RU198797U1

RU198797U1 - Lidar photodetector module

Info

Publication number: RU198797U1
Application number: RU2020110079U
Authority: RU
Inventors: Юрий Степанович Балин; Михаил Михайлович Новоселов; Григорий Павлович Коханенко; Иоганес Эрнстович Пеннер; Светлана Викторовна Самойлова; Марина Георгиевна Клемашева; Сергей Владимирович Насонов; Александр Иванович Надеев; Егор Сергеевич Шевцов
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2020-07-28

Abstract

Полезная модель, лидарный 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.Техническим результатом полезной модели является уменьшение электромагнитных и электрических помех, которые в широком частотном диапазоне генерируются импульсным высоковольтным источником. Высоковольтные помехи присутствуют всюду, оказывая воздействие на работу электромагнитных компонентов фотоприемного модуля, тем самым понижая отношение сигнал/шум и уменьшая эффективность работы лидара.Поставленная задача в предлагаемой полезной модели достигается благодаря тому, что на время регистрации сигнала на требуемой дальности зондирования источник высоковольтного излучения отключается. Источник высоковольтного питания снабжен блоком временного отключения, а параллельно высоковольтному источнику питания ко входу лавинного фотодиода подключен буферный конденсатор, емкость которого определяется величинами обратного тока лавинного фотодиода и времени, необходимого для регистрации лидарного сигнала с трассы зондирования атмосферы.A useful model, a lidar photodetector module for recording signals in the near-IR region of the wavelength spectrum, belongs to the field of technologies for remote laser monitoring of optical-physical parameters of the atmosphere, including the parameters of aerosol and cloud fields of the atmosphere, monitoring of the distribution of smoke plumes of forest fires and emissions industrial enterprises, etc. The technical result of the utility model is the reduction of electromagnetic and electrical interference, which are generated in a wide frequency range by a pulsed high-voltage source. High-voltage interference is present everywhere, affecting the operation of the electromagnetic components of the photodetector module, thereby lowering the signal-to-noise ratio and decreasing the efficiency of the lidar. The task in the proposed utility model is achieved due to the fact that for the time of signal registration at the required sensing range, the source of high-voltage radiation is turned off ... The high-voltage power supply is equipped with a temporary shutdown unit, and parallel to the high-voltage power supply, a buffer capacitor is connected to the input of the avalanche photodiode, the capacitance of which is determined by the values of the avalanche photodiode reverse current and the time required to register the lidar signal from the atmospheric sounding path.

Description

Полезная модель, лидарный 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.A useful model, a lidar photodetector module for recording signals in the near-IR region of the wavelength spectrum, belongs to the field of technologies for remote laser monitoring of optical-physical parameters of the atmosphere, including the parameters of aerosol and cloud fields of the atmosphere, monitoring the distribution of smoke plumes of forest fires and emissions industrial enterprises, etc.

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.] Known photomodule for recording lidar signals in the near-IR spectral region at a wavelength of 1.06 μm, containing a photomultiplier with a high-frequency power supply as a photodetector, an analog-to-digital converter that converts a light signal into a digital code sent for further processing in a computer [Monograph "Siberian lidar station: equipment and results ”(edited by GG Matvienko) // Tomsk. Publishing house of IAO SB RAS. 2016.414 p. Ch.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.The main disadvantage of this photomodule, when used in the registration system, is the low efficiency and short range of the lidar sensing, due to the fact that the quantum efficiency of the photomultiplier in the near-IR wavelength range decreases to a few percent compared to the visible range of the spectrum.

Прототипом заявляемой полезной модели является лидарный фотоприемный модуль, включающий, расположенные в общем корпусе лавинный фотодиод с импульсным высоковольтным источником питания и усилителем, подключенным к аналого-цифровому преобразователю, блок управления, общий низковольтный блок питания, USB-коннектор для связи с внешним компьютером [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]. The prototype of the claimed utility model is a lidar photodetector module, including an avalanche photodiode located in a common housing with a pulsed high-voltage power supply and an amplifier connected to an analog-to-digital converter, a control unit, a common low-voltage power supply, a USB connector for communication with an external computer [Locksmith A.S., Tchaikovsky A.P., Ivanov A.P., Denisov S.V., Korol M.M., Osipenko F.P., Balin Yu.S., Kokhanenko G.P., Penner I. E. Photoreceiving modules for lidar stations in the CIS-LiNet network. // Optics of the atmosphere and ocean. 2013. T. 26. No. 12. P. 1073–1081].

Недостатком прототипа является наличие электромагнитных и электрических помех, которые в широком частотном диапазоне генерируются импульсным высоковольтным источником. Высоковольтные помехи присутствуют всюду, оказывая воздействие на работу электромагнитных компонентов фотоприемного модуля, тем самым понижая отношение сигнал/шум и уменьшая эффективность работы лидара.The disadvantage of the prototype is the presence of electromagnetic and electrical interference, which in a wide frequency range are generated by a pulsed high-voltage source. High-voltage interference is present everywhere, affecting the operation of the electromagnetic components of the photodetector module, thereby lowering the signal-to-noise ratio and reducing the efficiency of the lidar.

Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, благодаря тому, что на время регистрации сигнала на требуемой дальности зондирования источник высоковольтного излучения отключается. Это достигается тем, что источник высоковольтного питания снабжен блоком временного отключения, а параллельно высоковольтному источнику питания ко входу лавинного фотодиода подключен буферный конденсатор, емкость которого определяется величинами обратного тока лавинного фотодиода и времени, необходимого для регистрации лидарного сигнала с трассы зондирования атмосферы.The proposed utility model eliminates this drawback, due to the fact that for the time of signal registration at the required sensing range, the source of high-voltage radiation is turned off. This is achieved by the fact that the high-voltage power supply is equipped with a temporary shutdown unit, and parallel to the high-voltage power supply, a buffer capacitor is connected to the input of the avalanche photodiode, the capacitance of which is determined by the values of the avalanche photodiode reverse current and the time required to register the lidar signal from the atmospheric sounding path.

На фиг.1 изображена блок-схема фотоприемного модуля. Фотоприемный модуль состоит из лавинного фотодиода 1, электрический вход которого подключен к импульсному высоковольтному источнику питания 2 и параллельно к буферному конденсатору 4. Высоковольтный источник питания 2 снабжен блоком отключения 3, управление которым осуществляется блоком управления 8. Выход лавинного фотодиода соединен через усилитель 5 со входом аналого-цифрового преобразователя лидарных сигналов 6, выход которого через USB-коннектор 7 подключен к внешнему компьютеру. Блок управления 8 подключен к блоку отключения 3, усилителю 5 и аналого-цифровому преобразователю 6. Низковольтный источник питания 9 электрически связан со всеми электронными компонентами фотоприемного модуля.Figure 1 shows a block diagram of the photodetector module. The photodetector module consists of an avalanche photodiode 1, the electrical input of which is connected to a pulsed high-voltage power supply 2 and in parallel to a buffer capacitor 4. The high-voltage power supply 2 is equipped with a shutdown unit 3, which is controlled by a control unit 8. The output of the avalanche photodiode is connected through an amplifier 5 to the input an analog-to-digital converter of lidar signals 6, the output of which is connected to an external computer via a USB connector 7. The control unit 8 is connected to the shutdown unit 3, amplifier 5 and analog-to-digital converter 6. Low-voltage power supply 9 is electrically connected to all electronic components of the photodetector module.

Фотоприемный модуль работает следующим образом.The photo-receiving module works as follows.

В начальный момент времени, когда осуществляется посылка лазерного излучения в атмосферу на вход блока управления 8 подается синхроимпульс. Блок управления 8 задает величину интервала времени (протяженности трассы) зондирования и вырабатывает старт-импульс для начала работы блока отключения 3, усилителя 5 и аналого-цифрового преобразователя 6. Лидарный сигнал поступает на оптический вход лавинного фотодиода 1, на электрический вход которого постоянно подано напряжение непосредственно от источника высоковольтного питания 2, а также от параллельно подключенного буферного конденсатора 4. Усилитель 5 и аналого-цифровой преобразователь 6 постоянно подключены к источнику низковольтного напряжения 9. At the initial moment of time, when the laser radiation is sent into the atmosphere, a sync pulse is supplied to the input of the control unit 8. The control unit 8 sets the value of the time interval (path length) of sounding and generates a start-pulse to start the operation of the shutdown unit 3, amplifier 5 and analog-to-digital converter 6. The lidar signal is fed to the optical input of the avalanche photodiode 1, the electrical input of which is constantly energized directly from the high-voltage power supply 2, as well as from the parallel-connected buffer capacitor 4. The amplifier 5 and the analog-to-digital converter 6 are permanently connected to the low-voltage source 9.

Получив синхроимпульс блок 8 полностью отключает источник высоковольтного напряжения 2, тем самым исключая появление электромагнитных помех от источника, а напряжение на электрическом входе лавинного фотодиода 1 поступает от буферного конденсатора 4.Having received a sync pulse, unit 8 completely disconnects the high-voltage voltage source 2, thereby eliminating the appearance of electromagnetic interference from the source, and the voltage at the electrical input of the avalanche photodiode 1 comes from the buffer capacitor 4.

Лидарный световой сигнал преобразовывается лавинным фотодиодом 1 в электрический сигнал, который затем усиливается блоком 5 и оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 6. Оцифрованный сигнал через USB-коннектор 7 поступает для записи и обработки во внешний компьютер.The lidar light signal is converted by an avalanche photodiode 1 into an electrical signal, which is then amplified by unit 5 and digitized by an analog-to-digital converter 6. The digitized signal is fed through the USB connector 7 for recording and processing to an external computer.

После окончания временного интервала зондирования, блок управления 8 выдает команду блоку 3 на включение источника высоковольтного питания 2, который заряжает конденсатор 4. After the end of the probing time interval, the control unit 8 issues a command to the unit 3 to turn on the high-voltage power supply 2, which charges the capacitor 4.

В дальнейшем этот цикл зондирования повторяется.In the future, this sounding cycle is repeated.

В реализуемой полезной модели в качестве лавинного фотодиода используется диод марки C30956EH-TC. Величина обратного тока этого фотодиода не превышает 0.2мА. In the utility model being implemented, a C30956EH-TC diode is used as an avalanche photodiode. The reverse current of this photodiode does not exceed 0.2mA.

Если максимальная дальность зондирования составляет порядки 150 км, а емкость буферного конденсатора 10 мкФ, то за время зондирования (1мсек) при отключенном блоке высоковольтного питания изменения напряжения на буферной емкости будут меньше 0,01% от номинала, что не влияет на работу фотоприемного модуля.If the maximum sensing range is about 150 km, and the buffer capacitor capacitance is 10 μF, then during the sensing (1 ms) with the high-voltage power supply disconnected, the voltage changes across the buffer capacitance will be less than 0.01% of the nominal, which does not affect the operation of the photodetector module.

Claims

A lidar photodetector module, including an avalanche photodiode located in a common housing with a pulsed high-voltage power supply and an amplifier connected to an analog-to-digital converter, a control unit, a low-voltage power supply, a USB connector for communication with an external computer, characterized in that the high-voltage power supply is equipped with a shutdown unit with a shutdown interval equal to the lidar signal recording time interval, and parallel to the power supply, a buffer capacitor is connected to the avalanche photodiode input, the capacitance of which is determined by the values of the avalanche photodiode reverse current and the lidar signal recording time interval, which determines the required length of the atmospheric sounding path.