專利名稱：檢測光信號的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測淹沒在噪聲中的光信號的裝置。
將光作為信號從一個光發(fā)射單元中發(fā)出、然后被一個設(shè)置在光發(fā)射部分幾米至十幾米遠的光接收元件接收并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柦?jīng)放大供檢測的光信號檢測裝置是公知的。在這類常規(guī)的裝置中，用能率比為50％的調(diào)制光作為光信號。在這類裝置中還用窄帶濾波器和鎖相電路等部件來提高光信號的檢測能力。
然而，盡管通過使用諸如窄帶濾波器及鎖相電路提高了裝置的檢測能力，但是，這類裝置也只能用來接收幅度比裝置所特有的噪聲或者由于干擾光所產(chǎn)生的噪聲大的光信號。換言之，使用這種裝置進行檢測的前提條件是，光接收元件所接收的光信號應(yīng)處于與噪聲相分離的狀態(tài)、并且要求光發(fā)射單元提供高功率輸出的光信號。即常規(guī)裝置的缺點在于，用這種裝置很難檢測掩蓋在或者說淹沒在噪聲之中的光信號(即信噪比小于1的光信號)。
因而，本發(fā)明的一個目的是提供一種能檢測信噪比(S/N)小于1的光信號檢測裝置。
為實現(xiàn)這個目的，根據(jù)本發(fā)明的光信號檢測裝置包括一個用于產(chǎn)生具有一給定頻率的時鐘信號的第一頻率源，一個由至少一個能根據(jù)第一頻率源給出的時鐘信號而發(fā)射一種光信號的光發(fā)射元件構(gòu)成的光發(fā)射單元，一個與光發(fā)射單元分開設(shè)置并用于接收光發(fā)射元件所發(fā)出的光信號的光接收元件，一個用于放大由光接收元件所接收的光信號的放大電路，一個將由放大電路所給出的模擬放大電路，一個將由放大電路所給出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換器，一個用于產(chǎn)生具有給定頻率的時鐘信號的第二頻率源，以及一個包括一個累加單元的光接收單元，所述的累加單元在至少一個光信號周期期間與第二頻率源所給出的頻率信號同步地按照一些規(guī)定的間隔對轉(zhuǎn)換器所給出的數(shù)字信號進行取樣多次，并在多個光信號周期期間對依次在那一個周期中采樣所得的數(shù)據(jù)進行求和。
按照本發(fā)明的光信號檢測裝置，使光發(fā)射單元的光發(fā)射元件按照第一頻率源給定的間隔射出一束作為脈沖信號的光線。光接收元件接受來自光發(fā)射元件的脈沖信號。光接收元件所接收的信號經(jīng)放大電路放大后由模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。然后把所得的數(shù)字信號輸入加法單元，加法單元以下述方式得到一個累加值在至少一個光信號周期期間與第二頻率源所給出的頻率信號同步地按照一些規(guī)定的間隔對轉(zhuǎn)換器所給出的數(shù)字信號進行取樣多次，并且在多個光信號周期期間依次在那一個周期中采樣所得的數(shù)值進行求和。
在沒有噪聲信號的情況下，產(chǎn)生一個使一個噪聲成分疊加在電路的偏移成分上的信號。但是，通過求和，隨機出現(xiàn)的噪聲會收斂到一定的水平上，結(jié)果，所表現(xiàn)出來的只是偏移成分。另一方面，如果有脈沖信號時，所得到的信號波形中與脈沖信號有關(guān)的成分將疊加在偏移成分上。因此，對以脈沖信號為基礎(chǔ)的信號求和將使脈沖信號變得可識別。所以，根據(jù)這種光信號檢測裝置可以使信噪比低于1的光信號(即光信號淹沒在噪聲中)一定能檢測出來。此外，可以降低光發(fā)射單元的輸入?？梢允咕匦蚊}沖的光信號的能率比小于50％，這樣做的優(yōu)點在于，例如可以降低光發(fā)射單元的輸出。


圖1是本發(fā)明光信號檢測裝置的光發(fā)射單元的電路圖。
圖2是光信號檢測裝置的時序圖。
圖3是光信號檢測裝置的光接收單元的電路圖。
圖4是光信號檢測裝置的另一個時序圖。
下面將參照附圖敘述本發(fā)明光信號檢測裝置的一個實施例。
在圖1中，數(shù)字1代表一個作為第一頻率源的高度穩(wěn)定的晶體振蕩器。晶體振蕩器1輸出一個具有一給定的頻率的參考時鐘信號CL。參考時鐘信號CL輸入到計數(shù)器2并在此分頻。分頻的輸出信號被輸入到一個等值比較器3。當(dāng)計數(shù)器2達到一個預(yù)定值時，等值比較器3產(chǎn)生一個輸出信號。對稱比較器3根據(jù)參考時鐘信號CL輸出一個能率比小于50％的矩形脈沖PL。矩形脈沖PL被輸入到一個驅(qū)動電路4。驅(qū)動電路4根據(jù)矩形脈沖PL控制并使光發(fā)射元件5發(fā)光。圖2(a)示出了一束由光發(fā)射元件5輸出的光信號P。
光信號P由圖3所示的光接收單元6的一個光接收元件7接收。將濾光器8置于光接收元件7的前方。濾光器8用于防止出現(xiàn)由直射光(如陽光)的入射所引起的散粒噪聲。散粒噪聲的出現(xiàn)會降低信噪比。濾光器8可防止波長在光發(fā)射元件5所發(fā)射的光的波長范圍以外的光照射在光接收元件7上。光接收元件7將光信號P轉(zhuǎn)換為電信號。圖2(b)示出了由光信號P轉(zhuǎn)換而成的電流信號S1的波形。振蕩電路9將電流信號S1由電流轉(zhuǎn)換為電壓。圖2(c)示出了由電流信號S1轉(zhuǎn)換而成的輸出電壓S2的波形。振蕩電路的振蕩頻率等于光發(fā)射單元的光信號P的基波成分的頻率，因而就消除了光信號P的直流成分和高次諧波成分，并且只把光信號P的基波成分轉(zhuǎn)換為電壓信號。設(shè)定振蕩電路9使其具有一個值，以使中心頻率環(huán)境溫度波動而發(fā)生變化。在圖2(b)和圖2(c)中，為方便起見，沒有示出噪聲成分。
將振蕩電路9的輸出電壓S2輸入放大器(放大電路)10進行放大。設(shè)定放大器10的增益，以便使后面將要敘述的模擬比較器(轉(zhuǎn)換器)11當(dāng)光接收元件7沒接收到光信號P時，能夠根據(jù)諸如放大器中所包括的內(nèi)噪聲而隨機地輸出一個二進制信號0和1。在圖2(d)中，字母NS代表一種隨機產(chǎn)生的噪聲，字母S2′代表將輸出電壓S2疊加在噪聲NS之上后的輸出電壓。參見圖2(d)，假設(shè)輸出電壓S2大于噪聲NS。放大器10的輸出電壓被輸入到模擬比較器11的正(+)端11a，而積分信號被輸入到模擬比較器11的負(-)端11b。該積分信號通過時間常數(shù)比信號P的發(fā)射時間大很多的放大器10對輸出電壓進行積分而得到的。由于放大器10是同相放大器，所以模擬比較器11的輸出信號在光信號P發(fā)射期間t(見圖2(a))總是為1(見圖2(c))。假設(shè)由模擬比較器11的負端11b的輸入值所確定的閾值電平為SL，例如圖2(e)中所示，模擬比較器11的輸出信號為一個其值為0和1的二進制信號RP。
模擬比較器11的二進制信號RP被輸入到求和電路部分12。求和電路部分12包括一個用作第二頻率源的晶體振蕩器13，一個地址計數(shù)器14，一個加法器15，一個隨機存取存儲器(RAM)16，以及一個復(fù)位電路17。晶體振蕩器13與晶體揚蕩器1的頻率相同，也是高度穩(wěn)定的。作為模擬比較器11的數(shù)據(jù)的二進制信號被輸入到加法器15，并且，存儲在隨機存取存儲器(RAM)16的每個地址中的那些數(shù)據(jù)通過復(fù)位電路17也被輸入到這里。將周期T除以隨機存取存儲器16的地址(例如1000)，地址計數(shù)器14根據(jù)晶體振蕩器13的參考時鐘信號相繼地修改隨機存取存儲器16的地址，在隨機存取存儲器16中的每個地址存儲的數(shù)據(jù)的起始值為0。加法器15將存儲在隨機存取存儲器16的每個地址中的數(shù)據(jù)與模擬比較器11輸出的數(shù)據(jù)相加，并且將所得的數(shù)據(jù)寫入每個地址。換句話說，加法器15將存儲于每一個地址中的數(shù)據(jù)0與模擬比較器11所輸出的數(shù)據(jù)0或1相加，再將所得的數(shù)據(jù)存儲于第一地址中。隨后，加法器將存儲在第二地址中的數(shù)據(jù)與模擬比較器11輸出的數(shù)據(jù)相加，并將所得的數(shù)據(jù)存儲在第二地址中。用這種方式，將數(shù)據(jù)寫入1000個地址中，并隨之進行第一次求和。當(dāng)完成1000個地址的尋址過程時，地址計數(shù)器14又從頭開始對隨機存取存儲器16進行尋址。如果光發(fā)射單元和光接收單元的動作同步(即相位重合)，則第二次求和的開始時間與第一次地址的時間相重合。在第二次求和過程中，存儲在第一地址中的數(shù)據(jù)與模擬比較器11所輸出的數(shù)據(jù)相加，并且所得的數(shù)據(jù)被存儲在第一地址中。對每個地址都進行這種求和步驟。復(fù)位電路17用于防止在求和進行預(yù)定次數(shù)后在把求和的數(shù)據(jù)向后述的數(shù)字比較器18傳輸?shù)倪^程中向加法器15輸入數(shù)據(jù)。存儲在隨機存取存儲器16中的每個地址中的數(shù)據(jù)與輸出到數(shù)字比較器18的求和值同時被預(yù)置，然后進行下一次求和。相應(yīng)地，在光信號P的一個周期T中，求和電路部分12與第二頻率源同步地并按一些規(guī)定的間隔在光信號的一個周期T內(nèi)對來自轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號進行多次采樣，然后依次對在屬于發(fā)光信號P的多個周期中的那個周期T中所獲得的那些值進行求和以得到一個累加值。假設(shè)求和次數(shù)為N和沒有接收到光信號P，由于二進制信號RP會隨機出現(xiàn)，數(shù)據(jù)0或1會有相同的機會被分配到每個地址。在這種情況下，如果N不是無限大，存儲于每個地址中的累加值SUM應(yīng)收斂于N/2。其次，假設(shè)求和次數(shù)為N并且輸出電壓S2的幅度大于噪聲NS，則在出現(xiàn)輸出電壓S2的那段時間內(nèi)相應(yīng)于輸出電壓S2的正或負會產(chǎn)生一個二進制信號1或0。結(jié)果，在有輸出電壓S2的那段時間內(nèi)，累加值SUM總是為N或O。如果N趨向無限大，則在沒有輸出電壓S2的那段時間里累加值SUM趨于N/2(見圖2(f))。其次，如圖4(d)中所示，在噪聲NS的幅度大于輸出電壓S2的情況下，也就是說，在輸出電壓S2淹沒在噪聲NS中的情況下，在有輸出電壓S2的那段時間里，累加值SUM的大小介于N/2到N之間或者介于0到N/2之間。如果N超向無限大，在沒有輸出電壓S2的那段時間里，累加值SUM會趨于N/2(見圖4(f))。
采用這種方式，把求和結(jié)構(gòu)存儲于隨機存取存儲器16的每個地址中。求和次數(shù)取決于光發(fā)射單元的晶體振蕩器1的穩(wěn)定性以及光接收單元的晶體振蕩器13的穩(wěn)定性。相應(yīng)地，在可認(rèn)為晶體振蕩器1和13彼此基本同步地那段時間里進行求和。存儲在隨機存儲器16中的每個地址中的數(shù)據(jù)被輸出到數(shù)字比較器18。僅當(dāng)比較器的輸入值超過一個閾值電平SL′時，數(shù)字比較器18才輸出一個表示已經(jīng)檢測到光信號P的信號[1]。而當(dāng)此數(shù)值低于一個閾值電平SL′時，數(shù)字比較器18會輸出一個表示沒有控制到光信號P的信號
(見圖2(g)或圖4(g))。
如果光接收元件7接收到大量的光，如圖2(g)中所示，即使由于振蕩電路的阻尼波形的作用(因為振蕩電路9用作光接收元件7的負載)而對光信號P不存在延遲的情況下，也會發(fā)出數(shù)字比較器18的輸出為(1)的情況。采用這種連接方式，可以對信號處理，以便把數(shù)字比較器18的輸出信號輸入給一個能夠重觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器18，并且對于每個光信號P得到一個脈沖。重觸發(fā)的作用在于，如果一個信號是處于前沿或后沿在一個脈沖輸出期間輸入的，則該輸出脈沖從信號被輸入時的那個時刻起被延長一定的時間。
在本實施例中，可以省略將閾值電平SL′設(shè)定為N(求和次數(shù))和N/2之間的一個值以及使累加值被N除的步驟。由于求和次數(shù)N為一個預(yù)定的已知的常數(shù)，因而所檢測到的累加值在其被一個已知的常數(shù)除之前會趨于同樣的結(jié)果，所以，為簡化電路結(jié)構(gòu)，省去除法電路。
此外，在本實施例中，模擬比較器11還被用來把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。也可以采用一個模擬轉(zhuǎn)換器來代替這個模擬比較器11。
如果光脈沖P的采樣間隔比光脈沖P的脈沖寬度窄得多，則其結(jié)果與光脈沖P的波形幾乎相同。對光脈沖P在一個周期內(nèi)采樣并經(jīng)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后在采樣進行時存儲在存儲器中。存儲器的數(shù)目等于一個周期內(nèi)的采樣次數(shù)。開始時存儲器的每個地址中的內(nèi)容均初始化為
，或者將其內(nèi)容置1不加入第一次求和中。在這種狀態(tài)下，對存儲器的每個地址進行求和。如果沒有光脈沖P，則產(chǎn)生的信號中噪聲成分會疊加在電路的偏移成分之上。當(dāng)取平均值時，就去除了隨機噪聲成分，在結(jié)果中只出現(xiàn)偏移成分。另一方面，如果有光脈沖P，則由于以光脈沖P為基礎(chǔ)的分量同該偏移分量相加的信號波形是取平均形成的，而使以光脈沖P為基礎(chǔ)的信號變得明顯。
權(quán)利要求
1.一種檢測光信號的裝置，包括一個用于產(chǎn)生一個具有一固定頻率的時鐘信號的第一頻率源；一個包括至少一個光發(fā)射元件的光發(fā)射單元，所述的光發(fā)射元件被所述的第一頻率源的所述時鐘信號驅(qū)動并且發(fā)出光信號；以及一個與所述的光發(fā)射單元分開設(shè)置的光接收單元；所述的光接收單元包括一個接收從所述的光發(fā)射元件發(fā)出的所述光源光信號的光接收元件；一個放大從所述光接收元件接收的光信號的放大電路；一個把所述放大電路給出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換器；一個用于產(chǎn)生一個具有一固定頻率的時鐘信號的第二頻率源；以及一個求和部分，在所述的光信號的至少一個周期期間按一些確定間隔并與所述的第二頻率源同步地對所述轉(zhuǎn)換器給出的所述數(shù)字信號進行多次采樣，然后在所述光信號的多個周期期間依次對所述的那個周期中所獲得的采樣值進行求和。
2.一種如權(quán)利要求1所述的檢測光信號的裝置，其中所述的轉(zhuǎn)換器是一種可將模擬信號轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)字信號的模擬比較器。
3.一種如權(quán)利要求1所述的檢測光信號的裝置，其中所述轉(zhuǎn)換器是一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
4.一種如權(quán)利要求1所述的檢測光信號的裝置，其中所述的第一頻率源的頻率基本上與所述的第二頻率源發(fā)出的頻率相同。
5.一種如權(quán)利要求1所述的檢測光信號的裝置，其中所述的求和部分包括一個地址計數(shù)器，所述計數(shù)器對所述第二頻率源的參考時鐘信號進行計數(shù)，并且在多個周期期間重復(fù)進行在一個周期內(nèi)的各地址的修改；一個隨機存儲器，它在多個周期期間，將在所述的一個周期期間依次獲得的采樣值重復(fù)存儲在由所述地址計數(shù)器指定的各地址中，以及一個加法器，它接收存儲于所述隨機存儲器的每個地址中的采樣值以及由所述的轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號的值按照采樣順序輸入，此加法器將所述采樣值與所述數(shù)字信號值相加所得的和數(shù)據(jù)按照采樣順序輸出到所述隨機存儲器中，所述的和數(shù)據(jù)被視為在一個周期期間每個地址的采樣值。
6.一種如權(quán)利要求1所述的檢測光信號的裝置，其中所述的求和部分包括一個復(fù)位電路，當(dāng)所述求和部分所進行的求和操作已完成預(yù)定次數(shù)時，該復(fù)位電路清除存儲于所述隨機存儲器的每個地址中的采樣值。
7.一種檢測光信號的裝置，包括一個發(fā)射單元；以及一個與所述光發(fā)射單元分開設(shè)置的光接收單元。所述光發(fā)射單元包括一個同于產(chǎn)生具有一固定頻率時鐘信號的第一晶體振蕩器；一個用于使所述第一晶體振蕩器的時鐘信號分頻的計數(shù)電路；一個當(dāng)所述的計數(shù)電路達到一個予定值時輸出一個矩脈沖的等值比較器；一個接收所述的矩形脈沖輸入的驅(qū)動電路；以及一個由所述的驅(qū)動電路驅(qū)動后發(fā)射光信號的光發(fā)射元件；所述的光接受單元包括一個接收從所述光發(fā)射元件發(fā)出的所述光信號的光接收元件；一個放大從所述的光接收元件接收的光信號的放大電路；一個把所述的放大電路給出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換器；一個用于產(chǎn)生一個具有一固定頻率的時鐘信號的第二頻率源；以及一個求和部分，它在所述光信號的至少一個周期期間按一些確定的時間間隔內(nèi)與所述的第二頻率源同步地對所述的轉(zhuǎn)換器給出的所述的數(shù)字信號進行采樣多次，然后在所述光信號的多個周期期間，依次對在所述的那個周期中所獲得采樣值進行求和；該求和部分包括一個地址計數(shù)器，它對所述的第二頻率源的參考時鐘信號進行計數(shù)；并且在多個周期期間重復(fù)進行在一個周期內(nèi)的各地址的修改；一個隨機存儲器，它在多個周期期間，將在所述的那個周期期間依次采樣所得的數(shù)值重復(fù)存儲在由所述地址計數(shù)器指定的各地址中，以及一個加法，它接收存儲于所述的隨機存儲器的每個地址中的采樣值以及由所述的轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號的值按照采樣的順序的輸入，此加法器將所述的采樣值與所述的數(shù)字信號值相加所得的和數(shù)據(jù)按照采樣順序輸出到所述的隨機存儲器中，所述的和數(shù)據(jù)被視為在一個周期期間每個地址的采樣值。
全文摘要
一種用于檢測光信號的裝置，包括一個第一頻率源，一個發(fā)射單元，和一個光接收單元。光接收單元包括一光接收單元，一放大電路，一轉(zhuǎn)換器，一第二頻率源和一個求和部分，該求和部分在光信號的至少一個周期期間按一些確定的間隔與第二頻率源同步地對轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號進行采樣，然后在光信號的多個周期間，依次對在那一個周期中所獲得的采樣值進行求和。
文檔編號G01J1/42GK1114743SQ9510321
公開日1996年1月10日 申請日期1995年3月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月1日
發(fā)明者大友文夫, 吉野健一郎 申請人:脫普考恩株式會社