RU2791186C1 - Лазерный импульсный дальномер - Google Patents

Лазерный импульсный дальномер Download PDF

Info

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
Application number
RU2022116043A
Other languages
English (en)
Inventor
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"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Application granted granted Critical
Publication of RU2791186C1 publication Critical patent/RU2791186C1/ru

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
Figure 00000001
, 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]
Figure 00000002
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:
Figure 00000003
где I0 2 - квадрат неумножаемого шумового тока;
Figure 00000004
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:
Figure 00000005
где Jm 2=2eI1Δf.
Figure 00000006
Условие нуля производной:
Figure 00000007
или
Figure 00000008
откуда
Figure 00000009
Figure 00000010
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.
RU2022116043A 2022-06-15 Лазерный импульсный дальномер RU2791186C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2791186C1 true RU2791186C1 (ru) 2023-03-03

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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