RU198737U1

RU198737U1 - Фотоприемный модуль для регистрации лидарных сигналов

Info

Publication number: RU198737U1
Application number: RU2020117571U
Authority: RU
Inventors: Юрий Степанович Балин; Михаил Михайлович Новоселов; Григорий Павлович Коханенко; Иоганес Эрнстович Пеннер; Светлана Викторовна Самойлова; Марина Георгиевна Клемашева; Сергей Владимирович Насонов; Максим Викторович Тригуб
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-07-24

Abstract

Полезная модель относится к области технологий дистанционного лазерного контроля оптико-физических параметров атмосферы, в том числе параметров аэрозольных и облачных полей атмосферы, мониторинга процессов распределения дымовых шлейфов лесных пожаров и выбросов промышленных предприятий и т.д.В зависимости от оптико-метеорологического состояния атмосферы в сеанс зондирования требуется оперативное изменение коэффициента усиления сигнала, температуры охлаждения лавинного фотодиода и величины его высоковольтного напряжения.Полезная модель устраняет этот недостаток за счет того, что цифровой модуль управления выполнен на основе программируемого микроконтроллера. Это увеличивает быстродействие модуля и обеспечивает возможность создания алгоритмов с гибким изменением логики измерений, т.е. оперативно изменять коэффициент усиления сигнала, температуру лавинного фотодиода и величину его высоковольтного напряжения согласно заложенному алгоритму и с учетом параметров регистрируемых сигналов.

Description

Полезная модель, фотоприемный модуль для регистрации сигналов в ближней ИК-области спектра длин волн, относится к области технологий дистанционного лазерного контроля оптико-физических параметров атмосферы, в том числе параметров аэрозольных и облачных полей атмосферы, мониторинге процессов распределения дымовых шлейфов лесных пожаров и выбросов промышленных предприятий и т.д.

Известен фотомодуль для регистрации лидарных сигналов в ближней ИК-области спектра на длине волны 1,06 мкм, содержащий в качестве фотодетектора фотоумножитель с высокочастотным источником питания, аналогоцифровой преобразователь, преобразующий световой сигнал в цифровой код, посылаемый для дальнейшей обработки в ЭВМ [Монография «Сибирская лидарная станция: аппаратура и результаты» (под редакцией Матвиенко Г.Г.) // Томск. Изд-во ИОА СО РАН. 2016. 414 с. Гл.7.1.1.]

Основным недостатком этого фотомодуля, при его использовании в системе регистрации является низкая эффективность и малая дальность зондирования лидара, вследствие того, что квантовая эффективность фотоумножителя в области ближнего ИК-диапазона длин волн снижается до единиц процентов, по сравнению с видимой областью спектра.

Известен фотомодуль для регистрации лидарных сигналов, включающий лавинный фотодиод с пространственно разнесенным от него электронным блоком с источником питания и усилителем лидарных сигналов [licel.com/APD.htm]. Недостатком этого фотомодуля является ненадежность в эксплуатации, вследствие наличия протяженных электрических цепей между фотомодулем и электронным блоком, на которые наводятся электромагнитные помехи, возникающие при работе лидара.

Прототипом заявляемой полезной модели является фотоприемный модуль, включающий, расположенные на одном основании в общем корпусе лавинный фотодиод с высоковольтным источником питания и блоком управления температуры, подключенный последовательно к усилителю, аналого-цифровому преобразователю и USB коннектору, систему управления, электрически связанную для синхронизации с аналого-цифровым преобразователем [Слесарь А.С., Чайковский А.П., Иванов А.П., Денисов С.В., Король М.М., Осипенко Ф.П., Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Пеннер И.Э. Фотоприемные модули для лидарных станций в сети CIS-LiNet. // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 12. С. 1073–1081].

Недостатком прототипа является низкая оперативность изменения параметров электронных составляющих фотомодуля в процессе выполнения сеанса лазерного зондирования, поскольку система управления выполнена на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), реализующей жесткую программу логики работы фотоприемного модуля.

В зависимости от оптико-метеорологического состояния атмосферы в сеанс зондирования требуется оперативное изменение коэффициента усиления сигнала, температуры охлаждения лавинного фотодиода и величины его высоковольтного напряжения.

Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток за счет того, что цифровой модуль управления выполнен на основе программируемого микроконтроллера. Это увеличивает быстродействие модуля и обеспечивает возможность создания алгоритмов с гибким изменением логики измерений, т.е. оперативно изменять коэффициент усиления сигнала, температуру лавинного фотодиода и величину его высоковольтного напряжения согласно заложенному алгоритму и с учетом параметров регистрируемых сигналов.

На фиг.1 изображена блок-схема фотоприемного модуля. Фотоприемный модуль состоит из лавинного фотодиода 1, температурный режим которого поддерживается блоком управления температурой 2. Электрический вход фотодиода 1 подключен к высоковольтному источнику питания 3. Выход лавинного фотодиода 1 соединен через усилитель 4 со входом аналого-цифрового преобразователя лидарных сигналов 5, выход которого через USB-коннектор 7 подключен к внешнему компьютеру. Блок управления 6 подключен к блоку управления температурой 2, высоковольтному источнику питания 3, усилителю 4 и аналого-цифровому преобразователю 5.

Фотоприемный модуль в составе лидара работает следующим образом.

В начальный момент времени, когда осуществляется посылка лазерного излучения в атмосферу на вход блока управления 6 подается оптический синхроимпульс, который преобразуется в электрический синхроимпульс и поступает для запуска временной развертки в аналого-цифровой преобразователь 5.

Система управления 6 получает информацию о температурном режиме лавинного фотодиода 1 через блок управления температурой 2, осуществляет анализ и затем выдает управляющую команду в этот блок на установку оптимальной температуры рабочей зоны фотодиода 1. Система управления 6 формирует управляющий сигнала, который поступает в высоковольтный источник питания 3 для задания режима работы лавинного фотодиода 1.

Одновременно лидарный сигнал из атмосферы поступает на вход лавинного фотодиода 1, где преобразуется в электрический сигнал, который в дальнейшем направляется на вход усилителя 4, а далее на вход аналогово-цифрового преобразователя 5, который осуществляет его преобразование в цифровой код. Оцифрованный лидарный сигнал через USB-коннектор 7 поступает для записи и обработки во внешний компьютер.

В реализуемой полезной модели в качестве лавинного фотодиода используется диод марки C30956EH-TC. Система управления реализована на базе 32 разрядного высокопроизводительного контроллера STM32F767VGT7 с тактовой частотой 216 МГц. Высоковольтный источник питания реализован на высокочастотных карбид-кремниевых полупроводниковых элементах (транзисторы, диоды Шотки) по топологии преобразователя постоянного напряжения с гальванической развязкой. Усилитель выполнен на основе инструментальных операционных усилителей Analog Devices AD8422. Блок управления температурой реализован на базе элемента Пельтье.

Claims

Фотоприемный модуль для регистрации лидарных сигналов, включающий расположенные на одном основании в общем корпусе лавинный фотодиод с высоковольтным источником питания и блоком управления температуры, подключенный последовательно к усилителю, аналого-цифровому преобразователю и USB коннектору, систему управления электрически связанную для синхронизации с аналого-цифровым преобразователем, отличающийся тем, что система управления выполнена в виде программируемого микроконтроллера и подключена также к блоку управления температуры лавинного фотодиода, усилителю и высоковольтному источнику питания.