IT8209480A1

IT8209480A1 - LASER TRANSMISSOMETER WITH AUTOMATIC RECOVERY OF THE EMITTED POWER FLUCTUATIONS

Info

Publication number: IT8209480A1
Application number: IT1982A09480A
Authority: IT
Original assignee: Consiglio Nazionale Ricerche
Priority date: 1982-07-27
Filing date: 1982-07-27
Publication date: 1984-01-27

Description

Descrizi?ne dell*Invenzione Industriale dal titolo; " "TRASMISSOMBTRO LASER A RECUPERO AUTOMATICO DELLE FLUTTUAZIONI DELLA POTENZA EMESSA" Description of the Industrial Invention entitled; "" LASER TRANSMISSION WITH AUTOMATIC RECOVERY OF THE EMITTED POWER FLUCTUATIONS "

DELLE RICERCHE, RESEARCH,

RIASSUNTO SUMMARY

Il trasmissometro - che serve per la misura del_ la attenuazione di un fascio di energia del tipo luminoso in specie nell'atmosfera ? comprende una sorgente lasert un ricevitore ad obiettivo di tipo fotografico ed un dispositivo di valutazione dell'energia emessa con componenti equivalenti a quelli del ricevitore? per pilotarne l'uscita con segnale in onda quadra con "duty-cycle"? The transmissometer - which is used to measure the attenuation of an energy beam of the luminous type, especially in the atmosphere? includes a laser source, a receiver with a photographic lens and an emitted energy evaluation device with components equivalent to those of the receiver? to drive the output with a square wave signal with "duty-cycle"?

DESCRIZIONE DESCRIPTION

L'invenzione si riferisce a quegli strumenti? detti trasmissometri? che misurano 1?attenuazione di un fascio luminoso che si propaga in atmosfera fra la sorgente luminosa (trasmettitore) ed un siste ma di rivelazione (ricevitore)? Does the invention relate to those tools? said transmissometers? which measure the attenuation of a light beam that propagates in the atmosphere between the light source (transmitter) and a detection system (receiver)?

Poich? la misura dell'attenuazione atmosferica consente la determinazione della visibilit? ? il tra smissometro ? diventato? a livello intem azionale, il tipico misuratore di visibilit? e trova pertanto applicazione in tutti quei campi in cui la conoscenza continua ed accurata della visibilit? ? importante come stazioni metereologiche , aeroporti, navigazione marina.e fluviale , autostrade ed altro? Since? the measurement of the atmospheric attenuation allows the determination of the visibility? ? the tra smissometer? become? internationally, the typical visibility meter? and therefore finds application in all those fields in which the continuous and accurate knowledge of the visibility? ? important as weather stations, airports, marine and river navigation, highways and more?

Uno scopo dell'invenzione ? di realizzare un apparecchio di basso costo , portatile e di minimo ingombro, che sia affidabile e non richieda in pratica n? manutenzione n? calibrazione da parte dell'utente? Questi ed altri scopi e vantaggi risulteranno evidenti agli esperti dalla lettura del testo che segue. A purpose of the invention? to realize a low cost, portable and compact device, which is reliable and does not require in practice n? maintenance n? user calibration? These and other objects and advantages will become evident to those skilled in the art from a reading of the following text.

Sostanzialmente ? secondo l'invenzione - un tra smissome tro (per la misura della attenuazione di un fascio di energia del tipo luminoso in specie nell'atmo sfera e per altri impieghi) comprende una sorgente la ser, un ricevitore ad obiettivo di tipo fotografico, ed un dispositivo di valutazione dell'energia emessa con componenti fotoelettrici e di conversione equiva lenti a quelli del ricevitore, per pilotarne l'uscita con segnale in onda quadra con "duty-cycle" variabile. Basically? according to the invention - a transmitter (for the measurement of the attenuation of an energy beam of the light type, especially in the atmosphere and for other uses) comprises a la ser source, a receiver with a photographic type objective, and a device for evaluating the energy emitted with photoelectric and conversion components equivalent to those of the receiver, to drive its output with a square wave signal with variable "duty-cycle".

il ricevitore ed un dispositivo di valutazione dell'energia emessa, connesso ad un "bearo-splitter" comprendono ciascuno un fotodiodo ed un convertitore corrente-frequenza; il convertitore di detto dispositivo di?valutazione ? connesso ad un contatore con "clock", per ottenere un segnale ad onda quadra "duty-cycle" resettato, che ? fornito tramite un invertitore al ricevitore? the receiver and an emitted energy evaluation device, connected to a "bearo-splitter" each comprise a photodiode and a current-frequency converter; the converter of said? evaluation? connected to a "clocked" counter, to obtain a reset "duty-cycle" square wave signal, which? supplied via an inverter to the receiver?

Il segnale di valutazione pu? essere utilizzato come segnale di abilitazione per ^uscita del ricevi tore, che ? attuata con un circuito digitale, come quello con invertitore e porta "NAND* e fornita ad un contatore? The evaluation signal can? be used as an enable signal for the receiver output, which? implemented with a digital circuit, such as the one with inverter and "NAND * gate" and supplied to a counter?

La sorgente laser ? vantaggiosamente una sorgente laser a gas, ed il filtro fra ottica di ricezione e fotodiodo del,ricevitore ? un filtro interferenzia le di lunghezza d*onda corrispondente a quella del laser? The laser source? advantageously a gas laser source, and the filter between the receiving optics and the photodiode of the receiver? an interfering filter of wavelength corresponding to that of the laser?

Il disegno mostra un esempio non limitativo di uno schema di attuazione dello strumento. The drawing shows a non-limiting example of an implementation scheme of the tool.

Nel disegno? con 1 ? indicata la linea elettrica connessa ad un alimentatore 3 per fornire le varie tensi?ni e ad un alimentatore 5 per il laser 7 a gas ad emissione continua nella gamma del visibile; esso pu? essere ad esempio ad elio-neon od altro? Il fascio PL emesso dal laser 7 ? intercettato da un divisore semiriflettente (beam-splitter) 9 e raggiunge un*ottica di ricezione 10; a questo seguono un filtro interferenziale 12 a banda stretta ed un fotodiodo 14 utilizzato in maniera fotoamperometrica per aumentarne la linearit?? Il segnale ottenuto ? elaborato ? * ? da un circuito 16; questo circuito comprende un convertitore corrente?frequenza (IFC) indicato con 18, il cui segnale ? inviato in una porta 20 che riceve anche un segnale di misurazione della potenza del-1?emissione, per fornire un segnale ad un contatore totalizzatore 22:sull''uscita dal circuito 16* Dal beam^splitter 9 il segnale deviato raggiunge un fotodiodo 24 utilizzato in maniera fotoamperometrica, u guaie a quello 14, che fornisce un segnale ad un circuito 26 con convertitore corrente-frequenza IFC 28, contatore ad azzeramento prefissato indicato con 30 e.pilotato da uh datore di tempo o clock 32 per "resettar?" il segnale sull?uscita 34 del circuito 26, che raggiunge un invertitore 36 nel circuito 16; questo inv?rtitore fornisce il secondo segnale alla porta AND 20? In the drawing? with 1? indicated the electric line connected to a power supply 3 to supply the various voltages and to a power supply 5 for the continuous emission gas laser 7 in the visible range; it can? be for example helium-neon or other? The PL beam emitted by the laser 7? intercepted by a semi-reflective divider (beam-splitter) 9 and reaches a receiving optic 10; this is followed by a narrow band interference filter 12 and a photodiode 14 used in a photoamperometric manner to increase its linearity. The signal obtained? elaborate? *? from a circuit 16; this circuit includes a current? frequency converter (IFC) denoted by 18, whose signal? sent in a port 20 which also receives a signal for measuring the power of the emission, to supply a signal to a totalizer counter 22: on the output from the circuit 16 * From the beam splitter 9 the deflected signal reaches a photodiode 24 used in a photoamperometric manner, in accordance with that 14, which supplies a signal to a circuit 26 with IFC current-frequency converter 28, counter with preset zero setting indicated with 30 and piloted by a time or clock generator 32 to "reset?" the signal on the output 34 of the circuit 26, which reaches an inverter 36 in the circuit 16; this inverter supplies the second signal to the AND gate 20?

Il trasmissometro di cui sopra utilizza come trasmettit?re laser 7 una sorgente laser a gas (emissione continua e nel visibile) di bassa potenza, polarizzata linearmente, la cui potenza viene misurata tramite il *beam-splitter? 9 dal fotodio*do 24? La polarizzazione ? richiesta dalla presenza del abeam-?splitter". Il sistema di ricezione 10-12-14 utilizza un.obiettivo fotografico 10 a lunga focale, ed il fotodiodo 14 davanti al quale si trova il filtro interferenzi ale 12. I fotodiodi 14 e 24 usati sul tra emettitore e sul ricevitore hanno identiche caratteristiche. The above transmissometer uses a linearly polarized low-power gas laser source (continuous and visible emission) as the laser transmitter 7, the power of which is measured by means of the * beam-splitter? 9 from the photodium * do 24? The polarization? required by the presence of the abeam-? splitter ". The receiving system 10-12-14 uses a photographic lens 10 with long focal length, and the photodiode 14 in front of which is the interference filter 12. The photodiodes 14 and 24 used on the between emitter and receiver have identical characteristics.

Identici sono pure i circuiti di conversione corrente-frequenza (IFC) 18 e 28 utilizzati"per l'estrazione dell'informazione? i quali sono sostanzialmente realizzati come segue. Ogni fotodiodo.al silicio, operante in modo fotoamperometrico per elevarne r la linearit? , ? connesso ad un amplificatore operazionale operante come convertitore corrente-tensione e che rappresenta un cortocircuito virtuale per il rivelatore. Ogni segnale di uscita viene inviato quindi ad un convertitore tensione?frequenza. Identical are also the current-frequency conversion circuits (IFC) 18 and 28 used "for the extraction of the information" which are substantially realized as follows. , is connected to an operational amplifier operating as a current-voltage converter and which represents a virtual short-circuit for the detector Each output signal is then sent to a voltage / frequency converter.

L'uscita dell'IFC 28 sul trasmettitore ? collegata al contatore ad azzeramento prefissato 30. Il segnale risultante sull'uscita 34 consiste quindi in un'onda quadra a "duty?cycle" variabile in funzione della potenza emessa dalla sorgente laser, che ? resettato tramite il clock 32. Questo segnale, inviato al circuito ricevitore 16, abilita la frequenza di uscita dell'IFC 18 relativo, per cui il segnale risultante siili'uscita del circuito 16, totalizzato sul contatore 32 , ? direttamente funzione della attenua zione atmosferica subita dal fascio FL fra trasmetti tore e ricevitore , ed ? indipendente dalle fluttua? zioni della potenza emessa dal trasmettitore? The IFC 28 output on the transmitter? connected to the counter with predetermined reset 30. The resulting signal on output 34 therefore consists of a square wave with a variable duty cycle according to the power emitted by the laser source, which? reset by clock 32. This signal, sent to the receiver circuit 16, enables the output frequency of the relative IFC 18, so that the resulting signal is the output of the circuit 16, totalized on the counter 32,? directly a function of the atmospheric attenuation undergone by the FL beam between transmitter and receiver, and d? independent of the fluctuations? tions of the power emitted by the transmitter?

Il segnale di correzione ad onda quadra resettato si manterr? nella posizione "lov" tanto pi? a lungo quanto minore sar? la potenza laser emessa; il passaggio alla posizione "high"inibir? 11 passaggio del segnale di frequenza nell "AND" 20? Will the reset square wave correction signal be held? in the "lov" position, the more? for a long time how much less will it be? the laser power emitted; the passage to the "high" position inhibit? 11 passing the frequency signal into the "AND" 20?

Lo strumento come descritto presenta pertanto le seguenti caratteristiche peculiari: The instrument as described therefore has the following peculiar characteristics:

- Utilizzazione di una sorgente di lunga durata (laser) che non richiede sistemi ottici di collimazione; - Indipendenza del segnale di uscita dalla illuminazione dell?ambiente (per esempio variazione giorno/ notte), che ? ottenuta - dato il tipo di sorgente usata - con l?uso del filtro interferenziale 12 sul ricevitore; - Use of a long-lasting source (laser) that does not require optical collimation systems; - Independence of the output signal from the ambient lighting (for example day / night variation), what? obtained - given the type of source used - with the use of the interference filter 12 on the receiver;

- Stabilit? e linearit? del segnale di uscita; ci? ? stato ottenuto utilizzando rivelatori e convertito ri corrente-frequenza identici ed operanti in circuiti posti nelle medesime condizioni ambientali; in pi? l?utilizzazione di una sorgente laser - quin di monocromatica e stabile in lunghezza d?onda di emissione - permette di far lavorare i due rivelato ri a sensibilit? predeterminata ed indipendenti ? dal variare delle condizioni ambientali. Le eventuali fluttuazioni in potenza della sorgente od un suo decadimento nel tempo sono completamente recuperate dal tipo di elettronica di trattamento del segnale , come sopra indicato; - Stability and linearity? of the output signal; there? ? it was obtained using identical detectors and current-frequency converter and operating in circuits placed in the same environmental conditions; in more? the use of a laser source - so monochromatic and stable in emission wavelength - allows the two detectors to work at sensitivity. predetermined and independent? from varying environmental conditions. Any fluctuations in power of the source or its decay over time are completely recovered by the type of electronic signal processing, as indicated above;

Stabilit? della calibrazione dello strumento , dovuta a quanto sopra descritto; la calibrazione ? pertanto necessaria solo in fase di montaggio o ri parazione dello strumento; Stability the calibration of the instrument, due to the above; the calibration? therefore necessary only during the assembly or repair of the instrument;

Possibilit? di scelta del tipo di ottica di ricezione? da usare in relazione alla base di misura dello strumento cio? in base alla distanza fra trasmettitore e ricevitore; Possibility of choice of the type of reception optics? to be used in relation to the measurement base of the instrument that is? based on the distance between transmitter and receiver;

Utilizzazione di segnali digitali per trasmettere via cavo 34 il segnale a distanze anche elevate, senza perdita di informazione; Use of digital signals to transmit the signal over long distances via cable 34, without loss of information;

Facilit? di visualizzazione ed acquisizione del segnale utile per mezzo di un semplice contatore; Ease display and acquisition of the useful signal by means of a simple counter;

Basso costo di realizzazione e manutenzione, dovuto alla semplicit? del progetto di base, alla assenza di parti in movimento, all?uso di un numero limitato di componenti , alla loro facile reperibilit? sul mercato; Low cost of construction and maintenance, due to the simplicity? of the basic project, the absence of moving parts, the use of a limited number of components, their easy availability? on the market;

Portabilit?, robustezza e relativa insensibilit? alle ?variazioni delle condizioni ambientali; Portability, robustness and relative insensitivity changes in environmental conditions;

Facilit? di utilizzazione dello strumento anche da parte di operatori inesperti nell?uso di apparati ottico-elettronici? Ease of use of the instrument also by inexperienced operators in the use of optical-electronic devices?

Particolarmente originali e vantaggiosi risultano: 1) L'uso di una sorgente laser a gas (elio-neon od altro) operante nello spettro visibile, il laser offrendo coerenza del fascio, stabilit? della lunghezza d'onda emessa, banda di emissione stretta^ ed elevata durata in condizioni costanti; Particularly original and advantageous are: 1) The use of a gas laser source (helium-neon or other) operating in the visible spectrum, the laser offering coherence of the beam, stability? of the emitted wavelength, narrow emission band ^ and high duration under constant conditions;

2) L'Uso di un ricevitore costituito da un obiettivo v fotografico, e di un dispositivo ottico (filtro in terferenziale) a banda stretta, quale soppressore delle variazioni dell'illuminazione dell'ambiente; 3) Il dispositivo per la conversione del segnale di uscita dal fotorivelatore in onda quadra con "duty-cyclew variabile, proporzionalmente alla poten za emessa dalla sorgente; 2) The use of a receiver consisting of a photographic objective v, and of an optical device (interferential filter) with a narrow band, as a suppressor of variations in the lighting of the environment; 3) The device for converting the output signal from the photodetector into a square wave with variable duty-cycle, proportional to the power emitted by the source;

4) Il dispositivo comportante la conversione in frequenza della potenza ricevuta sulla superficie dell'elemento fotosensibile, e la abilitazione di detta frequenza da parte del segnale proveniente /dal dispositivo di cui al punto 3; 4) The device involving the conversion into frequency of the power received on the surface of the photosensitive element, and the enabling of said frequency by the signal coming from / from the device referred to in point 3;

5 ) L'uso di un solo dispositivo di comando esterno costituito da un commutatore per l 'attivazione dell'intera apparecchiatura; 5) The use of a single external control device consisting of a switch for activating the entire equipment;

6) L'uso di una onda quadra in bassa frequenza (vedi punto 3) quale unico segnale di controllo fra tra 6) The use of a low frequency square wave (see point 3) as the only control signal between

Claims

1) A transmissometer for the measurement of the attenuation of an energy beam of the type of light in particular in the atmosphere * characterized by the fact of compre? give a laser source, a ric? vitor? with a photographic lens, and a device for evaluating the emitted energy with photoelectric and conversion components equivalent to those of the receiver * to drive its output with a square wave signal with variable "duty-cy and".

2) Transmissometer as per the previous claim? ter characterized in that the receiver and a device for evaluating the emitted energy, connected to a "bearo-splitter", each comprise a photodiode and a current-frequency converter; the converter of said evaluation device being connected to a counter with "clock", to obtain an if? square wave gnale "duty? cycle" vari? able reset? that ? supplied via an inverter to the receiver,

3) Transmissometer as per the preceding claims, characterized by the fact that the evaluation signal? used as an enable signal for the receiver output, what? implemented with a digital circuit and supplied to a meter,

4) Transmissometer as per the previous claims, characterized by the fact that the laser source? a narrow band monochromatic source and that the filter between the receiving optics and the photodiode of the receiver? an interference filter with a wavelength and band corresponding to those of the laser,

5) Transmitter as per the preceding claims, characterized in that it comprises a single external commutator for emitter and receiver.

6) Laser transmitter with automatic recovery of emitted power fluctuations; all as described above and shown by way of example in the attached drawing.