятностей регистрации P{jn} без использования аппроксимации и с учетом случайного характера вторичной электронной эмиссии динодной системы одноэлектронного ФЭП является довольно сложной математической задачей. Учитывая практическую значимость знания этих условных вероятностей и невозможность проведения точного натурного эксперимента для их оценки, решено провести статистическое моделирование работы фотоэлектронных счетчиков. В [124] показано, что точный эксперимент в области сложных систем связан с большими затратами времени и средств и во многих случаях сопряжен со значительными организационными трудностями. Иногда натурный эксперимент вообще становится малоэффективным и использование его не целесообразно [125]. В настоящей главе предпринимается попытка посредством статистического моделирования получить численные значения условных вероятностей регистрации P{jn} без использования трапецеидальной аппроксимации формы ОИ и оценить влияние случайного характера процесса вторичной электронной эмиссии динодной системы одноэлектронного ФЭП на точность регистрации потока ФЭ. С этой целью последовательно решаются следующий задачи: 1) уточняются исходные посылки для моделирования амплитудного распределения ОИ; 2) исследуются факторы, определяющие флуктуации амплитуды и формы ОИ; 3) обосновывается статистическая модель регистрации потока ФЭ в ФЭП; 4) анализируются результаты статистического моделирования; 5) разрабатываются программы для ЭВМ, позволяющие оценивать эффективность оптических информационных систем при использовании инерционных фотоэлектронных счетчиков с одним порогом амплитудной дискриминации; 6) приводятся варианты использования полученных результатов для оценки эффективности работы оптических информационных систем. 3.1 Моделирование работы фотоэлектронных счетчиков без учета флуктуации амплитуд одноэлектронных импульсов Для оценки величины ошибки, вносимой трапецеидальной аппроксимацией в условные вероятности регистрации, в качестве примера рассмотрим и проанализируем случай генерации фотокатодом ФЭП четырех ФЭ (п=4) за длительность интервала измерения (за время наблюдения пространственного элемента разложения в системах вхождения в связь, за длительность информационного символа) Т. При этом предполагается отсутствие флуктуации амплитуды и формы ОИ. Исходными данными для моделирования являются: N„cn — количество статистических испытаний; UH.nop — уровень амплитудной дискриминации, нормированный относительно максимальной амплитуды ОИ; а — универсальный параметр регистратора (2.9). В модели на первом этапе, посредством функции randomize языка Borland C++ Builder [126, 127], генерируются четыре независимых целочисленных случайных числа t k на полуинтервале [О, Т). Т.к. величина t 2 может быть как больше, так и меньше t ,, то необходимо упорядочить эти величины так, чтобы выполнялось условие t, t2. Соответственно, моменты появления ФЭ 11,12,t3»t4 представляют упорядоченную последовательность случайных величин t j ,t 2, t 3, t 4. Далее в алгоритме для каждого момента t; вычисляется гамма-функция (ОИ), представляющая собой отклик ФЭП на сгенерированный ФЭ. Т.к. значение параметра а может быть таким, что неизбежны взаимные наложения ОИ, то необходимо знание и исследование суммарного процесса (отклика от всех п=4 ФЭ) на выходе ФЭП, который представляет собой напряжение u(t). Значение этого напряжения, нормированное относительно средней амплитуды ОИ, может быть найдено из следующего выражения Для принятия решения о количестве сгенерированных ФЭ необходимо вычислить количество пересечений процесса (3.1) с нормированным пороговым уровнем амплитудной дискриминации UHnop. При количестве пересечений 2, 4, 6 или 8 будет принято решение о регистрации одного, двух, трех или четырех ОИ соответственно. По этим значениям заполняются ячейки памяти Kj, К2, Кл и К4. Накопленная в них информация позволяет но завершению всех статистических испытаний рассчитать условные вероятности P{jn} регистрации j ОИ при генерации четьфех ФЭ: Р(Й)= Kj/N. В модели предусмотрена возможность наблюдения изменений условных вероятностей P{j4} при изменении полосы пропускания системы ПфЭП, длительности интервала наблюдения Т и нормированного уровня амплитудной дискриминации UH.nop (т-е- ПРИ изменении параметра а) [81, 86]. На рис. 3.1 приведены зависимости условной вероятности регистрации а) Р{14} одного ОИ, б) Р{24} двух ОИ, в) Р{34} трех ОИ и г) Р{44} четырех ОИ при генерации четырех ФЭ от значения параметра а, для случаев использования трапецеидальной аппроксимации формы ОИ (сплошная линия) и непосредственно гамма-функции (пунктирная линия).
Выбор оптимальных порогов амплитудной дискриминации без учета флуктуации амплитуд одноэлектронных импульсов
Регистрация слабых световых сигналов в режиме счета отдельных фотонов непрерывно развивается в направлении поиска способов и технических решений, позволяющих улучшить качественные показатели регистраторов [21, 88].
В ходе патентного поиска [21], посвященного регистраторам слабых световых сигналов и проведенного с участием автора диссертации, выявлено и описано свыше 50 авторских свидетельств, заявок и патентов, выданных на способы и устройства регистрации слабых световых потоков, и установлено, что задачи, на решение которых направлена большая часть существующих изобретений, заключаются в следующем: — подавление ОИ темнового тока (шумовых ОИ), обязанного своим появлением термо-, авто- или фотоэмиссии вторичных электронов в динодной системе или с катода и колбы ФЭП; — исключение взаимного наложения ОИ оптического излучения; — различение наложившихся ОИ, обязанных своим появлением ФЭ оптического излучения; — селекция ОИ темнового тока (шумовых ОИ) при наложении их на ОИ оптического излучения. Под ФЭ оптического излучения будем понимать поток электронов, сгенерированных катодом ФЭП под действием внешнего оптического поля (полезный сигнал+фон). Задача подавления ОИ темнового тока решается оптимальным выбором уровня амплитудной дискриминации первого АД, преобразующего поток ОИ с выхода ФЭП в последовательность нормированных по амплитуде импульсов. При этом выбор уровня амплитудной дискриминации в районе провала кривой АРОИ позволяет уменьшить вклад экспоненциальной составляющей распределения в общем выходном сигнале на 70...80%, тогда как потеря полезного сигнала (потока ОИ вызванного фотоэлектронами оптического излучения) составляет всего лишь 3...4% [112]. Повысить эффективность подавления ОИ темнового тока, обязанного своим появлением термо-, авто- или фотоэмиссии вторичных электронов в динодной системе или с катода и колбы ФЭП, позволяет способ описанный в [63]. При этом предполагается, что электроны, вызывающие появление темнового тока, обладают энергией достаточной для порождения на первом диноде ФЭП в 2 -3 раза меньшего количества вторичных электронов, по сравнению ФЭ оптического излучения. В [63] доказано, что наиболее высокая эффективность селекции ОИ темнового тока осуществляется при амплитудной дискриминации по уровню 0,5 от амплитудного значения ОИ и временной селекции по уровню 0,2 от средней длительности ОИ. При этом следует отметить, что введение временной селекции вызывает дополнительные потери сигнала, по сравнению с обычной однопороговой амплитудной дискриминацией, всего лишь около 1,1 % [67].
Задача исключения взаимного наложения ОИ оптического излучения решается путем применения ФЭП специальных конструкций, таких как ФЭП с МЭУС [63, 135-141]. Как отмечалось в главе 1 диссертации, развертка потока ФЭ по входам МЭУС обеспечивает резкое снижение вероятности одновременного попадания в канал двух и более ФЭ. Кроме того, таким способом удается снизить вероятность одновременного формирования в одном канале ОИ оптического излучения и ОИ темнового тока с фотокатода или с колбы одноэлектронного ФЭП.
Наиболее эффективным способом решения третьей обозначенной задачи, направленной на различение наложившихся ОИ оптического излучения, является применение многопороговой (многоканальной) амплитудной селекции ОИ [27, 142-144].
При многопороговой амплитудной селекции ОИ уровни амплитудной дискриминации компараторов возрастают с ростом номера канала. При срабатывании определенного компаратора в решающем блоке принимается решение о регистрации соответствующего количества ФЭ. При этом может возникнуть ситуация, когда один из компараторов сработает из-за ОИ, представляющего собой взаимное наложение сигнального (оптического) ОИ и ОИ темнового тока (шумового ОИ). В связи с этим возникает ошибка в точном определении количества принятых ФЭ. В этом случае снизить ошибку регистрации позволяет многопороговая амплитудно-временная селекция ОИ предложенная авторами работы [67]. В этом случае к выходу каждого компаратора подключается свой индивидуальный временной селектор, предназначенный для селекции ОИ, длительность которых меньше заданной. Таким образом, количество временных селекторов равно количеству АД.
На данный момент существует достаточно большое количество патентов и авторских свидетельств посвященных многопороговой селекции наложившихся ОИ, например [142-144]. Устройство по патенту 1383977 РФ [144] содержит ФЭП, широкополосный усилитель (ШУ), N компараторов, N формирователей импульсов, N линий задержки, N элементов ИЛИ-НЕ первой и второй групп, N счетчиков импульсов, сумматор, генератор тактовых импульсов (ГТИ) и решающий блок. Уровни амплитудной дискриминации компараторов 1 возрастают с ростом номера канала. Пороговый уровень первого компаратора выбирается из условия дискриминации ОИ темнового тока и подбирается в пределах 0,5 - 0,9 от амплитуды ОИ [112]. Данное изобретение позволяет повысить точность счета фотонов в широком диапазоне изменений интенсивности светового потока. Повышение точности регистрации достигается тем, что в регистраторе обеспечивается различение двух наложившихся ОИ. При фиксированной точности обеспечивается снижение требований к широкополосности фотоприемного канала. Устройство по патенту 1258164 РФ [142] содержит ФЭП, ШУ, N компараторов. N счетчиков, сумматор, блок стробирования, ГТИ и ЛЗ. В данном патенте повышение точности счета фотонов, при сохранении диапазона измерений, достигается обработкой информации с выхода ШУ в системе из N каналов, состоящих из последовательного соединения компараторов и счетчиков. При значительных засветках ФЭП информация об интенсивности излучения содержится в амплитуде результирующего процесса. Увеличение уровня выставляемого порога срабатывания компаратора, с ростом номера канала, обеспечивает различение двух и более наложившихся ОИ.
