检测光信号的装置 本发明涉及一种检测淹没在噪声中的光信号的装置。
将光作为信号从一个光发射单元中发出、然后被一个设置在光发射部分几米至十几米远的光接收元件接收并转变为电信号经放大供检测的光信号检测装置是公知的。在这类常规的装置中，用能率比为50％的调制光作为光信号。在这类装置中还用窄带滤波器和锁相电路等部件来提高光信号的检测能力。
然而，尽管通过使用诸如窄带滤波器及锁相电路提高了装置的检测能力，但是，这类装置也只能用来接收幅度比装置所特有的噪声或者由于干扰光所产生的噪声大的光信号。换言之，使用这种装置进行检测的前提条件是，光接收元件所接收的光信号应处于与噪声相分离的状态、并且要求光发射单元提供高功率输出的光信号。即常规装置的缺点在于，用这种装置很难检测掩盖在或者说淹没在噪声之中的光信号(即信噪比小于1的光信号)。
因而，本发明的一个目的是提供一种能检测信噪比(S/N)小于1的光信号检测装置。
为实现这个目的，根据本发明的光信号检测装置包括一个用于产生具有一给定频率地时钟信号的第一频率源，一个由至少一个能根据第一频率源给出的时钟信号而发射一种光信号的光发射元件构成的光发射单元，一个与光发射单元分开设置并用于接收光发射元件所发出的光信号的光接收元件，一个用于放大由光接收元件所接收的光信号的放大电路，一个将由放大电路所给出的模拟放大电路，一个将由放大电路所给出的模拟信号转换为数字信号的转换器，一个用于产生具有给定频率的时钟信号的第二频率源，以及一个包括一个累加单元的光接收单元，所述的累加单元在至少一个光信号周期期间与第二频率源所给出的频率信号同步地按照一些规定的间隔对转换器所给出的数字信号进行取样多次，并在多个光信号周期期间对依次在那一个周期中采样所得的数据进行求和。
按照本发明的光信号检测装置，使光发射单元的光发射元件按照第一频率源给定的间隔射出一束作为脉冲信号的光线。光接收元件接受来自光发射元件的脉冲信号。光接收元件所接收的信号经放大电路放大后由模拟信号转换成数字信号。然后把所得的数字信号输入加法单元，加法单元以下述方式得到一个累加值：在至少一个光信号周期期间与第二频率源所给出的频率信号同步地按照一些规定的间隔对转换器所给出的数字信号进行取样多次，并且在多个光信号周期期间依次在那一个周期中采样所得的数值进行求和。
在没有噪声信号的情况下，产生一个使一个噪声成分叠加在电路的偏移成分上的信号。但是，通过求和，随机出现的噪声会收敛到一定的水平上，结果，所表现出来的只是偏移成分。另一方面，如果有脉冲信号时，所得到的信号波形中与脉冲信号有关的成分将叠加在偏移成分上。因此，对以脉冲信号为基础的信号求和将使脉冲信号变得可识别。所以，根据这种光信号检测装置可以使信噪比低于1的光信号(即光信号淹没在噪声中)一定能检测出来。此外，可以降低光发射单元的输入。可以使矩形脉冲的光信号的能率比小于50％，这样做的优点在于，例如可以降低光发射单元的输出。
图1是本发明光信号检测装置的光发射单元的电路图。
图2是光信号检测装置的时序图。
图3是光信号检测装置的光接收单元的电路图。
图4是光信号检测装置的另一个时序图。
下面将参照附图叙述本发明光信号检测装置的一个实施例。
在图1中，数字1代表一个作为第一频率源的高度稳定的晶体振荡器。晶体振荡器1输出一个具有一给定的频率的参考时钟信号CL。参考时钟信号CL输入到计数器2并在此分频。分频的输出信号被输入到一个等值比较器3。当计数器2达到一个预定值时，等值比较器3产生一个输出信号。对称比较器3根据参考时钟信号CL输出一个能率比小于50％的矩形脉冲PL。矩形脉冲PL被输入到一个驱动电路4。驱动电路4根据矩形脉冲PL控制并使光发射元件5发光。图2(a)示出了一束由光发射元件5输出的光信号P。
光信号P由图3所示的光接收单元6的一个光接收元件7接收。将滤光器8置于光接收元件7的前方。滤光器8用于防止出现由直射光(如阳光)的入射所引起的散粒噪声。散粒噪声的出现会降低信噪比。滤光器8可防止波长在光发射元件5所发射的光的波长范围以外的光照射在光接收元件7上。光接收元件7将光信号P转换为电信号。图2(b)示出了由光信号P转换而成的电流信号S1的波形。振荡电路9将电流信号S1由电流转换为电压。图2(c)示出了由电流信号S1转换而成的输出电压S2的波形。振荡电路的振荡频率等于光发射单元的光信号P的基波成分的频率，因而就消除了光信号P的直流成分和高次谐波成分，并且只把光信号P的基波成分转换为电压信号。设定振荡电路9使其具有一个值，以使中心频率环境温度波动而发生变化。在图2(b)和图2(c)中，为方便起见，没有示出噪声成分。
将振荡电路9的输出电压S2输入放大器(放大电路)10进行放大。设定放大器10的增益，以便使后面将要叙述的模拟比较器(转换器)11当光接收元件7没接收到光信号P时，能够根据诸如放大器中所包括的内噪声而随机地输出一个二进制信号0和1。在图2(d)中，字母NS代表一种随机产生的噪声，字母S2′代表将输出电压S2叠加在噪声NS之上后的输出电压。参见图2(d)，假设输出电压S2大于噪声NS。放大器10的输出电压被输入到模拟比较器11的正(+)端11a，而积分信号被输入到模拟比较器11的负(-)端11b。该积分信号通过时间常数比信号P的发射时间大很多的放大器10对输出电压进行积分而得到的。由于放大器10是同相放大器，所以模拟比较器11的输出信号在光信号P发射期间t(见图2(a))总是为1(见图2(c))。假设由模拟比较器11的负端11b的输入值所确定的阈值电平为SL，例如图2(e)中所示，模拟比较器11的输出信号为一个其值为0和1的二进制信号RP。
模拟比较器11的二进制信号RP被输入到求和电路部分12。求和电路部分12包括一个用作第二频率源的晶体振荡器13，一个地址计数器14，一个加法器15，一个随机存取存储器(RAM)16，以及一个复位电路17。晶体振荡器13与晶体扬荡器1的频率相同，也是高度稳定的。作为模拟比较器11的数据的二进制信号被输入到加法器15，并且，存储在随机存取存储器(RAM)16的每个地址中的那些数据通过复位电路17也被输入到这里。将周期T除以随机存取存储器16的地址(例如1000)，地址计数器14根据晶体振荡器13的参考时钟信号相继地修改随机存取存储器16的地址，在随机存取存储器16中的每个地址存储的数据的起始值为0。加法器15将存储在随机存取存储器16的每个地址中的数据与模拟比较器11输出的数据相加，并且将所得的数据写入每个地址。换句话说，加法器15将存储于每一个地址中的数据0与模拟比较器11所输出的数据0或1相加，再将所得的数据存储于第一地址中。随后，加法器将存储在第二地址中的数据与模拟比较器11输出的数据相加，并将所得的数据存储在第二地址中。用这种方式，将数据写入1000个地址中，并随之进行第一次求和。当完成1000个地址的寻址过程时，地址计数器14又从头开始对随机存取存储器16进行寻址。如果光发射单元和光接收单元的动作同步(即相位重合)，则第二次求和的开始时间与第一次地址的时间相重合。在第二次求和过程中，存储在第一地址中的数据与模拟比较器11所输出的数据相加，并且所得的数据被存储在第一地址中。对每个地址都进行这种求和步骤。复位电路17用于防止在求和进行预定次数后在把求和的数据向后述的数字比较器18传输的过程中向加法器15输入数据。存储在随机存取存储器16中的每个地址中的数据与输出到数字比较器18的求和值同时被预置，然后进行下一次求和。相应地，在光信号P的一个周期T中，求和电路部分12与第二频率源同步地并按一些规定的间隔在光信号的一个周期T内对来自转换器的数字信号进行多次采样，然后依次对在属于发光信号P的多个周期中的那个周期T中所获得的那些值进行求和以得到一个累加值。假设求和次数为N和没有接收到光信号P，由于二进制信号RP会随机出现，数据0或1会有相同的机会被分配到每个地址。在这种情况下，如果N不是无限大，存储于每个地址中的累加值SUM应收敛于N/2。其次，假设求和次数为N并且输出电压S2的幅度大于噪声NS，则在出现输出电压S2的那段时间内相应于输出电压S2的正或负会产生一个二进制信号1或0。结果，在有输出电压S2的那段时间内，累加值SUM总是为N或O。如果N趋向无限大，则在没有输出电压S2的那段时间里累加值SUM趋于N/2(见图2(f))。其次，如图4(d)中所示，在噪声NS的幅度大于输出电压S2的情况下，也就是说，在输出电压S2淹没在噪声NS中的情况下，在有输出电压S2的那段时间里，累加值SUM的大小介于N/2到N之间或者介于0到N/2之间。如果N超向无限大，在没有输出电压S2的那段时间里，累加值SUM会趋于N/2(见图4(f))。
采用这种方式，把求和结构存储于随机存取存储器16的每个地址中。求和次数取决于光发射单元的晶体振荡器1的稳定性以及光接收单元的晶体振荡器13的稳定性。相应地，在可认为晶体振荡器1和13彼此基本同步地那段时间里进行求和。存储在随机存储器16中的每个地址中的数据被输出到数字比较器18。仅当比较器的输入值超过一个阈值电平SL′时，数字比较器18才输出一个表示已经检测到光信号P的信号[1]。而当此数值低于一个阈值电平SL′时，数字比较器18会输出一个表示没有控制到光信号P的信号[0](见图2(g)或图4(g))。
如果光接收元件7接收到大量的光，如图2(g)中所示，即使由于振荡电路的阻尼波形的作用(因为振荡电路9用作光接收元件7的负载)而对光信号P不存在延迟的情况下，也会发出数字比较器18的输出为(1)的情况。采用这种连接方式，可以对信号处理，以便把数字比较器18的输出信号输入给一个能够重触发的单稳态多谐振荡器18，并且对于每个光信号P得到一个脉冲。重触发的作用在于，如果一个信号是处于前沿或后沿在一个脉冲输出期间输入的，则该输出脉冲从信号被输入时的那个时刻起被延长一定的时间。
在本实施例中，可以省略将阈值电平SL′设定为N(求和次数)和N/2之间的一个值以及使累加值被N除的步骤。由于求和次数N为一个预定的已知的常数，因而所检测到的累加值在其被一个已知的常数除之前会趋于同样的结果，所以，为简化电路结构，省去除法电路。
此外，在本实施例中，模拟比较器11还被用来把模拟信号转换为数字信号。也可以采用一个模拟转换器来代替这个模拟比较器11。
如果光脉冲P的采样间隔比光脉冲P的脉冲宽度窄得多，则其结果与光脉冲P的波形几乎相同。对光脉冲P在一个周期内采样并经模拟量转换成数字量，然后在采样进行时存储在存储器中。存储器的数目等于一个周期内的采样次数。开始时存储器的每个地址中的内容均初始化为[0]，或者将其内容置1不加入第一次求和中。在这种状态下，对存储器的每个地址进行求和。如果没有光脉冲P，则产生的信号中噪声成分会叠加在电路的偏移成分之上。当取平均值时，就去除了随机噪声成分，在结果中只出现偏移成分。另一方面，如果有光脉冲P，则由于以光脉冲P为基础的分量同该偏移分量相加的信号波形是取平均形成的，而使以光脉冲P为基础的信号变得明显。