RU2762977C1

RU2762977C1 - Приемник импульсных лазерных сигналов

Info

Publication number: RU2762977C1
Application number: RU2021108977A
Authority: RU
Inventors: Валерий Григорьевич Вильнер; Михаил Михайлович Землянов; Евгений Викторович Кузнецов; Александр Ефремович Сафутин; Надежда Валентиновна Седова
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority date: 2021-04-02
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2021-12-24

Abstract

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре приема лазерного излучения. Предложен приемник импульсных лазерных сигналов, содержащий герметичный корпус с защитным окном, за которым размещены фоточувствительный элемент и схема обработки сигнала, включающая усилитель и формирователь выходного сигнала, выход которого является выходом устройства, введен второй фоточувствительный элемент с вторым усилителем, на выходах каждого усилителя введены последовательно соединенные дифференцирующее звено и нуль-компаратор. Выходы нуль-компараторов подключены к входам коммутатора, управляемого с выхода порогового устройства, включенного на выходе первого дифференцирующего звена, выход коммутатора подключен к входу формирователя выходного сигнала, при этом чувствительные площадки фоточувствительных элементов расположены на минимально возможном расстоянии b*=h(2tgα+tg2β) одна от другой, где h - расстояние от внутренней поверхности защитного окна до чувствительных площадок фоточувствительных элементов, α - максимальный угол падения принимаемого излучения на чувствительную площадку первого фоточувствительного элемента, β≥0 - угол наклона защитного окна. При этом постоянная времени дифференцирующего звена τ меньше длительности фронта t_фр принимаемого импульса, а уровень срабатывания U_поp порогового устройства удовлетворяет условию U_поp=(0,8-0,99)U'_max, где U'_max - амплитуда выходной реакции первого дифференцирующего звена на входной сигнал максимальной амплитуды, не превышающей уровень ограничения усилителя. При этом коэффициент усиления k₁ первого усилителя установлен из условия срабатывания формирователя выходного сигнала от принимаемого сигнала минимальной амплитуды, а коэффициент усиления k₂ второго усилителя соответствует условию

где S₁ и S₂ - чувствительность первого и второго фоточувствительных элементов; η_a - коэффициент апертурных потерь второго фоточувствительного элемента по отношению к первому; η_ρ - произведение коэффициентов отражения чувствительной площадки первого фоточувствительного элемента и защитного окна; D - линейный динамический диапазон первого усилителя, а

где К₁ - коэффициент передачи первого канала, а К₂ - коэффициент передачи второго канала. Технический результат изобретения - обеспечение высокой точности временной фиксации принимаемого сигнала в предельно широком динамическом диапазоне при минимальном времени измерения и без увеличения габаритов аппаратуры. 3 ил.

Description

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

Известны приемники импульсного оптического излучения [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 t₃ относительно момента излучения лазерного зондирующего импульса. По этой задержке судят о дальности R до отражающего объекта по формуле R=с t₃ /2, где с - скорость света. Подобным образом построены приемники импульсного излучения [2-3], содержащие фоточувствительный элемент и схему обработки сигнала. Указанные устройства имеют узкий динамический диапазон, ограничивающий точность временной фиксации принимаемых сигналов и, тем самым, препятствующий применению таких приемников в измерителях дальности и другой аппаратуре с повышенными требованиями к точности. Известно фотоприемное устройство [4], в котором указанный недостаток устранен за счет введения перед чувствительной площадкой фотоприемника управляемого электрооптического ослабителя, однако такое решение приводит к существенному усложнению устройства и ухудшению отношения сигнал/шум.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является приемник импульсных лазерных сигналов, содержащий фоточувствительный элемент и схему обработки сигнала, включающую усилитель и формирователь выходного сигнала, выход которого является выходом устройства [5]. Для расширения динамического диапазона сигналов в приемнике [5] введена управляемая полупрозрачная шторка, положение которой зависит от уровня принимаемого сигнала. Недостаток такого технического решения - необходимость повторного измерения и потери времени и ресурса устройства на выведение шторки и второе измерение.

Задачей изобретения является обеспечение высокой точности временной фиксации принимаемого сигнала в предельно широком динамическом диапазоне при минимальном времени измерения и без увеличения габаритов аппаратуры.

Эта задача решается за счет того, что в известном приемнике импульсных лазерных сигналов, содержащем герметичный корпус с защитным окном, за которым размещены фоточувствительный элемент и схема обработки сигнала, включающая усилитель и формирователь выходного сигнала, выход которого является выходом устройства, введен второй фоточувствительный элемент с вторым усилителем, на выходах каждого усилителя введены последовательно соединенные дифференцирующее звено и нуль-компаратор, выходы нуль-компараторов подключен к входам коммутатора, управляемого с выхода порогового устройства, включенного на выходе первого дифференцирующего звена, выход коммутатора подключен ко входу формирователя выходного сигнала, при этом чувствительные площадки фоточувствительных элементов расположены на минимально возможном расстоянии b*=h(2tgα+tg2β) одна от другой, где h - расстояние от внутренней поверхности защитного окна до чувствительных площадок фоточувствительных элементов, α - максимальный угол падения принимаемого излучения на чувствительную площадку первого фоточувствительного элемента, β≥0 - угол наклона защитного окна; при этом постоянная времени дифференцирующего звена τ меньше длительности фронта t_фр принимаемого импульса, а уровень срабатывания U_пop порогового устройства удовлетворяет условию U_поp=(0,8-0,99)U'_max, где U'_max -амплитуда выходной реакции первого дифференцирующего звена на входной сигнал максимальной амплитуды, не превышающей уровень ограничения усилителя, при этом коэффициент усиления k₁ первого усилителя установлен из условия срабатывания формирователя выходного сигнала от принимаемого сигнала минимальной амплитуды, а коэффициент усиления кг второго усилителя соответствует условию

где S₁ и S₂ - чувствительность первого и второго фоточувствительных элементов; η_а - коэффициент апертурных потерь второго фоточувствительного элемента по отношению к первому; η_β - произведение коэффициентов отражения чувствительной площадки первого фоточувствительного элемента и защитного окна; D - линейный динамический диапазон первого усилителя.

На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема приемника импульсных лазерных сигналов. На фиг. 2 показаны варианты взаимного расположения фоточувствительных элементов относительно оптического окна при его прямом (фиг. 2а) и наклонном (фиг. 2б) положении. Фиг. 3 иллюстрирует форму сигналов U(t) на выходе первого и второго усилителей (фиг. 3а) и U'(t) на выходе дифференцирующих звеньев (фиг. 3б).

Приемник импульсных лазерных сигналов (фиг. 1) состоит из первого фоточувствительного элемента 1 с первым усилителем 2, второго фоточувствительного элемента 3 с вторым усилителем 4, первого и второго дифференцирующих звеньев 5 и 6, первого и второго нуль-компараторов 7 и 8, коммутатора 9, ко входам которого подключены выходы нуль-компараторов 7 и 8. Выход коммутатора связан со входом формирователя выходного сигнала 10. На выходе первого дифференцирующего звена 5 включено пороговое устройство 11, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора 9.

Фоточувствительные элементы 1 и 2 конструктивно размещены в герметичном корпусе (на чертеже не показан) на плате 12 за оптическим окном 13 (фиг. 2а, б) на расстоянии b между собой и на расстоянии h от оптического окна.

Принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1 в пучке с апертурным углом 2α. На фоточувствительный элемент 3 падают под углом α крайние лучи этого пучка, последовательно отраженное от фоточувствительной площадки элемента 1 и от оптического окна (фиг. 2а). На фиг. 2б) показаны габаритные соотношения при наклоне окна на угол β.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии коммутатор 9 открыт для сигналов с выхода нуль-компаратора 7. Если эти сигналы находятся в пределах линейного диапазона, то формирователь выходного сигнала фиксирует их положение в один и тот же момент времени t₀ независимо от амплитуды (фиг. 3б). Из-за инерционности дифференцирующего звена момент t₀ незначительно запаздывает относительно момента t_макс максимума сигнала U'₁(t). Отклик дифференцирующего звена на сигналы максимальной амплитуды в линейном диапазоне превышает уровень U_пор срабатывания порогового устройства 8, вызывая тем самым, подачу на управляющий вход коммутатора 5 переключающего сигнала в интервале времени от t_огp<to до t_пор<t₀, где t_огр - момент срабатывания порогового устройства от реакции дифференцирующего звена 5 на ограниченный сигнал U'_1oгp; t_пop - момент срабатывания порогового устройства от реакции дифференцирующего звена 5 на сигнал U'_1max в линейном диапазоне, превышающий уровень U_пор (фиг. 3б). При этом коммутатор 9 закрывается для сигнала с фоточувствительного элемента 1 и открывается для сигнала с фоточувствительного элемента 3. Вследствие того, что реакция дифференцирующего звена U'_1max (фиг. 3б) опережает по времени импульс U_1oгp, на выход коммутатора проходит импульс U'₂(t) от фоточувствительного элемента 3, имеющий значительно меньшую амплитуду, лежащую в линейном диапазоне, благодаря чему временное положение входного сигнала формирователя 10 будет фиксироваться по-прежнему в момент времени to в практически неограниченном амплитудном диапазоне входных сигналов.

Коэффициент передачи К₁ первого канала, включающего фоточувствительный элемент 1 с чувствительностью S₁ и усилитель 2 с коэффициентом усиления k₁.

Коэффициент передачи К₂ второго канала, включающего фоточувствительный элемент 3 с чувствительностью S₂ и усилитель 4 с коэффициентом усиления k₂

где η_а~α^'2/(2α)² - коэффициент апертурных потерь, вызванный тем, что только часть входного пучка излучения ответвляется в сторону фоточувствительного элемента 3;

2α - апертурный угол объектива (фиг. 2а);

2α'~2arctg(d₂/2h) - угол, стягиваемый диаметром d₂ чувствительной площадки фоточувствительного элемента 3;

η_ρ=ρ_фчэ⋅ρ_оо;

ρ_фчэ - коэффициент отражения фоточувствительной площадки элемента 1;

ρ_оо - коэффициент отражения оптического окна.

Отношение

должно быть не более линейного динамического диапазона D первого канала - в противном случае возможен разрыв диапазона, когда первый канал уже отключен коммутатором, а усиления второго канала еще недостаточно для уверенного приема. Линейный динамический диапазон принимаемых сгналов снизу ограничен шумами (порядка 0,1-1 мВ), а сверху - уровнем насыщения (1-10 В).

То есть D=10³-10⁵, и должно выполняться условие

Пример 1

S₁=4 отн. ед.; S₂=0,4 отн. ед.; 2α=30°; h=2 мм; α'~5°; ρ_фчэ=0,1; ρ_оо=0,05; D=10⁴.

Откуда

Изменить расстояние между фоточувствительными элементами можно за счет наклона оптического окна 10 (фиг. 2б). При наклоне оптического окна на угол β расстояние между фоточувствительными элементами может быть увеличено или уменьшено на величину Δb~h⋅tg2β.

Из построений на фиг. 2а) и 2б) следует:

Откуда

Из (4) и (5) следует основное расчетное соотношение b*=b+Δb=h(2tgα+tg2β).

Пример 2

h=10 мм; β=10°; α=15°.

b=5,36 мм; Δb=1,7 мм; b*=7,06 мм.

Описанное техническое решение обеспечивает практически неограниченное расширение линейного динамического диапазона во всем рабочем динамическом диапазоне первого и второго фоточувствительных элементов. При этом обеспечивается предельно достижимая точность временной фиксации сигнала при однократных замерах, то есть без ухудшения быстродействия. Аппаратура имеет минимальные габариты и размещается в том же корпусе, что и прототип.

В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец приемника. Проведенные исследования подтвердили выполнение заданных технических требований - как в одиночном, так и в частотном режиме работы.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает высокую точность временной фиксации принимаемого сигнала при минимальном времени измерения и без увеличения габаритов аппаратуры. 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. Radiation receiver with active optical protection system. US patent No 6,548,807.

5. В.Г. Вильнер и др. Приемник импульсных лазерных сигналов. Патент РФ №2655006 по заявке на изобретение №2017123347 от 03 июля 2017 г. - прототип.

Claims

Приемник импульсных лазерных сигналов, содержащий герметичный корпус с защитным окном, за которым размещены фоточувствительный элемент и схема обработки сигнала, включающая усилитель и формирователь выходного сигнала, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что введен второй фоточувствительный элемент с вторым усилителем, на выходах каждого усилителя введены последовательно соединенные дифференцирующее звено и нуль-компаратор, выходы нуль-компараторов подключены к входам коммутатора, управляемого с выхода порогового устройства, включенного на выходе первого дифференцирующего звена, выход коммутатора подключен к входу формирователя выходного сигнала, при этом чувствительные площадки фоточувствительных элементов расположены на минимально возможном расстоянии b*=h(2tgα+tg2β) одна от другой, где h - расстояние от внутренней поверхности защитного окна до чувствительных площадок фоточувствительных элементов, α - максимальный угол падения принимаемого излучения на чувствительную площадку первого фоточувствительного элемента, β≥0 - угол наклона защитного окна; при этом постоянная времени дифференцирующего звена τ меньше длительности фронта t_фр принимаемого импульса, а уровень срабатывания U_пор порогового устройства удовлетворяет условию U_пор=(0,8-0,99)U'_max, где U'_max - амплитуда выходной реакции дифференцирующего звена на входной сигнал максимальной амплитуды, не превышающей уровень ограничения усилителя, при этом коэффициент усиления k₁ первого усилителя установлен из условия срабатывания формирователя выходного сигнала от принимаемого сигнала минимальной амплитуды, а коэффициент усиления k₂ второго усилителя соответствует условию
где S₁ и S₂ - чувствительность первого и второго фоточувствительных элементов; η_а - коэффициент апертурных потерь второго фоточувствительного элемента по отношению к первому; η_ρ - произведение коэффициентов отражения чувствительной площадки первого фоточувствительного элемента и защитного окна; D - линейный динамический диапазон первого усилителя, a
где K₁ - коэффициент передачи первого канала, включающего фоточувствительный элемент с чувствительностью S₁ и усилитель с коэффициентом усиления k₁, K₁=S₁⋅k₁, а K₂ - коэффициент передачи второго канала, включающего фоточувствительный элемент с чувствительностью S₂ и усилитель с коэффициентом усиления k₂, K₂=S₂⋅k₂η_aη_p.