RU2791186C1 - Лазерный импульсный дальномер - Google Patents
Лазерный импульсный дальномер Download PDFInfo
- Publication number
- RU2791186C1 RU2791186C1 RU2022116043A RU2022116043A RU2791186C1 RU 2791186 C1 RU2791186 C1 RU 2791186C1 RU 2022116043 A RU2022116043 A RU 2022116043A RU 2022116043 A RU2022116043 A RU 2022116043A RU 2791186 C1 RU2791186 C1 RU 2791186C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- threshold
- circuit
- output
- amplifier
- laser
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный импульсный дальномер содержит импульсный лазер со схемой накачки лазера, лавинный фотодиод с источником смещения, последовательно связанный через усилитель принятых сигналов с пороговой схемой и измерителем задержки сигнала, между выходом усилителя и входом пороговой схемы введен ключ, а на выходе усилителя введены вторая и третья пороговые схемы, выходы пороговой схемы и третьей пороговой схемы соединены параллельно, а выход второй пороговой схемы подключен к запрещающему входу ключа, причем порог срабатывания пороговой схемы установлен пропорционально уровню флуктуационного шума на выходе усилителя в режиме оптимального лавинного усиления, а пороги срабатывания второй и третьей пороговых схем установлены соответственно минимальной и максимальной амплитудам микроплазменных импульсов на выходе усилителя в том же режиме. Технический результат - блокировка микроплазменных помех. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к лазерной технике, а именно, к аппаратуре лазерной дальнометрии.
Известен лазерный импульсный дальномер, содержащий лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения и измеритель временного интервала между зондирующим и отраженным целью импульсами, определяемого путем подсчета хронирующих импульсов, заполняющих измеряемый временной интервал [1].
В [2] рассмотрены особенности построения импульсных локаторов, содержащих лазерный передатчик и последовательно включенные фотодетектор, усилитель, пороговую схему и измеритель задержки.
Наибольшей дальностью действия, минимальными габаритами и возможностью работать в режиме накопления обладает лазерный импульсный дальномер [3] (прототип изобретения) с лавинным фотодиодом в качестве приемника отраженного сигнала, Этот дальномер содержит импульсный полупроводниковый лазер с оптической системой и схемой накачки лазера, лавинный фотодиод с оптической системой и управляемым источником питания, последовательно соединенный с усилителем фотодетектированных сигналов, на выходе которого включена пороговая схема (аналого-цифровой преобразователь) и измеритель задержки сигнала с индикатором дальности. Существует оптимальный режим лавинного умножения фотодиода, в котором отношение сигнал/шум максимально [4], благодаря чему обеспечивается максимальная дальность действия дальномера.
Недостатком этого технического решения является возможность возникновения в оптимальном лавинном режиме неконтролируемых микроплазменных пробоев (микроплазм) полупроводникового перехода фотодиода [5, 6]. При этом на выходе приемного тракта появляются импульсы, вызывающие ложные отсчеты дальности. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения напряжения смещения фотодиода. Увеличение амплитуды импульсных помех сопровождается увеличением их длительности и уменьшением скважности [5].
Задача изобретения - обеспечить работу в оптимальном лавинном режиме при наличии микроплазм без ухудшения обнаружительных характеристик лазерного дальномера.
Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном импульсном дальномере, содержащем импульсный лазер со схемой накачки лазера, лавинный фотодиод с источником смещения, последовательно связанный через усилитель принятых сигналов с пороговой схемой и измерителем задержки сигнала, между выходом усилителя и входом пороговой схемы введен ключ, а на выходе усилителя введены вторая и третья пороговые схемы, выходы пороговой схемы и третьей пороговой схемы соединены параллельно, а выход второй пороговой схемы подключен к запрещающему входу ключа, причем порог срабатывания пороговой схемы установлен пропорционально уровню флуктуационного шума на выходе усилителя в режиме оптимального лавинного усиления, а пороги срабатывания второй и третьей пороговых схем установлены соответственно минимальной и максимальной амплитуде микроплазменных импульсов на выходе усилителя в том же режиме.
Пороговые схемы могут быть снабжены схемами автоматической регулировки порога.
На фиг. 1 представлена блок-схема лазерного дальномера. На фиг. 2 - эпюры сигналов и помех, а также порогов Iпор1-Iпор3 в случае коротких (фиг. 2а) и длинных (фиг. 2б) микроплазм.
Дальномер содержит импульсный лазер 1, последовательно включенные лавинный фотодиод 2 со схемой смещения 3, усилитель 4, ключ 5, первую пороговую схему 6 и измеритель задержки сигнала 7. На выходе усилителя включены вторая 8 и третья 9 пороговые схемы. Выход схемы 9 соединен с выходом первой пороговой схемы 6, а выход второй пороговой схемы 8 подключен к запрещающему входу ключа 5. Управление работой дальномера осуществляется блоком управления и синхронизации 10. Источник смещения может быть снабжен схемой временной автоматической регулировки лавины (ВАРЛ) 11.
Дальномер работает следующим образом.
По команде с блока управления лазер 1 излучает в направлении цели короткий световой импульс. Одновременно запускается тактовый генератор и счетчик тактовых импульсов в составе измерителя задержки 7. Отраженный целью сигнал принимается лавинным фотодиодом 2, усиливается усилителем 4 и поступает на входы пороговых схем 6, 8, 9, причем на пороговую схему 6 сигнал поступает через открытый ключ 5. Если сигнал превышает порог срабатывания Iпор2 схемы 8, то ключ запирается, и на пороговую схему 6 сигнал не поступает. Если сигнал превышает порог Iпор3 третьей пороговой схемы 9, то с выхода схемы 9 он поступает непосредственно на вход измерителя задержки 7.
Благодаря такому построению дальномера блокируются все импульсы с амплитудой Iпор2<I<Iпор3 (фиг. 2) в их числе все импульсы микроплазм и часть сигнальных импульсов с амплитудой из диапазона ΔI23 (такой сигнал обозначен пунктиром на фиг. 2). Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения на фотодиоде [5]. Вероятность потери сигнальных импульсов, попавших в интервал ΔI23 тем меньше, чем меньше ширина этого интервала. Для обеспечения минимальной ширины межпорогового интервала ΔI23 предварительно устанавливают оптимальный режим лавинного умножения, затем в этом режиме определяют минимальную Iм мин и максимальную Iм макс амплитуду микроплазм, после чего устанавливают пороги Iпор2 и Iпор3 с минимальным отклонением от соответственно Iм мин и Iм макс, так, чтобы на выходе ключа не было микроплазм. При таком порядке подготовки к измерениям вероятность попадания сигналов в интервал ΔI23 близка к нулю, поскольку отношение , где DI - амплитудный диапазон принимаемых сигналов. При повторных измерениях вероятность пропуска еще более уменьшается вследствие флуктуаций сигнала из-за случайных отклонений энергии и распределения зондирующего пучка в плоскости цели; изменений эффективной отражающей способности цели; флуктуаций прозрачности атмосферы; отклонения оси наведения зондирующего пучка. В результате воздействия этих факторов амплитуда отраженного сигнала «размывается», и вероятность его попадания в узкий интервал ΔI23 становится пренебрежимо малой.
Схема смещения 3 обеспечивает установку режима смещения близко к оптимальному режиму без учета микроплазм, при котором соблюдается зависимость [4]
где М - коэффициент лавинного умножения;
Мопт - значение М, при котором отношение сигнал/шум [7] максимально;
I0 2 - квадрат неумножаемого шумового тока на выходе фотодиода;
JM 2=2eI1Δf;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [7];
е - заряд электрона;
I1 - первичный умножаемый ток фотодиода в безлавинном режиме.
Δf - полоса пропускания приемного тракта.
Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом [4]. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока:
где I0 2 - квадрат неумножаемого шумового тока;
е - заряд электрона;
I1 - первичный обратный ток фотодиода;
Δf - полоса пропускания приемного тракта до входа порогового устройства;
М - коэффициент лавинного умножения;
Мα - шум-фактор лавинного умножения [7];
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.
Квадрат W отношения шум/сигнал:
где Jm 2=2eI1Δf.
Условие нуля производной:
или
Как видно из графиков фиг 2. предлагаемое техническое решение эффективно подавляет «телеграфные» помехи, вызванные микроплазменными пробоями с малой длительностью микроплазм (фиг. 2а) и длинными микроплазмами (фиг. 2б). Поскольку микроплазмы аддитивно смешиваются с шумовым процессом, сигнальные импульсы накладываются на импульсы помех и, как видно из фиг. 2, не маскируются помехами, а выделяются на их фоне, причем сами помехи полностью подавляются.
Предлагаемая структура обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум при сохранении заданной вероятности ложных тревог - благодаря блокированию микроплазменных помех. При этом вероятность пропуска сигнала практически не увеличивается, поскольку сигнальные импульсы изолируются только при несовпадении с микроплазмой и при попадании амплитуды сигналов в узкий интервал между вторым и третьим порогами, пренебрежимо малый по сравнению с амплитудным диапазоном принимаемых сигналов.
Благодаря указанному построению дальномера обеспечивается решение поставленной задачи - работу в оптимальном лавинном режиме при наличии микроплазм без ухудшения обнаружительных характеристик лазерного дальномера.
Источники информации
1 В.А. Смирнов «Введение в оптическую радиоэлектронику». Изд. «Советское радио», Москва, 1973 г., с. 189.
2 В.А. Волохатюк и др. «Вопросы оптической локации». Под ред. Р.Р. Красовского. Изд. «Советское радио», М., 1971 г. - с. 176.
3 Патент РФ №2551700. Лазерный импульсный дальномер. - Прототип.
4 Патент РФ №2 750 443. Способ приема сигналов.
5 A.M. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007.
6 А.В. Верховцева. Статистическая теория нестационарных лавинно-пробойных процессов в кремниевых планарных фото диодных структурах. Диссертация на соискание ученой степени физико-математических наук, Москва, 2011 г.
7 Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9 - с. 59.
Claims (2)
1. Лазерный импульсный дальномер, содержащий импульсный лазер со схемой накачки лазера, лавинный фотодиод с источником смещения, последовательно связанный через усилитель принятых сигналов с пороговой схемой и измерителем задержки сигнала, отличающийся тем, что между выходом усилителя и входом пороговой схемы введен ключ, а на выходе усилителя введены вторая и третья пороговые схемы, выходы пороговой схемы и третьей пороговой схемы соединены параллельно, а выход второй пороговой схемы подключен к запрещающему входу ключа, причем порог срабатывания пороговой схемы установлен пропорционально уровню флуктуационного шума на выходе усилителя в режиме оптимального лавинного усиления, а пороги срабатывания второй и третьей пороговых схем установлены соответственно минимальной и максимальной амплитудам микроплазменных импульсов на выходе усилителя в том же режиме.
2. Лазерный импульсный дальномер по п. 1, отличающийся тем, что пороговые схемы снабжены схемами автоматической регулировки порога.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2791186C1 true RU2791186C1 (ru) | 2023-03-03 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7663090B2 (en) * | 2006-07-19 | 2010-02-16 | Raytheon Company | Automatic photodiode biasing circuit |
RU105472U1 (ru) * | 2011-03-02 | 2011-06-10 | Владимир Андреевич Дручевский | Оптико-электронное локационное устройство |
US8004660B2 (en) * | 2009-03-31 | 2011-08-23 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method and system for determination of detection probability of a target object based on vibration |
RU2551700C1 (ru) * | 2014-02-10 | 2015-05-27 | Открытое Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" | Лазерный импульсный дальномер |
RU2694463C1 (ru) * | 2018-09-28 | 2019-07-15 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Импульсное фотоприемное устройство |
RU2756381C1 (ru) * | 2021-04-02 | 2021-09-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Лазерный дальномер |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7663090B2 (en) * | 2006-07-19 | 2010-02-16 | Raytheon Company | Automatic photodiode biasing circuit |
US8004660B2 (en) * | 2009-03-31 | 2011-08-23 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method and system for determination of detection probability of a target object based on vibration |
RU105472U1 (ru) * | 2011-03-02 | 2011-06-10 | Владимир Андреевич Дручевский | Оптико-электронное локационное устройство |
RU2551700C1 (ru) * | 2014-02-10 | 2015-05-27 | Открытое Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" | Лазерный импульсный дальномер |
RU2694463C1 (ru) * | 2018-09-28 | 2019-07-15 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Импульсное фотоприемное устройство |
RU2756381C1 (ru) * | 2021-04-02 | 2021-09-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Лазерный дальномер |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4464048A (en) | Laser rangefinders | |
US20040085526A1 (en) | Method of and apparatus for electro-optical distance measurement | |
US6781677B1 (en) | Laser range finding apparatus | |
Koskinen et al. | Comparison of continuous-wave and pulsed time-of-flight laser range-finding techniques | |
US20200088853A1 (en) | Distance measuring device and distance measuring method | |
US12031843B2 (en) | Method for determining a distance using a laser range finder | |
US5523835A (en) | Distance measuring equipment | |
RU2791186C1 (ru) | Лазерный импульсный дальномер | |
CN104777471B (zh) | 一种脉冲激光近程动态增益控制电路 | |
US7154591B2 (en) | Laser range finding apparatus | |
RU210345U1 (ru) | Лазерный измеритель дальности с импульсно-кодовой модуляцией | |
Araki | Optical distance meter using a short pulse width laser diode and a fast avalanche photodiode | |
US20210088661A1 (en) | Photodetector and optical ranging apparatus using the same | |
RU2792086C1 (ru) | Способ импульсного локационного измерения дальности | |
EP3789793A1 (en) | An optical proximity sensor and corresponding method of operation | |
RU2788940C1 (ru) | Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов | |
RU2791151C1 (ru) | Способ некогерентного накопления импульсных светолокационных сигналов | |
RU2778047C1 (ru) | Способ приема оптических сигналов | |
Oh et al. | An improvement on accuracy of laser radar using a Geiger-mode avalanche photodiode by time-of-flight analysis with Poisson statistics | |
Gasmi | A simple and reliable counting and display circuit for laser rangefinder | |
JPH08105971A (ja) | マルチパルスによる測距方法とその装置 | |
RU2791438C1 (ru) | Способ выделения оптических импульсов | |
RU2778048C1 (ru) | Способ приема импульсных оптических сигналов | |
Hallman et al. | Note: Detection jitter of pulsed time-of-flight lidar with dual pulse triggering | |
JPH03189584A (ja) | 距離測定装置 |