Способ регистрации импульсного сигнала

 

Изобретение относится к регистрации сигналов с помощью приборов с передачей заряда, в частности к обнаружению в шумах импульсных фотосигналов, и может быть использовано в устройствах дискретно-аналоговой обработки сигналов. Цель изобретения - повышение отношения сигнал/шум и точности определения момента прихода импульса сигнала. Цель достигается за счет того, что время накопления и эффективное время усреднения могут устанавливаться независимо друг от друга, причем эффективное время усреднения может быть сделано значительно больше времени накопления. Способ заключается в том, что периодически считывают часть накапливаемого заряда , оставшуюся часть заряда запоминают и суммируют с поступающим в процессе накопления зарядом, при этом время накопления Т выбирают не более 1/3 эффективной длительности Тн импульса сигнала, а отношение М накапливаемого .заряда к его отделяемой части удовлетворяет соотношению VM(M- 1) «упри о 0,5-1,5. 5 ил. сл С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 01 27/148

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4787923/25 (22) 31.01.90 (46) 23,04.92. Бюл. М 15 (71) Научно-производственное объединение

"Орион" (72) Ю, P. Винецкий и М. А. Трищенков (53) 621.382.(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 862751, кл.Н 01 (27/10, 1979.

Chan W. С. Detector-charge-coupled

devices(CCD) interface methods // Proc. Soc.

Photo Instr. lug. ч 244,1980, р. 81-90, fig 14а. (54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА (57) Изобретение относится к регистрации сигналов с помощью приборов с передачей заряда, в частности к обнаружению в шумах импульсных фотосигналов, и может быть использовано в устройствах дискретно-аналоИзобретение относится к способам регистрации сигналов с помощью приборов с переносом заряда и может быть использовано в устройствах дискретно-аналоговой обработки сигналов — электронных трактах электронно-оптическихсистем,мультиплексорах аналогового сигнала, видеопроцессорах, дискретно-аналоговых фильтрах — для реализации квазиоптимального обнаружителя колоколообразного импульса в смеси с аддитивным широкополосным шумом.

Известен способ регистрации импульсного сигнала с помощью прибора с переносом заряда, в котором для увеличения отношения сигнал/шум снижают собственный шум прибора с переносом заряда.... БЫ 1728902А1 говой обработки сигналов, Цель изобретения — повышение отношения сигнал/шум и точности определения момента прихода импульса сигнала. Цель достигается за счет того, что время накопления и эффективное время усреднения могут устанавливаться независимо друг отдруга, причем эффективное время усреднения может быть сделано значительно больше времени накопления.

Способ заключается в том, что периодически считывают часть накапливаемого заряда, оставшуюся часть заряда запоминают и суммируют с поступающим в процессе накопления зарядом, при этом время накопления Т выбирают не более 1/3 эффективной длительности Т> импульса сигнала, а отношение М накапливаемого заряда к его отделяемой части удовлетворяет соотношению (Тт

VQ(M — )) =а — при а» 0,51,5, 5 ип.

Известен также способ регистрации сигнала с помощью прибора с переносом зарядка, содержащего электроды: накопления, разделительный и парциальный, имеющие между собой зарядовую связь, включающий непрерывное в течение действия сигнала линейное преобразование сигнала в заряд с последующим его накоплением под указанными электродами и периодическим считыванием части накопленного заряда.

Недостатками способа являются недостаточное отношение сигнал/шум и невозможность совместить высокое значение отношения сигнал/шум с высокой точностью определения момента прихода импульса сигнала. Причина указанных

1728902 недостатков в том, что для эффективного подавления шума, более широкополосного, чем сигнал, требуется время усреднения Т, приблизительно равное эффективной длительности импульса сигнала Т, Вместе с тем для того, чтобы избежать потерь амплитуды сигнала (с априорно неизвестным моментом прихода) при его дискретизации, опрос необходимо производить гораздо чаще — несколько раз за время действия импульса. В силу того, что в данном способе период опроса Т совпадает с временем усреднения Te T=Te, удовлетворить в нем обоим требованиям — эффективного подавления шума (Т -Т ) и малости потерь дискретизации (Т « Т,) — оказывается невозможн ым.

Цель изобретения — одновременное повышение отношения сигнал/шум и точности определения момента прихода импульса сигнала.

Цель достигается тем, что оставшуюся после считывания часть сигнала суммируют с зарядом, поступающим в следующем цикле накопления, при этом время накопления

Тн выбирают не более 1/3 эффективной длительности Т импульса сигнала, а отношение накапливаемого заряда к его отделяемой части устанавливают порядка числа опросов, производимых в течение эффективной длительности импульса сигнала.

Благодаря тому, что заряд, накапливаемый в текущем цикле, суммируется с ранее накопленными зарядами, эффективное время усреднения Те увеличивается по сравнению с временем цикла Т. Отношение Т,/Т в предлагаемом способе прямо зависит от отношения накапливаемого заряда к.его отделяемой части М; расчетным путем получено соотношение: т.(T=VM(M } м,т.— мт. (1)

Таким образом, выбирая соответствующее

М, можно при Т « Т установить Te — T>, чем удовлетворить обоим условиям наиболее эффективной регистрации сигнала.

Обработка сигнала и шума в данном способе аналогична их обработке в интегрирующей RC-цепи, в которой роль эффективного времени усреднения Те играет

RC-постоянная TRc. Известно, что наибольшие ОСШ в таком фильтре достигаются в том случае, когда TRc — Ти.

Абсолютный максимум ОСШ достигается и ри Ткс= 0,9 Ти — т.н. квазиоптимал ьн ы и фильтр. В случаях же TRc» Т или TRc «Т фильтр оказывается сильно рассогласованным с сигналом, и ОСШ на его выходе падает. Поэтому в предлагаемом способе наиболее высокие значения ОСШ достигаются при Т = Т (абсолютный максимум—

55 при Т = 0,9 Т ) и в соответствии с (1) М =

=Т /Т, т.е. отношение накапливаемого заряда к его отделяемой части (М) имеет тот же порядок, что и число опросов, производимых в течение эффективной длительности импульса сигнала.

На фиг. 1-2 изображены электродная структура прибора с переносом заряда, реализующего предлагаемый способ (а) и распределение потенциала в ячейках в разных фазах цикла (б-е); на фиг. 3-5 — зависимости

ОСШ при различных способах обработки.

Генератор 1 представляет токи сигнала и шума, электроды 2 и 3 (последний из которых поддерживается под постоянным потенциалом) служат для ввода токового сигнала в накопительную ячейку под электродом 4 накопления и парциальным электродом 5, Для считывания части накопленного заряда накопительная ячейка разделена на две части разделительным электродом 6, емкостью которого можно пренебречь. Электрод 8 служит для хранения и вывода отделяемой части заряда, электроды 7 и 9 обеспечивают изоляцию ячеек посредством потенциальных барьеров.

Кривые 10 и 11 показывают изменение

ОСШ в зависимости от периода накопления

Т для прототипа, а кривые. 12 и 13 — для предлагаемого способа при оптимальном выборе М (Т измеряется в единицах эффективной длительности импульса Т, М4 обозначает спектральную плотность мощности шума; сигнал предполагается имеющим единичную амплитуду). Линия 14 соответствует идеальному оптимальному фильтру.

Работа прибора по предлагаемому способу состоит в циклическом выполнении следующих операций, В начале цикла в момент времени (t - Т+ О) накопительная ячейка содержит заряд (1-1/M) Q(t-T), оставшийся в ней после считывания М- и части накопленного заряда Q (t-T). В течение почтй всего цикла (поскольку все прочие операции быстрые) происходит накопление сигнала $(с) генератора 1, так что в конце накопления в момент (t-О) накопительная ячейка содержит заряд

Q(t) =(1- — ) Q (t-Т)+ q(t)

М где через q(t) обозначен накопленный в интервале (t- Т, t) заряд с о(т) = jS(t) dt

t-T

Затем производится считывание М-й части заряда Q(t), имеющегося в накопитель- ной ячейке, путем быстрого подъема потенциала разделительного электрода 6, 1728902

55 при этом в ячейку под парциальным электродом 5 считывается и затем передается в выходную ячейку под электродом 8 (фиг. 1д) заряд Qg(t) = — . 0(ф В заключение восста1

M навливается исходное распределение потенциала в ячейках для очередного цикла. С ростом М память о значениях сигнала в предыдущих циклах становится более долговременной. Таким образом, даже при малом периоде накопления Т, задаваемом исходя из необходимой точности определения момента прихода импульса сигнала, выбор достаточно большого М позволяет сузить полосу пропускания до необходимого размера, с чем и связан выигрыш в ОСШ.

Пример, Пусть требуется зарегистрировать в "белом" шуме импульс вида (1) длительностью Ти = 240 мкс и неопределенным моментом его прихода. Пусть необходимая точность определения момента прихода импульса д1о составляет 50 мкс, Время накопления Т должно составить не более 1/3 Т(б, т.е. не более 80 мкс. Выберем Т = 80 мкс, тем самым обеспечена точность Oto = Т/2 = 40 мкс, т.е. требования по точности будут удовлетворены. Выберем далее величину М:

М(М-1) = 240 мкс/80 мкс = 3, откуда М = 3,55; тем самым реализуются оптимальные условия регистрации, в которых ОСШописываются кривой 12. Значение QCLU при Т=

Т/3 составит для предлагаемого способа

0 75 yЯ, а доя известного способа (кривая 11) 0,52 тгт„/д, (при наименее бпагоп риятном моменте прихода импул ьса).

Таким образом, выигрыш в ОСШ составляет в предлагаемом способе 43% по отношению к прототипу. При этом, как следует из сопоставления кривых 10 и 12, предлагаемый способ лишь на 10 / хуже оптимального фильтра по ОСШ.

Пусть требуется точность д to не хуже 20 мкс. Тогда зададим Т = 2д to = 40 мкс, откуда

T„/7 = 6 = vM (M — 1), M = 6,5. Аналогично предыдущему примеру находим, что выигрыш предлагаемого способа по отношению к прототипу составляет : 95%.

Пусть точность Ао не задается, а пери5 од Т выбирается всякий раз из соображений достижения наивысшего ОСШ. Тогда в способе-прототипе следует выбирать Т = 0,573х хТи, при кото ом ОСШ максимально и равно

0,583 Ти/д„а s-предлагаемом способе

10 Т 1/3 Тр(, Выбор Т=1/3 Ти в предлагаемом способе дает ОСШ - 0,75 „ д, т.е. и в этих условиях йредлагаемый способ на

33% превосходит прототип.

Таким образом, использование предла15 гаемого способа преобразования импульсного электрического сигнала с помощью прибора с переносом заряда позволяет реализовать квазиоптимальный обнаружитель с одновременно высокими отношением

20 сигнал/шум и точностью определения момента прихода импульса сигнала.

Формула изобретения

Способ регистрации импульсного сиг25 нала с помощью прибора с переносом заряда, содержащего электроды; накопления, разделительный и управления, имеющие между собой зарядовую связь, включающий непрерывное в течение действия сигнала

30 линейное преобразование в заряд с последующим накоплением под электродами накопления, разделения и управления и периодическим считыванием части накопленного заряда, отличающийся тем, 35 что, с целью одновременного повышения отношения сигнал — шум и точности определения момента прихода импульса сигнала, оставшуюся часть сигнала суммируют с зарядом, поступающим в следую;цем цикле

40 накопления, при этом время накопления Т выбирают не более 1/3 эффективной длительности импульса сигнала Ти, а отношение М накапливаемого заряда к его отделяемой части удовлетворяет соотноше45 нию

vM(Ì вЂ” 1) =атч,гтн, где а= 0,5-1,5.

1728902

1728902 .

Ф,O

1728902

5 6 В ЭT У»

C 2

Составитель Ю. Винецкий

Редактор С, Патрушева Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л. Патай

Заказ 1411 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101