RU2686386C1

RU2686386C1 - Оптический приемник

Info

Publication number: RU2686386C1
Application number: RU2018134215A
Authority: RU
Inventors: Наталья Болеславовна Антонова; Валерий Григорьевич Вильнер; Михаил Михайлович Землянов; Евгений Викторович Кузнецов; Алексей Владимирович Мамин; Екатерина Васильевна Романова; Александр Ефремович Сафутин
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2019-04-25

Abstract

Изобретение относится к области приема оптического излучения и касается оптического приемника. Приемник включает в себя фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом. Оптический затвор выполнен в виде шторки с двумя рабочими положениями. В состав устройства введен привод шторки, состоящий из источника тока и биморфного элемента в виде дугообразной двухслойной плоской пружины. Один из слоев биморфного элемента выполнен токопроводящим, противоположные концы которого через ключ соединены с выходом источника тока. Второй слой имеет более низкую токопроводность по сравнению с первым слоем. Один из концов биморфного элемента закреплен на корпусе оптического приемника, а на другом незакрепленном конце установлена шторка, при изменении кривизны биморфного элемента перемещающаяся вдоль хорды образуемой им дуги так, чтобы в одном рабочем положении шторка экранировала фоточувствительный элемент, а во втором рабочем положении находилась вне его поля зрения. Технический результат заключается в обеспечении работоспособности устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности при малом уровне сигналов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и других светолокационных устройств.

Известны оптические приемники [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=сτ/2, где с - скорость света. Подобным образом построены оптические приемники [2-3], содержащие фоточувствительный элемент и схему обработки сигнала. Указанные устройства имеют ограниченный динамический диапазон, препятствующий применению таких приемников в измерителях дальности и другой аппаратуре с повышенными требованиями к точности. Существует ряд технических решений, имеющих целью расширение динамического диапазона и повышение точности временной фиксации принятых сигналов [4-5]. Однако эти решения не обеспечивают работоспособность ФПУ, если энергия входного излучения превышает уровень лучевой прочности фоточувствительного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является оптический приемник, содержащий фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала, светоделитель, фотодатчик, устройство задержки и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом [6]. В данном приемнике оптический затвор не открывается, если сигнал с фотодатчика превышает пороговое значение, соответствующее уровню входного излучения, превышающего порог лучевой прочности фоточувствительного элемента. В противном случае затвор открывается, и входное излучение поступает на фоточувствительный элемент. Время задержки сигнала в линии задержки должно превышать время реакции затвора на управляющий импульс от фотодатчика. Таким образом, обеспечивается функционирование устройства не только в рабочем динамическом диапазоне отраженных сигналов, но и за его пределами - в условиях активного или пассивного противодействия.

Недостаток приемника [6] - потери излучения в светоделителе, устройстве задержки и оптическом затворе, а также ограничения по быстродействию затвора, вынуждающие увеличивать задержку сигнала в устройстве задержки. Это, в свою очередь, приводит к потерям в приемном тракте, искажению формы принимаемого сигнала, увеличению габаритов устройства, особенно за счет светоделителя, устройства задержки и оптического затвора.

Задачей изобретения является обеспечение работоспособности устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности фотоприемного устройства для слабых входных сигналов.

Эта задача решается за счет того, что в известном оптическом приемнике, содержащем фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом, оптический затвор выполнен в виде шторки с двумя рабочими положениями, а в состав устройства введен привод шторки, состоящий из источника тока и биморфного элемента в виде дугообразной двухслойной плоской пружины, один из слоев биморфного элемента выполнен токопроводящим, противоположные концы которого через ключ соединены с выходом источника тока, а второй слой имеет более низкую токопроводность по сравнению с первым слоем, причем, один из концов биморфного элемента закреплен на корпусе оптического приемника, а на другом незакрепленном конце установлена шторка, при изменении кривизны биморфного элемента перемещающаяся вдоль хорды образуемой им дуги так, чтобы в одном рабочем положении шторка экранировала фоточувствительный элемент, а во втором рабочем положении находилась вне его поля зрения.

Биморфный элемент может быть выполнен в виде тяги, кривизна которой увеличивается при подключении к источнику электропитания.

Биморфный элемент может быть выполнен в виде толкателя, кривизна которого уменьшается при подключении к источнику электропитания.

Второй слой биморфного элемента может иметь более высокую теплоемкость и более низкий коэффициент температурного расширения по сравнению с первым слоем.

Биморфный элемент может быть выполнен в виде металлостеклянной или металлокерамической ленты.

Шторка может быть выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию

где Е_фпу - энергетическая чувствительность оптического приемника; Е_ц - энергия сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности до цели; E_max - максимальная энергия сигнала, отраженного ретрорефлектором; Е_пду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент оптического приемника.

Рабочий диаметр шторки

где d_фчэ - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; α - угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации поперечного положения шторки при отсутствии управляющего сигнала на входе привода.

Рабочий ход шторки в направлении хорды дуги, образуемой биморфным элементом, при подключении источника тока ΔС≥d_шт с учетом толщины ее оправы.

На фиг. 1 представлена функциональная схема фотоприемного устройства. Фиг. 2 иллюстрирует варианты взаимного положения шторки и биморфного элемента.

Оптический приемник (фиг. 1) состоит из фоточувствительного элемента 1 (например, фотодиода) и схемы обработки сигнала 2, включающей предусилитель 3, усилитель 4 и формирователь выходного сигнала 5, выход которого является выходом устройства. Перед фоточувствительным элементом расположена полупрозрачная шторка 6 с приводом 7, управляемым с выхода логического модуля 8, один из входов которого связан с выходом фотоприемного устройства, а второй является его управляющим входом. Оптический приемник размещен в герметичном корпусе 9 с оптическим окном 10, через которое принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1. Привод шторки (фиг. 2) состоит из биморфного элемента 11 и источника тока 12, через ключ 13 подключенного к токопроводящему слою биморфного элемента.

Ход шторки между ее двумя фиксированными положениями (фиг. 2) определяется из условия полностью закрытого и полностью открытого фоточувствительного элемента в двух рабочих положениях шторки.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии полупрозрачная шторка 6 с коэффициентом пропускания τ находится перед рабочей площадкой фоточувствительного элемента 1, ослабляя поступающие на нее сигналы в 1/τ раз. Если в поле зрения фоточувствительного элемента 1 находится источник излучения, создающий на фоточувствительном элементе засветку, превышающую порог чувствительности, то ключ 13 остается в разомкнутом состоянии, шторка остается в исходном положении, и оптический приемник работает в защищенном режиме.

При отсутствии сигнала на выходе устройства и на входе логического модуля 8 последний подает сигнал на замыкание ключа 13, и источник тока 12 подключается к токопроводящему слою биморфного элемента 11. Под действием протекающего тока этот слой нагревается и его исходная длина L увеличивается на величину ΔL=αLΔT, где α - коэффициент температурного расширения, ΔТ - приращение температуры. В результате биморфный элемент изгибается (фиг. 2а) или распрямляется (фиг. 2б). Под действием силы, создаваемой биморфным элементом, шторка перемещается на расстояние ΔС в направлении хорды, соединяющей концы биморфного элемента (фиг. 2). В зависимости от ориентации токопроводящего слоя биморфный элемент или притягивает шторку к себе (фиг. 2а) или отталкивает ее от себя (фиг. 2б). На фиг. 2 токопроводящий слой изображен черным, а второй слой биморфного элемента - белым.

При нагревании токопроводящего слоя протекающим через него током кривизна k биморфного элемента, то есть величина, обратная радиусу изгиба стержня, изменяется согласно зависимости [3]

где:

ε=(α₁-α₂)ΔT;

E₁ и Е₂ - модуль упругости материалов 1 и 2;

h₁ и h₂ - толщина материалов 1 и 2;

α₁ и α₂ - коэффициент теплового расширения материалов 1 и 2;

ΔТ - разность температур до и после нагревания гибкого стержня.

При быстром нагревании токопроводящего слоя импульсным током второй слой за время импульса не успевает прогреться, и кривизна биморфного элемента еще более увеличивается по сравнению с величиной, получаемой из выражения (1).

Если биморфный элемент имеет некоторую начальную кривизну k₀, его продольное смещение ΔС увеличивается, как следует из (1).

Пример 1.

Если шторка выполнена полупрозрачной, в ее исходном положении оптический приемник может принимать сигналы, превышающие уровень номинальной чувствительности ФПУ в 1/τ раз и более без ущерба для фоточувствительного элемента.

Из обозначений на фиг. 1 видно, что для перекрытия шторкой рабочей площадки фоточувствительного элемента должно выполняться условие

где d_шт - рабочий диаметр полупрозрачного участка шторки; d_фчэ - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; α - угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации исходного положения шторки В величину Δ входят как погрешности юстировки, так и температурный уход в диапазоне окружающих температур.

Рабочее смещение шторки ΔС должно быть не менее ΔС=d_шт с учетом толщины ее оправы.

Пример 2.

Масса шторки m~0,1 г; С учетом оправы и биморфного элемента m~0,2 г = 2⋅10^-4 кг.

Сила воздействия биморфного элемента на шторку F=0.45 Н.

Ускорение а=F/m=0.45/2⋅10^-4~2000 м/с².

Смещение S=0,3 мм = 3⋅10^-4 м.

Время выведения шторки

Токопроводящий слой (нихром) длиной 20 мм сечением 0,1×0,4 мм. коэффициент температурного расширения α=18⋅10^-6 1/град; плотность ρ_T=7,94 г/см³; теплоемкость β=0,57 Дж/кгК.

Объем токопроводящего слоя V_T=8⋅10^-4 см³. Его масса m=ρ_TV_T=6,4⋅10^-6 кг.

Энергия для нагрева токопроводящего слоя на 200° E_T=βmΔТ=0,57⋅6,4⋅10^-6⋅200=0,00073 Дж=0,73 мДж.

Характеристики источника питания.

Потребляемая токопроводящим слоем мощность

P_T=E_T/t, где t - длительность импульса.

Для рассматриваемого примера

P_T=E_T/t=0,73 мДж/0,5 мс ~ 1,5 Вт.

Сопротивление токопроводящего слоя

R_T=ρ_RL_T/S_T ~ 10^-6⋅2⋅10^-2/(0,1⋅0,4)⋅10^-6=0,5 Ом,

где ρ_R ~ 1 мкОм⋅м - удельное сопротивление нихрома, L_T=0,02 м - длина токопроводящего слоя; S_T - поперечное сечение нити.

Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R_T

P_T=I_T ²⋅R_T, откуда потребляемый ток

I_T=(P_T/R_T)^0,5=(1,5/0,5)^0,5=1,73 А.

Напряжение источника

U_T=P_T/I_T=1,5/1,73 ~ 0,87 В.

Коэффициент ослабления шторки τ определяется ожидаемым уровнем лазерной засветки от внешнего источника, представляющего опасность для фоточувствительного элемента в заданных условиях эксплуатации приемника импульсных оптических сигналов в составе аппаратуры, для которой предназначен данный приемник. При этом шторка может иметь вид прозрачной плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием, нанесенным, например, путем металлизации. Толщина этого покрытия определяет величину τ при сохранении габаритно-присоединительных параметров.

Описанное техническое решение обеспечивает безопасное применение оптического приемника в составе любой аппаратуры и в любых условиях эксплуатации. При этом габариты и масса шторки с приводом, а также объем логического модуля позволяют встраивать эти узлы в существующие миниатюрные приемники без изменения их типоразмеров. Размещение элементов защиты приемника в составе его герметизированного корпуса обеспечивает их надежность, долговечность и максимальный ресурс работы.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает работоспособность устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности приемника импульсных оптических сигналов при малом уровне сигналов.

Источники информации

1. В.А. Волохатюк и др. "Вопросы оптической локации". - М.: Советское радио, М., 1971. - с. 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. 593.

3. В.А. Афанасьев и др. Порог чувствительности приемника импульсного оптического излучения с большим входным импедансом. Электронная техника. Серия 11. «Лазерная техника и оптоэлектроника». 1988, в. 3. - с. 78-83.

4. В.Г. Вильнер и др. Приемник импульсных оптических сигналов. Патент РФ №2 506 547.

5. П.М. Боровков и др. Особенности схемотехники импульсных пороговых ФПУ с малым временем восстановления чувствительности после воздействия импульса перегрузки. «Прикладная физика», №1, 2015 г. - с. 61-65.

6. Radiation receiver with active optical protection system. US patent No 6,548,807 - прототип.

7. Clyne T.W. «Residual stresses in surface coatings and their effects on interfacial debonding.» Key Engineering Materials (Switzerland). Vol. 116-117, pp. 307-330. 1996.

Claims

1. Оптический приемник, содержащий фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом, отличающийся тем, что оптический затвор выполнен в виде шторки с двумя рабочими положениями, а в состав устройства введен привод шторки, состоящий из источника тока и биморфного элемента в виде дугообразной двухслойной плоской пружины, один из слоев биморфного элемента выполнен токопроводящим, противоположные концы которого через ключ соединены с выходом источника тока, а второй слой имеет более низкую токопроводность по сравнению с первым слоем, причем, один из концов биморфного элемента закреплен на корпусе оптического приемника, а на другом незакрепленном конце установлена шторка, при изменении кривизны биморфного элемента перемещающаяся вдоль хорды образуемой им дуги так, чтобы в одном рабочем положении шторка экранировала фоточувствительный элемент, а во втором рабочем положении находилась вне его поля зрения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что биморфный элемент выполнен в виде тяги, кривизна которой увеличивается при подключении к источнику тока.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что биморфный элемент выполнен в виде толкателя, кривизна которого уменьшается при подключении к источнику тока.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй слой биморфного элемента имеет более высокую теплоемкость и более низкий коэффициент температурного расширения по сравнению с первым слоем.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что биморфный элемент выполнен в виде металлостеклянной или металлокерамической ленты.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шторка выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочий диаметр шторки

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочий ход шторки в направлении хорды дуги, образуемой биморфным элементом, при подключении источника тока ΔС≥d_шт c учетом толщины ее оправы.