SU1649305A1 - Способ приема оптических сигналов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к оптико- физическим измерени м и может быть использовано дл  приема и обработки оптических сигналов при исследовани х сред оптическими методами, в оптической локации, при Контроле уровн  аэрозольных загр знений и т.д. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений, расширение амплитудного диапазона, а также повышение фоновой устойчивости. Способ приема оптических сигналов включает преобразование оптических сигналов в электрические и усиление с временной регулировкой, причем усиление осуществл ют многокаскадно , независимо и без пересечени  во времени стробируют сигналы с выходов различных каскадов и взвешенно их суммируют. С целью упрощени  аппаратурной реализации многокаскадное усиление, независимое и без пересечени  во времени стробирование и взвешенное суммирование осуществл ют путем фотоэлектронного умножени , цифроаналогового преобразовани  н гуммировани ,, 2 з„п. ф-лы, 2 нл0

Description

Изобретение относитс  к оптико- физическим измерени м и может быть использовано дл  приема и обработки оптических сигналов при исследовани х сред оптическими методами, в оптической локации, при контроле уровн  аэрозольных загр знений и т.д.

Цель изобретени  - повышение точности измерений, расширение амплитудного диапазона, повышение фоновой устойчивости.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства дл  реализации способа; на фиг„2 - пример упрощени  аппаратурной реализации способа.

Устройство содержит приемоусили- тельный блок 1, блоки 2-4 стробировани  и весовой обработки, блок 5 управлени , суммирующий усилитель 6, оконечное устройство 7 о

Приемоусилительный блок J включает в себ  фотоприемннк 8, св занный с усилительным каскадом 9, который , в свою очередь, св зан с усилительным каскадом 10. Сигналы с выхода блока 10 и выходов промежуточных каскадов 9 и 8 параллельно по- даютс  на входы блоков 2-4 строб иро- вани  и весовой обработки соответственно .

Выходы с блоков 2-4 св заны с входами суммирующего усилител  6, выход которого соединен с одним информационным входом оконечного уст%

С0 00 О СП

3

ройства 7, другие входы которого св заны с выходами блока 5 управлени .

Устройство работает следующим образом.

Оптический сигнал поступает на вход приемоусилительного блока 1, электрические сигналы с выходов разных каскадов которого подаютс  на входы блоков 2-4 стробировани  и весовой обработки, выходные сигналы которых суммируютс  в суммирующем усилителе 6.

Выходные сигналы, блоков 2-4 по- даютс  в усилитель 6 в непересекающиес  интервалы времени и могут независимо регулироватьс  по амплитуд Как стробирование, так и регулирова

Слабые сигналы таким образом не

в шумах, а сильные - не пре утонут

терп т нелинейных искажений при насыщении ,,

Таким образом, при многокаскадном усилении принимаемых сигналов удаетс  по сравнению с прототипом повысить точность измерений и расширить амплитудный диапазон входных сигналов , измер емых с заданной точностью.

Поскольку обсуждаютс  такие ситуации , когда заранее известен (хот  бы приблизительно) доминирующий временной закон изменени  принимаемых сигналов (например, затуха ие прин того сигнала пропорционально квадрату времени (дальности)), то формирование временной регулировки усилени  с

ние усилени  в блоках 2-4 осуществл - 2Q повышенной точностью (поскольку в

етс  по управл ющим сигналам, поступающим из блока 5 управлени . На оконечное устройство 7 с суммирующего усилител  6 поступает, таким образом , взвешенна  сумма сигналов с выходов разных каскадов приемоусилительного блока 1 в непересекающиес  интервалы времени.

Поскольку стробы с блока 5 управлени , отпирающие блоки 2-4, не пересекаютс  во времени, то на выходе суммирующего усилител  6 формируетс  сигнал, амплитуда которого в каждый момент времени соответствует заранее выбранному усилению (с учетом усилени  как в регулируемых, так и в нерегулируемых каскадах).

Так как коэффициенты усилени  в любые моменты времени установлены заранее и известы, то с учетом сигналов из блока 5 управлени  при последующей обработке легко восстановить амплитудно-временные соотношени  измер емого сигнала (учитыва  также известное заранее соотношение между усилением последовательно включенных каскадов).

При реализации способа удаетс  повысить точность измерени  как слабых , так и сильных сигналов, обрабатыва  первые из них в канапе с максимальным усилением (использу  наиболее удаленные от фотодетек Гора каскады

25

30

произвольном интервале времени можно задать произвольное усиление из боле широкого, чем в прототипе, амплитуд ного диапазона или в том же диапазоне с более высокой точностью) позвол ет достичь повышение- точности измерени  о

Конкретизировать способ можно, н пример, следующим образом

В указанном способе реализацию многокаскадного усилени , независим го и без пересечени  во времени стр бировани  и взвешенного суммировани можно осуществить путем фотоэлектро ного умножени , цифроаналогового пр образовани  сигналов с выходов разны каскадов и их последующего суммировани ,,

Устройство, реализующее более простой способ приема оптических си налов, показано на фиг.2 и содержит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 11 выходные сигналы которого снимаютс  с промежуточных диодов и анода; 45 цифроаналоговые преобразователи (ЦАП 12-14, блок 15 управлени , суммирующий усилитель 16, оконечное устройс во 17, блок 18-20 coBifafleHHH, весовы сопротивлени  21-23, аналоговые ключ 24-29, инверторы 30-32, резистор 33 обратной св зи, операционный усилите 34, задатчик 35 кодов усилени , шиф ритор 36, задатчик 37 номера канала многорежимные; буферные регистры 3835

40

50

блока I и - при необходимости - боль- 55 40,. счетчик 41 импульсов, демультишое значение кода усилени , подаваемое из блока 5 управлени , а вторые - с минимальным усилением соответственно .

плексор 42, Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 43 и 44, аналоговый делитель Л5,. регистратор 46 инвертор 47.

5

0

произвольном интервале времени можно задать произвольное усиление из более широкого, чем в прототипе, амплитудного диапазона или в том же диапазоне с более высокой точностью) позвол ет достичь повышение- точности измерени  о

Конкретизировать способ можно, например , следующим образом

В указанном способе реализацию многокаскадного усилени , независимого и без пересечени  во времени стробировани  и взвешенного суммировани  можно осуществить путем фотоэлектронного умножени , цифроаналогового преобразовани  сигналов с выходов разных каскадов и их последующего суммировани ,,

Устройство, реализующее более простой способ приема оптических сигналов , показано на фиг.2 и содержит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 11, выходные сигналы которого снимаютс  с промежуточных диодов и анода; 5 цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 12-14, блок 15 управлени , суммирующий усилитель 16, оконечное устройство 17, блок 18-20 coBifafleHHH, весовые сопротивлени  21-23, аналоговые ключи 24-29, инверторы 30-32, резистор 33 обратной св зи, операционный усилитель 34, задатчик 35 кодов усилени , шиф ритор 36, задатчик 37 номера канала, многорежимные; буферные регистры 385

0

0

40,. счетчик 41 импульсов, демультиплексор 42, Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 43 и 44, аналоговый делитель Л5,. регистратор 46 инвертор 47.

516493t)5

Каждый из ЦАП 12-14 включ ет в себ  весовые сопротивлени  21-23, на- -,i- .« « Бо

пример R/ 2

R

оо

где

R - выбираетс  заранее, одни выводы которых соединены между собой, а другие - соединены с ключами 24- 25, 26-27, 28-29, соответственно. Выходы ключей 25, 27 и 29 соединены между собой и инвертирующим входом операционного усилител  34, а также с одним выводом резистора 33 Roc обратной св зи, другой вывод которого соединен с выходом операционного усилител ,  вл ющимс  выходом ЦАП 12 Выходы ключей 24, 26, 28 соединены с Землей. Управл ющие входы ключей 24, 26, 28 при помощи блока 18 совпадени  св заны непосредственно с выходами блока 15 управлени , а ключей 25, 27, 29 - через инверторы 30-32.

Выходы ЦАП 12-14 св заны с входами суммирующего усилител  16, выход которого соединен с одним входом оконечного устройства 17 другие входы которого св заны с выходами блока управлени „

Блок 15 управлени  включает в себ  задатчик 35 кода, выходы которого соединены с соответствующими входами шифратора 36, выходы которого с помощью шины соединены с информационными входами многорежимных буферных регистров (МБР) 38-40 Выходы задат чика 37 номера канала соединены с входами расширени  записи МБР 38-40. Выход внешнего генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом счетчика 41, выходы которого при по- .мощи шины св заны с входами демуль- типлексора 42„ Выходы блока 42 соединены с входами разрешени  считывани  МБР 38-40 соответственно, а также с входами-управлени  ЦАП 41, вход подключени  опорного напр жени  которого соединен с выходом ЦАП 43, входы управлени  которого св заны с выходами МБР 38-40, объединенных в одну шину

Один вход делительного устройства 45 соединен с выходом суммирующего усилител  16, другой - с выходом ЦАП 44, а выход делител  45 соединен с сигнальным входом регистратора 46, вход синхронизации которого соединен с выходом счетчика 41 о Сброс счетчика 41 осуществл етс  внешним сигналом , приход щим перед счетными импульсами .

Сигналы на выходах блока I5 управ- лени  формируютс  таким образом. Заранее, до приема полезных оптических сигналов с помощью задатчика 35 кодов, построенном на галетном переключателе , набираетс  число, соответ-

Q ствующее выбранному усилению

ЦАП 12, и подаетс  на шифратор 36. С его выхода код усилени  по шине поступает на информационные входы МБР 38-40. Задатчик 37 номера кана5 ла при нажатии соответствующей этому каналу кнопки формирует импульс разрешени  записи только на линии, св зывающей его с входом разрешени  записи МБР 38 о

0 Дл  осуществлени  приема и обработки оптического сигнала внешний синхронизатор вырабатывает импульсы, запускающие счетчик 41. Выходной код счетчика 41 управл ет работой демуль5 типлексора 42, который формирует импульс считывани  в каждый момент времени только на одном своем выходе, -в данном случае - св занном с входом разрешени  считывани  МБР 38. После

0 этого с выхода МБР 38 по общей информационной шине через блок 18 совпадени  на ЦАП 2 при наличии импульса разрешени  с блока 42 поступает цифровой код, соответствующий заданному

с усилению (весу) этого блока и заданному временному интервалу.

Выходы МБР 38-40 объединены в общую шину, по которой подаетс  управт л ющий код на оконечное устройство

0 17. Одним из многих возможностей его реализации может быть узел восстановлени  амплитудно-временных соотношений входного оптического сигнала (блоки 43-45) и регистратор. Тогда

5 код от МБР 38 по общей шине подаетс  на ЦАП 43, сигнал с выхода которого подан на вход подачи опорного напр жени  ЦАП 44. На управл ющие цифровые входы ЦАП 44 поданы сигналы с выхо0 да демультнплексора 42, весовые резисторы ЦАП 44 выбираютс  обратно пропорционально номинальному усилению приемо-усилительного блока при съеме с разных каскадов, а с выхода

5 блока 44 на блок 45 делени  поступает аналоговый сигнал, амплитуда которого в каждом временном интервале пропорциональна результирующему усилению на всем тракте от фогоприемника до выхода блока стробировани  и весовой обработки.

В блоке 45 делени  прин тый и подвергнутый заданной временной регули- с ровке усилени  сигнал, поступающий из суммирующего усилител  16, делитс  на сигнал, который приходит из блока 44. На регистратор 46 поступает восстановленный сигнал, амплитуда ко- |Q торого пропорциональна входному оптическому . На вход синхронизации регистратора поступает цифровой код с выхода счетчика 41, обеспечивающий стыковку прин тых сигналов с времен- 15 ной шкалой.

Устройство работает следующим, образом.

ФЭУ - это один из частных случаев системы фотоприемник + многокаскад- 20 ный усилитель, в который с помощью динодной системы осуществл етс  внутреннее многокаскадное усиление прин того и преобразованного в электрический оптического сигнала. Сиг- налы с выходов его промежуточных динодов подаютс  на ЦАП 12-14. Внутренн   организаци  блоков 12- 14 - классический ЦАП, с тем лишь отличием, что на вход подачи опорно- 30 го напр жени  Еоп подаетс  сигнал с динода ФЭУ. На управл ющие входы ЦАП независимо поступают двоичные цифровые коды из блока 15 управлени , причем управл ющие коды их блока 15 35 поступают в блоки 12-44 в заранее выбранные и непересекающиес  интервалы времени (это показано в виде временных диаграмм на фигЛ). Путем выбора разных динодов ЭУ (выходные 40 сигналы которых могут существенно различатьс  по амплитуде), а также управл   усилением этих динодных сигналов с помощью цифрового кода на управл ющих входах ЦАП, можно уста- 45 новить выходные сигналы разных каналов (с разных динодов) как близкими по амплитуде, так и сильно различающимис . Тогда на выходе сумматора 16 (фиг.2) можно сформировать сигнал, 50 подверженный произвольной регулировке амплитуды во времени. Например, в системах лазерного зондировани  атмосферы и оптической локации принимаемый сигнал уменьшаетс  пропорционально 55 квадрату дальности (времени с момента посылки импульса). Поэтому дл  увеличени  дальности зондировани  бывает целесообразно повышать усиление оптического приемника со временем. С другой стороны, в этой ситуации оказываетс  возможным намыщение приемоуси- лительного тракта при мощных сигналах из ближней зоны (область малых времен после посылки зондирующего импульса). Уменьшением усилени  (выбором более близкого к фотокатоду динода и/или малым значением управл ющего кода ЦАП) можно устранить насыщение (нелинейные искажени ), а значит повысить точность измерени  принимаемых оптических сигналов.

На примере осуществлени  многокаскадного усилени  путем фотоэлектронного умножени  в ФЭУ (фотодетектор + многокаскадное усиление в моноблоке) особенно хорошо иллюстрируетс  повышение фоновой устойчивости способа. Известно , что внешн   фонова  засветка может выступать и как аддитивна , и как мультипликативна  помеха„ В первом случае фон арифметически складываетс  с полезным сигналом и в р де случаев его можно вычесть в дальнейшем или при приеме импульсных сигналов разделить переменную и посто нную составл ющие суммарного сигнала (чаще всего с помощью RC-цепи или трансформатора). Во втором случае фон вызывает изменени  коэффициента усилени  фотоприемника, что искажает полезную информацию о входных оптических сигналах на выходе фотоприемника . Это может иметь место при очень интенсивной фоновой засветке (таков, например, фон неба в  ркий солнечный день) и упом нутые методы борьбы, которые примен ют в аддитивном случае, неэффективны

I

Съем сигналов с промежуточных каскадов усилени  (с динодов ФУ) позвол ет устранить мультипликативную составл ющую фоновой помехи, поскольку как фон, так и сигнал оказываютс  усиленными значительно меньше, чем при полном включении системы фотодетектор + усилитель ( ФЭУ). Поэтому всегда можно выбрать более близкий к оптическому входу каскад (динод ФЭУ), на усиление которого относительно входа протекающий фоновый ток практически не вли ет. И оказываетс  эффективным вычитание фона и разв зка по посто нной составл ющей (последн   использована нами). Более того, после этого можно (это предусмотрено)

усилив сигнал, скомпенсировать потерю в усилении, котора  по вилась за счет перехода к первым каскадам усилени  (к более близким к фотокатоду динодам). В силу этого, фонова  устойчивость способа значительно выше , чем в прототипе.

Claims (3)

1.Способ приема оптических сигналов , включающий преобразование их в

электрические сигналы и усиление с временной регулировкой, отличающий с  тем, что, с целью повышени  точности измерений, расширени  амплитудного диапазона и повышени  фоновой устойчивости, усиление осуществл етс  многокаскадно, независимо и без пересечени  во времени стробируют сигналы с выходов различных каскадов и взвешенно их суммируют

I

2.Способ по п„. , отличающийс  тем, что, с целью упрощени  аппаратурной реализации, многокаскадное усиление осуществл ют путем фотоэлектронного умножени .

3.Способ по пп.1 и 2, отличающийс  тем, что, с целью упрощени  аппаратурной реализации, независимое и без пересечени  во времени стробирование и взвешенное суммирование осуществл ют путем цифро- аналогового преобразовани  и суммировани 

Фиг. 1

I U I-7 IГ, .У.

Фиг 1