SE450423B - Laseravstandsmetare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 450 425 låta en returpuls från målet vid minimalt avstånd att över- föras till räknekretsen. För att eliminera bakåtspridning av atmosfäriskt slag kan förstärkarkedjan också innefatta ett av tiden programmerat förstärkarsteg (TPG), som är i funktion en viss tidsperiod omedelbart följande på den mi- nimala avståndsperioden för att bibehålla mottagningskäns- ligheten under den normala nivån, varigenom förhindras att atmosfärisk bakâtspridning påverkar räknekretsen under det att den tillåter från målet returnerade pulser att över- föras till räknekretsen. Emedan grinden och nämnda steg van- ligen är placerade efter ett förförstärkarsteg (med låg ingångsimpedans) är fotodioden och förförstärkarsteget fort- farande utsatta för bakåtspridd strålning och var och en måste vara överladdad för en tillräckligt lång tidsperiod för att vara överladdad eller i mättat tillstånd efter det att grinden har öppnats och därigenom allvarligt pâ- verkat mottagarens funktion, särskilt i förhållande till signaler reflekterade från mål på korta avstånd.

Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma en laseravståndsmätare, dvs. dess mottagare så att dess styrkrets för detektorn blir förbättrad.

Mottagaren för laseravståndssökaren innefattar en lavinfotodiod och fotodiodförspänningen åstadkommes medelst en krets styrd av lasersändaren för att upprätta väsentli- gen en förspänning vid noll när lasersändaren är tänd och öka förspänningen under ett visst tidsintervall därefter för att upprätta en slutlig förspänning. Det kännetecknan- de är att denna är lika med en fixerad procent under genom- slagsspänningen för fotodioden, varvid kretsen innefattar medel för att bestämma genomslagsspänningen vid operations- temperaturen som omedelbart föregår tändningen av laser- sändaren.

Man har funnit att med f.n. tillgängliga lavinfoto- dioder som har en mängdeffektivitet som ökar med tempera- turen (t.ex. silikonbaserade) av tillverkarna rekommendera- de arbetsspänningar och genomslagsspänningar (vilka är unika för varje fotodiod) alltid har det förhållandet att arbetsspänningen är en fixerad procent under genomslags- 10 15 20 25 30 35 450 423 spänningen i en omgivningstemperatur av 22°C. När fotodio- den är en fotodiod av typen RCA C30895 är denna procentdel 10 %. Man har också funnit att genom att bibehålla detta förhållande för alla operationstemperaturer vid nu nämnd fotodiod så bibehålles brussignalen alstrad av fotodioden genom acceptabla gränser även vid förhöjda temperaturer medan mängdeffektiviteten för fotodioden ökar med tempera- turen i väsentligen samma utsträckning som interna förstärk- ningen minskar, så att fotodioden arbetar med väsentligen konstant frekvenskänslighet (proportionell mot mängdeffek- ten gånger interna förstärkningen). Uppfinningen är emeller- tid ej begränsad till denna applikation vid fotodioder som har en mängdeffektivitet som ökar med temperaturen emedan den ger förbättrade resultat i jämförelse med kända arrange- mang när den användes i fotodioder som har en mängdeffekt som minskar med temperaturen. I En utföringsform av föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas i exemplifierande syfte med hänvisning till bifogade ritningsfigurer. Figur 1 visar karakteris- tikan för en typisk lavinfotodiod med förstärkt förspänd spänning. Figur 2 visar ett blockdiagram i schematisk form över en laseravståndsmätare i enlighet med föreliggande upp- finning. Figur 3 visar en strömkrets av en förspänd krets till en lavinfotodiod (APD) utgörande en del av avstånds- mätaren enligt figuren 2. Figur 4 visar ett vågformsdia- gram hänförande sig till figur 3.

Såsom framgår av figuren 1 har karakteristikan för en typisk lavinfotodiod en långsamt ökande förstärkning med ökande förspänd spänning upp till omkring 350 volt, varvid inom förspänt spänningsområde av 350-390 eller så förstärk- ningen knappt ökar från ca 80 till 150 och för förspända spänningar något över 390 förstärkningen snabbt trappas upp till över 400. Genomslagsspänningen för fotodioden be- stämmes av varje tillverkare såsom den vid vilken ström av omkring 5 pA strömmar och såsom exempel kan nämnas att för en RCA c3os95 denna ligger 1 området 395-460 voit vid 2z°c och förändras med en grad av +2.2 V/OOC. Manöverspänningen (för en RCA C30895) gives av tillverkaren som den vid vil- ken förstärkningen är 120 vid 22°c. 10 15 20 25 30 35 450 425 Avståndsmätaren visad i blockdiagrammet enligt fi- guren 2 använder en lavinfotodetektor av denna typ i blocket 10, vars förspänning bestämmes av styrkretsen 11 och uteffekten från detektorn matas till förstärknings- och räkningsstegen 12 som driver en avståndsbildskärm 13.

Styrkretsen 11 styres, såsom kommer att förklaras, medelst utgångar 14 och 15 hos en tidgivare 16, som startas me- delst en strömställare 17 genom påverkan från en operatör.

När tidgivaren 16 är i gång avger denna en laddnings- fri signal på utgången 14 med en varaktighet vanligen om 50 millisekunder och signalen överföres till en HV ladd- ningskrets 18. Därefter alstrar tidgivaren 16 på utgången 14A en styrpuls om 250 Ps för att trigga laserflamelektron- röret som därefter avger en puls om 100 ps som genererar lasermediumet från lasern 19. Efter styrpulsen om 250 ps åstadkommer tidgivaren 16 en frisignal på utgången 15 om 100 ps varaktighet, som försenas med 100 nanosekunder medelst fördröjaren 20, vars utgång manövrerar en Q ström- ställare inom lasern 19 och resulterar i-en laserutgångs- puls 21 efter manöverfördröjningen för Q strömställaren, som vanligen är i storleksordningen 300 nanosekunder. Efter reflektion från målet 22 kommer laserpulsen 21 med åtmin- stone den reflekterade delen av denna, 23, att mottagas av detektorn 10.

Styrkretsen 11 är anordnad så att vid mottagning av frisignalen om 50 ms på utgången 14 den härleder en tempo- rär tillförselspänning väsentligt överskridande genomslags- spänningen för detektorn 10, t.ex. 600 volt, och gör denna tillförselspänning tillgänglig för detektorn 10 och för ett organ 24 för att bestämma genomslagsspänningen för de- tektorn 10, vilken utgöres av förspänningen upprättad över detektorn 10 medelst organet 24. Vid ett senare mottagande av fripulsen om l00 ps på utgången 15 kommer att få kretsen 11 att förorsaka att förspänningen tillförd detektorn 10 medelst organet 24 minskas till noll efter omkring 200 nano- sekunder, dvs. omedelbart innan lasern 19 tändes och där- \0 efter ökning med kontrollerad hastighet till enbart 90 Q av förspänningen dessförinnan upprättad medelst organet 24. 10 15 20 25 30 35 450 423 Denna kontrollerade hastighet resulterar i en mjuk ökning i mottagarkänsligheten mellan 2 millisekunder och X milli- sekunder efter det att lasern tänts. Således har fotodio- den inte så väsentlig förstärkning under intervallet om 2 us att bakâtspridning av optisk elementstrålning kan för- väntas från laserns 19 uteffekt och minskad förstärkning under tidsintervallet 2 ps till X ps så att bakâtspridning av atmosfärisk strålning kan förväntas. Efter ett visst tidsintervall från mottagningen av signalen på utgången 15 förorsakar kretsen 11 att förspänningen på fotodioden 10 ökas från funktionsspänningsnivån till genomslagsspännings- nivån och eventuellt minskas denna nivå till noll när mat- ningsspänningen minskas till noll före mottagandet av en efterföljande laddningsfrisignal om 50 ps.

Emedan det förefinnes en nollförspänning på detek- torn vid ögonblicket när lasern tändes, så minskas i stor utsträckning möjligheten att detektorn skadas på grund av bakåtspridning och det är ingen fara för att förstärkarna mättas vid början av avståndssökningsperioden_ Vidare kom- mer vid slutet av X ps-perioden förspänningen på detektorn att vara nära den av tillverkaren rekommenderade funktions- spänningen för maximal känslighet.

Speciell krets för att utföra förut beskrivna opera- tion visas schematiskt i fig. 3 med tillhörande vågformer visade i fig. 4. Som visas i fig. 3 laddas kondensatorn C1 till omkring 600 volt via dioden D1 från ledningen 30, som utgör utgången för en spänning, vars ingång är ansluten till laddningskretsens 18 utgång (se fig. 2), när en laddnings- puls om 50 ms alstrats av tidgivaren 16. Kondensatorn C1 fungerar som en spänningskälla för att förspänna fotodio- den 10 och förspänningen betraktad vid punkten A i fig. 3 ökar från noll till genomslagsspänningsnivân med en tids- konstant T1 = R2.C6. Detta sker genom närvaro av dioden D3 förbiledande kondensatorn C5, kondensatorn C4 förbiledande resistorn R3 och resistorn R4, som är mycket mindre än resistorn R2. Resistorn R3 är anordnad för att begränsa fotodiodströmmen till mindre än 100 pA vid genomslagsspän- ningsnivån och behöver för en RCA C30895 fotodiod vara 22 M ohm. Detta begränsar emellertid tillväxthastigheten för 10 15 20 25 30 35 450 4-25 förspänningen vid punkten A och av denna anledning är kon- densatorn C4 anordnad att ha ett värde som är ungefärligen tio gånger större än kondensatorn C6. Följaktligen är kon- densatorn C6 begränsad att ladda upp till omkring 90 % av matningsspänningen på kondensatorn C1, dvs. till omkring 540 volt, vilket är högre än genomslagsspänningen för foto- dioden 10, men när fotodioden når genomslagsspänningsnivån blir spänningen på kondensatorn C6 begränsad och hålles vid genomslagsspänningsnivån.

Under denna funktion kommer den integrerade kretsen IC1, som är av D-typen monostabil, att ha nollutgång och hålla transistorn TR1 i dess icke ledande tillstånd. IC1 är (fig. 2) och alstrar en grindningspuls om 100 ps som återföres på tran- triggad medelst en frisignal på utgången 15 sistorn TR1. Resistorn R1 är för strömbegränsning och kon- densatorn C3 är en hastighetsökande kondensator. När tran- sistorn TR1 slås på bringas punkterna A och B snabbt till nollspänning men förhindras att bli negativa av dioden D2 emedan kondensatorn CS söker ladda upp till den spännings- nivå som lagrats medelst kondensatorn C6 med tidskonstanten T = C x R . 2 5 4 seende på laddningsströmmen och då C C6 ligger emellertid i serie med C5 med av- 6 : C5 = 10 : 1 kommer spänningen slutligt lagrad över C5 att begränsas till 90 2 \ av genomslagsspänningen som är den valda operationsspän- ningen för fotodioden. Vid slutet av grindningspulsen alstrad av IC1 blir transistorn TR1 ej ledande så att kon- densatorns C1 tillförda spänning återigen påföres punkten A vilket resulterar i en ökad nivå av förspänningen som grad- vis minskas till noll när laddningen lagrad i kondensatorn C1 försvinner genom fotodioden.

Fotodiodens 10 videoutgång tages från anoden via kon- densatorn C7 (10 pF), vilken i kombination med polomkastade dioder D4 och D5 förhindrar stora utjämningspulser av endera polariteten att matas till förstärkaren och räknaren 12 (fig. 2). Dioden D1 förhindrar kondensatorn C1 att urladda bakåt genom utgången 14.

Man skall nu inse att i kretsen enligt fig. 3 konden- satorn C6 fungerar för att mäta genomslagsspänningsnivån för 10 15 450 423 fotodioden vid vilken som helst temperatur som anordningen arbetar vid och IC1 och TR1 arbetar tillsammans för att reglera förspänningen så att det föreligger nollförspänning när lasern tändes, varigenom skyddas mot bakåtspridning av optiska element varefter den fungerar på ett sätt liknande principerna för tidprogrammerad förstärkning, så att foto~ dioden göres verksam med minskad känslighet när bakåtsprid- ning från atmosfären kan förväntas och varefter förspän- ningen hålles vid funktionsspänningsnivå för en tidsperiod tillräcklig för att övervaka returpulserna från långt av- lägsna mål innan den åter blir overksam. Nettoresultatet är att fotodioden fungerar med en karakteristika som nästan är linjär i vad avser förstärkning/tid och når maximal för- stärkning (120) efter en tidsperiod av 3,5 T2 med mottagar- systemförstärkningen minskad med mer än 40 dB vid början av mätningsperioden.

Claims (4)

450 423 PATENTKRAV

1. Laseravståndsmätare där mottagaren innefattar en lavinfotodiod vars förspänning åstadkommes medelst en krets styrd i tid från lasersändaren för att upprätta väsentligen nollförspänning när sändaren tändes och öka förspänningen under ett visst tidsintervall därefter för att upprätta en slutlig förspänning, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda slutliga förspänning är väsentligen lika med en fixerad procent under genomslagsspänningen (VB) för fotodioden (10) föreliggande omedelbart före tändningen av lasersändaren (19), varvid nämnda krets (11, 24) innefattar medel (C6) för att bestämma genomslagsspänningen (VB) vid arbetstemperaturen som förefinnes omedelbart före tändningen av lasersändaren (19).

2. Laseravståndsmätare enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a d av kretsen (11, 24) innefattar en första spänningskälla (C1) som har en nivå väsentligen högre än genomslagsspänningen (VB) och som kan påläggas fotodioden (10) omedelbart före tändningen av lasersändaren (19) för att upprätta den genomslagsspänning (VB) som sedan skall föreligga.

3. Laseravståndsmätare enligt krav 2, k ä n n e - t e c k n a d av att bestämningsmedlet (C6) är anordnat att fungera såsom en andra spänningskälla för fotodioden (10) under den tidkontrollerade variationen av förspän- ningen.

4. Laseravståndsmätare enligt krav 2, k ä n n e - t e c k n a d av att nämnda bestämmande medel (C6) består av en första kondensator (C6) parallellt förenad med foto- dioden (10) när nämnda första spänningskälla (C1) är på~ lagd för att bestämma genomslagsspänningen (VB) och att nämnda krets (11, 24) innefattar ett strömställarorgan (TR1) som styres i tid av lasersändaren (19) och som när det är påverkat förorsakar den första kondensatorn (C6) att fungera såsom en andra spänningskälla, varvid en andra kondensator (C5) är förenad parallellt med nämnda fotodiod (10) medelst strömställarorganet (TR1), varigenom relativa kapacitansvärdena för kondensatorerna (CS, C6) bestämmer nämnda procent. _ m,