RU2506547C1

RU2506547C1 - Pulsed optical signal receiver

Info

Publication number: RU2506547C1
Application number: RU2012140350/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Григорьевич Вильнер; Владимир Георгиевич Волобуев; Валерий Львович Почтарев; Борис Кириллович Рябокуль
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-02-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to equipment of receiving pulsed optical radiation, primarily to receivers of pulsed laser range finders and similar devices for measuring time intervals between optical pulses. The pulsed optical signal receiver has a photodetector with a bias source and a load connected to an amplifier; the amplifier is in form of two transistor repeaters with a common load; the input of one of the repeaters is connected to the load of the photodetector, and the input of the second repeater is configured to be connected to an external signal source, wherein the inputs of the transistor repeaters are connected in parallel to switches which are connected to a commutator switch which controls their closing and opening in anti-phase.

EFFECT: high accuracy of timing a received signal and, consequently, high accuracy of measurement using devices employing such a receiver.

1 dwg

Description

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и подобных устройств для измерения временных интервалов между оптическими импульсами.The invention relates to techniques for receiving pulsed optical radiation, mainly to receivers of pulsed laser rangefinders and similar devices for measuring time intervals between optical pulses.

Известны приемники импульсного оптического излучения [1] для систем импульсной лазерной локации, предназначенные для преобразования в электрические сигналы отраженных удаленными объектами зондирующих импульсов лазерного излучения и временной привязки электрических импульсов для определения их задержки τ относительно момента излучения лазерного зондирующего импульса. По этой задержке судят о дальности R до отражающего объекта по формуле R=cτ/2, где c - скорость света.Known receivers of pulsed optical radiation [1] for pulsed laser ranging systems designed to convert into electrical signals reflected by remote objects of the probe pulses of laser radiation and the timing of the electrical pulses to determine their delay τ relative to the moment of radiation of the laser probe pulse. This delay is used to judge the distance R to the reflecting object by the formula R = cτ / 2, where c is the speed of light.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является приемник импульсных оптических сигналов, содержащий фотоприемник (например, фотодиод) с источником смещения и нагрузкой и подключенный к нагрузке усилитель, выполненный на транзисторах [2].The closest in technical essence to the proposed invention is a receiver of pulsed optical signals containing a photodetector (eg, a photodiode) with a bias source and a load and an amplifier connected to the load, made on transistors [2].

При таком построении приемника имеет место погрешность временной привязки принятого сигнала к моменту излучения зондирующего импульса вследствие несовпадения по времени электрического сигнала на выходе усилителя относительно оптического сигнала, поступающего на вход фотоприемника. Это приводит к ошибкам определения временного интервала между исходным и принятым импульсами.With such a construction of the receiver, there is an error in the timing of the received signal to the moment of radiation of the probe pulse due to a time mismatch of the electrical signal at the output of the amplifier relative to the optical signal supplied to the input of the photodetector. This leads to errors in determining the time interval between the initial and received pulses.

Задачей изобретения является обеспечение высокой точности временной привязки принятого сигнала за счет устранения указанных погрешностей.The objective of the invention is to ensure high accuracy of the timing of the received signal by eliminating these errors.

Эта задача решается за счет того, что в известном приемнике импульсных оптических сигналов, содержащем фотоприемник с источником смещения и нагрузкой, подключенной к усилителю, усилитель выполнен в виде двух транзисторных повторителей с общей нагрузкой, вход одного из повторителей подключен к нагрузке фотоприемника, а вход второго повторителя имеет возможность подключения к внешнему источнику сигнала, причем параллельно входам транзисторных повторителей введены ключи, связанные с коммутатором, управляющим их замыканием и размыканием в противофазе.This problem is solved due to the fact that in the known receiver of pulsed optical signals containing a photodetector with a bias source and a load connected to the amplifier, the amplifier is made in the form of two transistor repeaters with a common load, the input of one of the repeaters is connected to the load of the photodetector, and the input of the second the repeater has the ability to connect to an external source of the signal, and in parallel with the inputs of the transistor repeaters entered the keys associated with the switch, controlling their closure and opening in opposite.

На чертеже фиг.1 представлена схема приемника импульсных оптических сигналов.The drawing of figure 1 shows a diagram of a receiver of pulsed optical signals.

Устройство состоит из фотоприемника 1 (фотодиода) с источником смещения 2. Нагрузкой фотодиода является сопротивление 3, подключенное к левому входу усилителя 4, выполненного в виде двух транзисторных (истоковых) повторителей [3], работающих на общую нагрузку. Параллельно входам усилителя установлены ключи 5 и 6, управляемые от коммутатора 7. К правому входу усилителя подключен датчик тока накачки импульсного полупроводникового лазера 8 с источником накачки 9. В качестве датчика тока накачки использовано сопротивление 10, включенное последовательно с полупроводниковым лазером. Рабочая точка транзисторных повторителей обеспечивается напряжением смещения U_CM, подаваемым на их входы. Питается усилитель от источника U_ПИТ.The device consists of a photodetector 1 (photodiode) with a bias source 2. The load of the photodiode is a resistance 3 connected to the left input of the amplifier 4, made in the form of two transistor (source) repeaters [3] operating on a common load. In parallel with the amplifier inputs, keys 5 and 6 are installed, controlled from switch 7. A pump current sensor of a pulsed semiconductor laser 8 with a pump source 9 is connected to the right input of the amplifier. Resistance 10, connected in series with a semiconductor laser, is used as a pump current sensor. The operating point of the transistor repeaters is provided by a bias voltage U _CM supplied to their inputs. The amplifier is powered from the source U _PIT .

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На фотоприемник 1 поступает принимаемый оптический сигнал, например сигнал лазерного излучателя, отраженный удаленным объектом. При разомкнутом ключе 5 и замкнутом ключе 6 на выходе усилителя 4 формируются сигналы от этого источника. Внешнее устройство (схема временной фиксации [4] с последующим измерителем временных интервалов или цифровой сигнальный процессор (ЦСП) с аналого-цифровым преобразователем на входе [5]) осуществляет временную привязку t_s таких сигналов к моменту t₀ формирования токового импульса накачки полупроводникового лазера. Момент t₀ фиксируется этими же устройствами в цикле временной привязки зондирующего сигнала при замыкании с помощью коммутатора 7 левого ключа 5 и размыкании ключа 6, когда на выходе усилителя 4 формируются импульсы с датчика тока накачки 10. Временной интервал τ=t_s-t₀ измеряется внешним устройством и используется в дальнейшем в процессе определения дальности до удаленного объекта. Подобная временная привязка производится перед каждым измерением дальности и позволяет исключить влияние дестабилизирующих факторов - старения элементов схемы, дрейфа питающих напряжений, температурного ухода параметров, влияния фонового освещения и т.п.A received optical signal, for example, a signal from a laser emitter reflected by a distant object, is received at the photodetector 1. With the open key 5 and the closed key 6 at the output of the amplifier 4, signals from this source are generated. An external device (a temporary fixation circuit [4] with a subsequent time interval meter or a digital signal processor (DSP) with an analog-to-digital converter at the input [5]) carries out the timing t _{s of} such signals to the moment t _{0 of the} formation of the current pump pulse of a semiconductor laser. The moment t ₀ is fixed by the same devices in the cycle of the timing of the probe signal when the left key 5 is closed using the switch 7 and the key 6 is opened, when pulses from the pump current sensor are generated at the output of the amplifier 4. The time interval τ = t _s -t ₀ is measured external device and is used later in the process of determining the distance to a remote object. Such a time reference is made before each range measurement and eliminates the influence of destabilizing factors - aging of circuit elements, drift of supply voltages, temperature deviation of parameters, influence of background lighting, etc.

В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец фотоприемного устройства, испытанный в составе лазерного дальномера.In accordance with the invention, a prototype photodetector device was tested, tested as part of a laser rangefinder.

Проведенные исследования дальномера показали, что ошибка без такой привязки может достигать 5-20 наносекунд (как и в других существующих аналогичных приборах), а в случае временной привязки по предлагаемому способу снижается до 0,5 нс, то есть при измерении дальности ошибка снижается с 1-3 м до нескольких сантиметров.The studies of the rangefinder showed that the error without such a binding can reach 5-20 nanoseconds (as in other existing similar devices), and in the case of a temporary binding according to the proposed method, it decreases to 0.5 ns, i.e., when measuring a range, the error decreases from 1 -3 m to several centimeters.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность временной привязки принятого сигнала и, соответственно, высокую точность приборов, в которых используется такой приемник.Thus, the proposed device provides high accuracy of the timing of the received signal and, accordingly, high accuracy of devices that use such a receiver.

Источники информацииInformation sources

1. В.А. Волохатюк и др. "Вопросы оптической локации". - М.: Советское радио, М, 1971. - c.213.1. V.A. Volokhatyuk et al. "Optical location issues." - M .: Soviet Radio, M, 1971. - c.213.

2. В.Г. Вильнер и др. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. «Оптико-механическая промышленность». №9, 1981 г. - с.59 - прототип.2. V.G. Vilner et al. Analysis of the input circuit of a photodetector with avalanche photodiode and anti-noise correction. "Optical-mechanical industry." No. 9, 1981 - p. 59 - prototype.

3. И.Г. Мамонкин. «Усилительные устройства». - М.: «Связь», 1977. - с.170.3. I.G. Mamonkin. Amplification devices. - M .: "Communication", 1977. - p. 170.

4. В.Г. Вильнер и др. Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеров. «Электроника. Наука, Технология, Бизнес». №3, 2008 г. - с.118.4. V.G. Vilner et al. Methods for improving the accuracy of pulsed laser rangefinders. "Electronics. Science, Technology, Business. ” No. 3, 2008 - p.118.

5. В.Г. Вильнер и др. Способ измерения дальности. Патент РФ №2455615.5. V.G. Vilner et al. Method of measuring range. RF patent No. 2455615.

Claims

A pulse optical signal receiver comprising a photodetector with a bias source and a load connected to an amplifier, characterized in that the amplifier is made in the form of two transistor repeaters with a common load, the input of one of the repeaters is connected to the load of the photodetector, and the input of the second repeater has the ability to connect to an external the source of the signal, and in parallel with the inputs of the transistor repeaters entered the keys associated with the switch, controlling their closure and opening in antiphase.