DD250588A1

DD250588A1 - Optischer impulsdetektor

Info

Publication number: DD250588A1
Application number: DD28959386A
Authority: DD
Inventors: Klaus Berndt
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1986-04-24
Filing date: 1986-04-24
Publication date: 1987-10-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise auf die optische Entfernungsmessung, die Testung optischer Fibern fuer die Nachrichtenuebertragung und auf den Umweltschutz. Die Anwendung ist in Entfernungsmessern, Zeitdomaenen-Reflektometern, LIDAR-Geraeten u. a. moeglich. Ziel der Erfindung ist es, periodische Lichtimpulse mit hoher Zeitaufloesung und grosser Nachweisempfindlichkeit empfangen zu koennen. Die Aufgabe besteht darin, einen Detektor fuer periodische optische Impulse anzugeben, bei welchem der Photoempfaenger ohne Verlust an Zeitaufloesung mit hochohmigem Signalausgang arbeitet. Der Impulsdetektor enthaelt im wesentlichen eine Impulslichtquelle mit Referenzausgang fuer synchrone elektrische Impulse und einen Photoempfaenger, der innere Verstaerkung sowie einen Steuereingang zur impulsfoermigen Modulation dieser Verstaerkung aufweist. Der zeitlich gemittelte Ausgangsstrom des Photoempfaengers wird mittels Lock-in-Verstaerker bezueglich seiner Abhaengigkeit von der zeitlichen Verzoegerung der Verstaerkungsmodulation gegenueber der Impulsemission gemessen. Der Detektor registriert die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Lichtimpuls und liefert auf diese Weise eine Rauschunterdrueckung. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise auf die optische Entfernungsmessung, die Testung optischer Fibern für die Nachrichtenübertragung und auf den Umweltschutz. Die Anwendung ist in Entfernungsmessern, Zeitdomänen-Reflektometem, LIDAR-Geräten u.a. möglich und zweckmäßig.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen *

In der optischen Entfernungsmessung, bei der Untersuchung von optischen Fibern für die Nachrichtenübertragung und auf zahlreichen anderen Gebieten finden kurze Lichtimpulse breite Anwendung. Hierbei werden periodische Lichtimpulse über eine „Meßstrecke" gesandt und mittels eines Photoempfängers registriert. Aus der Laufzeit und eventuellen Impulsverformungen können Rückschlüsse auf verschiedene Eigenschaften der Meßstrecke, wie Länge, Brechungsindex, Transmission, Rückstreuung, Inhomogenitäten u.a. gezogen werden.

Zur Erzielung guter räumlicher Auflösung und Reichweite muß der Photoempfänger hohe Zeitauflösung und große Nachweisempfindlichkeit aufweisen. Bei bekannten Lösungen besitzt der Photoempfänger daher einen breitbandigen — und damit zwangsläufig niederohmigen — Signalausgang zur Registrierung der eintreffenden Lichtimpulse (DE-OS 3335869, G 01 S 17/10; DE-PS 3020996, G 01 S, 17/08). Der breitbandige Signalausgang gewährleistet zwar eine hohe Zeitauflösung, doch führt die zwangsläufige Niederohmigkeit zu kleinen Signalpegeln. Infolgedessen dominiert bei niedrigen Intensitäten der eintreffenden Lichtimpulse das Rauschen der dem Photoempfänger nachgeschalteten Auswerteelektronik, und eine Messung ist nicht möglich.

Es ist auch eine Lösung bekannt (DE-OS 3310055, G 01 S, 17/10), bei welcher der elektrische Empfängerimpuls und ein kurzer Nadelimpuls über eine Diode auf einen Kondensator gelangen. Am Kondensator entsteht eine Sägezahnspannung, deren Spitzenwert der Summe beider Momentanwerte entspricht. Durch eine Phasenverschiebung des Nadelimpulses während des Eintreffens vieler Empfängerimpulse werden eine Abtastung der Impulsform und eine Transformation in den NF-Bereich realisiert.

Auch diese Lösung arbeitet mit einem breitbandigen Signalausgang des Photoempfängers und beseitigt nicht die damit verbundenen Nachteile der geringen Nachweisempfindlichkeit.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, periodische Lichtimpulse mit hoher Zeitauflösung und großer Nachweisempfindlichkeit empfangen zu können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektor für periodische optische Impulse anzugeben, bei welchem der Photoempfänger, ohne Verlust an Zeitauflösung, mit hochohmigem Signalausgang arbeitet.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Impulsdetektor mit einer Impulslichtquelle mit Referenzausgang für synchrone elektrische Impulse, einem Photoempfänger mit innerer Verstärkung sowie einem Steuer- und Auswertemodul mit nachgeschaltetem Anzeigemodul, der erfindungsgemäß in nachstehend beschriebener Weise ausgebildet ist.

Der Photoempfänger verfügt über einen Steuereingang zur impulsförmigen Modulation der inneren Verstärkung. Der Referenzausgang der Impulslichtquelle ist über eine elektrisch steuerbare Verzögerungseinheit sowie einen nachgeschalteten

elektronischen Schalter mit Referenzausgang zum Steuereingang des Photoempfängers geführt. Der Signalausgang des Photoempfängers ist über einen Lock-in-Verstärker mit dem Signaleingang des Steuer- und Auswertemoduls verbunden. Der Referenzausgang des elektronischen Schalters ist zum Referenzeingang des Lock-in-Verstärkers, und der Steuerausgang des Steuer- und Auswertemoduls zum Steuereingang der elektrischen Verzögerungseinheit geführt. Als Photoempfänger mit innerer Verstärkung kommen insbesondere Avalanche-Photodioden und Photomultiplier in Betracht. Im Betrieb bewirkt das am Detektor eintreffende impulsförmige optische Signal S₁It) im Photoempfänger den primären Photostrom TS₁It), wobei r = T?e/hy in bekannter Weise die Stromempfindlichkeit bedeutet. Hinzu kommen der primäre Dunkelstrom l_d sowie das — auf den Eingang des Empfängers bezogene — Rauschsignal N(t). Für den primären Gesamtstrom ergibt sich

ip(t) = TS₁It) + l_d + N(t). (1)

Dieser Strom erfährt im Photodetektor eine Verstärkung M(t, τ) entsprechend derfolgenden Gleichung:

M(t, τ) = M₀[I + kS₂(t + τ)]. (2)

In (2) bedeuten M₀ die konstante Grundverstärkung ohne Modulation, τ die zeitliche Verzögerung zwischen dem eintreffenden optischen Impuls und dem elektrischen Steuerimpuls am Photoempfänger, S₂It) die auf den Maximalwert 1 normierte Modulationsfunktion sowie k einen den Modulationshub kennzeichnenden konstanten Faktor. Im Lock-in-Verstärker mit der Verstärkung V erfolgen sowohl eine zeitliche Mittelwertbildung

+T

_p(t) M(t, f) dt _(3J

I(^) = (7/2T) j i_p(t) M(t, f) dt

-T

als auch eine Differenzbildung

ΔΙ(τ) = I (τ, k Φ 0) - I (τ, k = 0) (4)

zwischen den zeitlich gemittelten Photoströmen der — durch den elektronischen Schalter bedingten — Zustände mit bzw. ohne Modulation der inneren Verstärkung. Setzt man (1) und (2) in (3) bzw. (4) ein, so ergeben sich 9 Terme, von denen sich einige infolge der Differenzbildung gegenseitig kompensieren, so daß für den Ausgangsstrom des Lock-in-Verstärkers folgt:

C M_QkV/2T) Γ [TS₁Ct) + N(t)]

<⁵> -T

Die Gleichung (5) entspricht der Summe der Kreuzkorrelationsfunktion von S₁It) und S₂It) bzw. von N(t) und S₂It). Da das Rauschsignal N(t) keine Korrelation mit S₂It) aufweist, liefert es bei großer Integrationszeit T keinen Beitrag zu ΔΙ(τ). Das optische Impulssignal S₁It) ist dagegen sehr stark mit S₂(t) korreliert, so daß sich schließlich mit

+T

dt (6>

A Ut) = (rM_okV/2T) j S₁Ct) S₂Ct₊ t)

—T

ein Ausdruck für den Ausgangsstrom des Lock-in-Verstärkers ergibt, der direkt der Kreuzkorrelationsfunktion von S₁It) und S₂It) entspricht. Für zwei impulsförmige Signale ergeben sich ein Maximalwert für τ = 0 sowie ein im allgemeinen asymmetrischer Abfall auf den Wert Null für τ -» ± « .

Aus der zur Erzielung des Maximalwertes erforderlichen Verzögerungszeit τ kann somit die Laufzeit des ausgesandten Lichtimpulses über die „Meßstrecke" ermittelt werden.

Benutzt man sehr kurze Impulse, so ist eine hohe räumliche Auflösung erreichbar. Wesentlich größere Meßgenauigkeiten erzielt man jedoch durch Anwendung bekannter „level-crossing"-Verfahren innerhalb des Steuer- und Auswertemoduls.

Da in dem erfindungsgemäßen optischen Impulsdetektor einerseits der Photoempfänger mit hochohmigem Signalausgang betrieben werden kann, und andererseits im Prozeß der Bildung der Kreuzkorrelation eine Rauschunterdrückung stattfindet, ist eine sehr hohe Nachweisempfindlichkeit erreichbar. In den bisherigen Betrachtungen wurde davon ausgegangen, daß das Empfängerrauschen gegenüber dem Rauschen des Lock-in-Verstärkers dominiert. Dies ist immer dann berechtigt, wenn Photoempfänger mit großer innerer Verstärkung verwendet werden. Ist das nicht der Fall, so überlagert sich das Verstärkerrauschen der registrierten Kreuzkorrelationsfunktion und führt zu einer Verminderung der Meßgenauigkeit.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: den optischen Impulsdetektor,

Fig. 2: die Registrierkurven von periodischen Lichtimpulsen, deren Eintreffzeit sich um 30 ps unterscheidet infolge Verschiebung

eines rückstreuenden Objektes um 4,5 mm, Fig. 3: die Registrierkurven von periodischen Lichtimpulsen, deren Eintreffzeit sich um 10ps unterscheidet infolge Verschiebung eines rückstreuenden Objektes um 1,5mm.

Der optische Impulsdetektor enthält eine Impulslichtquelle L mit Referenzausgang für synchrone elektrische Impulse. Der Referenzausgang kann auf vielfältige Weise realisiert werden. Bei Halbleiterlichtquellen ist es beispielsweise möglich, einen Teil des elektrischen Ansteuersignals abzuzweigen. Benutzt man modensynchronisierte Laser, so ist es zweckmäßig, einen Anteil der Laserstrahlung über einen Strahlteiler auf einen Hilfsphotoempfänger zu lenken. Der Signalausgang dieses Photoempfängers dient dann als Referenzausgang der Impulslichtquelle.

Als zweiten wesentlichen Bestandteil enthält der optische Impulsdetektor einen Photoempfänger PE mit innerer Verstärkung sowie mit einem Steuereingang zur impulsförmigen Modulation der inneren Verstärkung. Als Photoempfänger kommen beispielsweise Photomultiplier und Avalanche-Photodioden in Betracht. Der Steuereingang kann auf verschiedene Arten realisiert werden. An Photomultipliern ist es beispielsweise möglich, das impulsförmige Steuersignal an eine der Dynoden oder an spezielle Gitter zu legen. Im Falle von Avalanche-Photodioden ist eine Addition des Steuersignals zur Betriebsspannung möglich. Der Referenzausgang der Lichtquelle L ist über eine elektrisch steuerbare Verzögerungseinheit EV sowie einen nachgeschalteten elektronischen Schalter ES mit Referenzausgang zum Steuereingang des Photoempfängers PE geführt. Der Signalausgang des Photoempfängers PE ist über einen Lock-in-Verstärker Ll mit dem Signaleingang eines Steuer- und Auswertemoduls SA verbunden, wobei der Referenzausgang des elektronischen Schalters ES zum Referenzeingang des Lock-in-Verstärkers Ll, und der Steuerausgang des Steuer- und Anzeigemoduls SA zum Steuereingang der elektrischen Verzögerungseinheit EV geführt sind. An dem Steuer- und Auswertemodul SA ist ein Anzeigemodul A angeschlossen. Die in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Registrierkurven wurden unter Verwendung eines modensynchronisierten Argonlasers von 120cm Resonatorlänge als Lichtquelle sowie einer Silizium-Avalanche-Photodiode als Photoempfänger mit innerer Verstärkung erhalten. Zur Erzeugung der elektrischen Referenzimpulse diente eine zweite Avalanche-Photodiode.

In Fig. 2 sind die registrierten Kreuzkorrelationsfunktionen für zwei Positionen eines rückstreuenden Objektes dargestellt. Der Laufzeitunterschied von 30 ps entspricht einer Abstandsänderung des Objektes vom Detektor um 4,5 mm. Der zeitlich gemittelte Ausgangsstrom der Avalanche-Photodiode beträgt ohne Modulation 3OpA. Mit M₀ = 414 ergibt sich daraus ein mittlerer Primärstrom von 7,25 · 10"¹⁴A. Dies entspricht im Falle des o.g. Lasers 3,6 · 10~³ primären Photoelektronen bzw. ca 7,3 · 10~³ absorbierten Photonen pro Impuls. Legt man eine mittlere Ausgangsleistung des Lasers von 500 mW zugrunde, so werden 10¹⁰ Photonen pro Impuls emittiert. Diese Zahl ist um den Faktor 1,4 · 10¹² größer als die vom Impulsdetektor benötigte. Wollte man auf konventionelleWeise unterVerwendung einer Avalanche-Photodiode mit M₀ = 414an einem Sampling-Oszilloskop mit 50Ω Eingangswiderstand eine Impulsamplitude von 10mV erzeugen, so wären dazu für eine Impulsdauer von 200 ps ca 1,2 · 10³ absorbierte Photonen pro Impuls erforderlich. Für den Fall des o. g. Lasers liefert daher der erfindungsgemäße Impulsdetektor eine um den Faktor 1,6 · 10^s höhere Empfindlichkeit.

Wird mit einem Entfernungsmesser eine Streckenlänge L vermessen, so darf im Interesse eindeutiger Ergebnisse die Impulsfolgefrequenz f den Maximalwert f = c/2 L nicht überschreiten.

Im o. g. Beispiel beträgt die eindeutig vermeßbare Streckenlänge nur 1,20 m, da für den verwendeten Laser f = 125 MHz gilt. Soll die eindeutig vermeßbare Streckenlänge auf 1 200 m vergrößert werden, ist f auf 125kHzzu erniedrigen. Diese Maßnahme führt zu einer Erhöhung der erforderlichen Photonenzahl pro Impuls auf den Wert 7,3, was nur noch eine Verbesserung der Empfindlichkeit um den Faktor 165 gegenüber dem konventionellen Nachweis mit Sampling-Oszilloskop bedeutet. Diese Betrachtung zeigt, daß der erfindungsgemäße Impulsdetektor in solchen Fällen vorteilhaft angewendet werden kann, in denen hohe Impulsfolgefrequenzen zulässig sind.

Fig. 3 zeigt registrierte Kreuzkorrelationsfunktionen für zwei Objektentfernungen, die sich um 1,5 mm unterscheiden. Gegenüber Fig. 2 wurden der mittlere Ausgangsstrom verdoppelt und die Integrationszeit verdreifacht. Die Impulsfolgefrequenz betrug 125MHz.

Claims

1. Optischer Impulsdetektor mit einer Impulslichtquelle mit Referenzausgang für synchrone elektrische Impulse, einem Photoempfänger mit innerer Verstärkung sowie einem Steuer- und Auswertemodul mit nachgeschaltetem Anzeigemodul, gekennzeichnet dadurch, daß der Photoempfänger einen Steuereingang zur impulsförmigen Modulation der inneren Verstärkung aufweist, daß der Referenzausgang der Impulslichtquelle über eine elektrisch steuerbare Verzögerungseinheit sowie einen nachgeschalteten elektronischen Schalter mit Referenzausgang zum Steuereingang des Photoempfängers geführt ist, und der Signalausgang des Photoempfängers über einen Lock-in-Verstärker mit dem Signaleingang des Steuer- und Auswertemoduls verbunden ist, wobei der Referenzausgang des elektronischen Schalters zum Referenzeingang des Lock-in-Verstärkers, und der Steuerausgang des Steuer- und Auswertemoduls zum Steuereingang der elektrischen Verzögerungseinheit geführt sind.

2. Optischer Impulsdetektor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Photoempfänger mit innerer Verstärkung eine Avalanche-Photodiode vorgesehen ist.

3. Optischer Impulsdetektor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Photoempfänger mit innerer Verstärkung ein Photomultiplier vorgesehen ist.