Способ приема оптических сигналов

 

Изобретение относится к оптикофизическим измерениям и может быть использовано для приема и обработки оптических сигналов при исследованиях сред оптическими методами, в оптической локации, при Контроле уровня аэрозольных загрязнений и т.д. Целью изобретения является 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 осуществляют многокаскадно , независимо и без пересечения во времени стробируют сигналы с выходов различных каскадов и взвешенно их суммируют. С целью упрощения аппаратурной реализации многокаскадное усиление, независимое и без пересечения во времени стробирование и взвешенное суммирование осуществляют путем фотоэлектронного умножения, цифроаналогового преобразования н гуммирования,, 2 з„п. ф-лы, 2 нл0

СОЮЗ ООВЕТОНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИX

РЕСПУБЛИН (g1)g С 01 1/44

Н А ВТОРСКОМ,К СВМДЕ ГЕЛЬСТВУ вания и весовой обработки, блок 5 управления, суммирующий усилитель

6, оконечное устройство 7.

Приемоусилительный блок 1 включает в себя фотопрнемник 8, связанный с усилительным каскадом 9, который, в свою очередь, связан с усилительным каскадом 10. Сигналы с выхода блока 10 и выходов промежуточных каскадов 9 и 8 параллельно по; даются на входы блоков 2-4 стробиро-! вания и весовой обработки соответст4Ф

М

4Й

СЛ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4690899/25 (22) 16.05.89 (46) 15.05.91. Бюл. У 18 (71) Казанский авиационный институт им. А.Н.Туполева (72) P.Р.Агишев и Б.К.Михайлов (53) 621.383(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 6!0037, кл. С 01 И 1/OO, 1976.

Авторское свидетельство СССР

У 309338, кл. С 01 V 1/00, 1969 ° (54) СПОСОБ ПРИЕМА ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к оптикофизическим измерениям и может быть использовано для приема и обработки оптических сигналов прн исследованиях сред оптическими методами, в оптической локации, при Контроле уровня аэрозольных загрязнений и

Изобретение относится к оптико— физическим измерениям и может быть использовано для приема н обработки оптических сигналов при исследова-. ниях сред оптическими методами, в оптической локации, при контроле уровня аэрозольных загрязнений и т.д.

Цель изобретения — повышение точности измерений, расширение амплитудного диапазона, повышение фоновой устойчивости.

На фиг.1 приведена блок †схе устройства для реализации способа; на фиг.2 — пример упрощения аппаратурной реализации способа.

Устройство содержит приемоусилительный блок 1, блоки 2-4 стробироÄÄSUÄÄ 1649305 А f

2 т.д. Целью изобретения является 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 осуществляют многокаскадно ., независимо и без пересечения во времени стробируют сигналы с выходов различных каскадов и взвешенно их суммируют. С целью упрощения аппаратурной реализации многокаскадное усиление, независимое и без пересечения во времени стробирование и взвешенное суммирование осуществляют путем фотоэлектронного умножения, цифроаналогового преобразования и суммирования. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. венно.

Выходы с блоков 2-4 связаны с входами суммирующего усилителя 6, выход которого соединен с одним информационным входом оконечного уст1649305 ройства 7, другие входы которого связаны с выходами блока 5 управления °

Устройство работает следующим образом.

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

Выходные сигналц блоков 2"4 по даются в усилитель 6 в непересекающиеся интервалы времени и могут независимо регулироваться по амплитуде.

Как стробирование, так и регулирование усиления в блоках 2-4 осуществля- 20 ется по управляющим сигналам, поступающим из блока 5 управления, На оконечное устройство 7 с суммирующего . усилителя 6 поступает, таким образом, взвешенная сумма сигналов с 25 выходов разных каскадов приемоусилительного блока 1 в непересекающиеся интервалы времени.

Поскольку стробы с блока 5 управления, отпирающие блоки 2-4, не пересекаются во времени, то на выходе суммирующего усилителя 6 формируется сигнал, амплитуда которого в каждый момент времени соответствует заранее выбранному усилению (с уче.том усиления как в регулируемых, так и в иерегулируемых каскадах).

Так как коэффициенты усиления в любые моменты времени установлены заранее и извести, то с учетом сигна40 лов из блока 5 управления при последующей обработке легко восстановить амплитудно-временные соотношения измеряемого сигнала (учитывая также известное заранее соотношение между 45 усилением последовательно вклняенных каскадов).

При реализации способа удается повысить точность измерения как слабых, так и сильных сигналов, обрабатывая первые из них в канале с максимальным усилением (используя наиболее удаленные от фотодетек гора каскады блока l и - при необходимости — боль-

55 шое значение кода усиления, подаваемое из блока 5 управления, а вторые - с минимальным усилением соответственно.

Слабые сигналы таким образом не

"утонут" в шумах, а сильные — не претерпят нелинейных искажений при насыщениии.

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

Поскольку обсуждаются такие ситуации, когда заранее известен (хотя бы приблизительно) доминирующий временной закон изменения принимаемых сигналов (например, затухаяие принятого сигнала пропорционально квадрату времени (дальности)), то формирование временной регулировки усиления с повышенной точностью (поскольку в произвольном интервале времени можно задать произвольное усиление из более широкого, чем в прототипе, амплитудного диапазона или в том же диапазоне с более высокой точностью) позволяет достичь повышение точности измерения.

Конкретизировать способ можно, например, следующим образом.

В указанном способе реализацию многокаскадного усиления, независимого н без пересечения во времени стробирования и взвешенного суммирования можно осуществить путем фотоэлектронного умножения, цифроаналогового преобразования сигналов с выходов разных каскадов и их последующего суммирования.

Устройство, реализующее более простой способ приема оптических сигналов, показано на фиг.2 и содержит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 11, выходные сигналы которого снимаются с промежуточных диодов и анода; цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

12-!4, блок 15 управления, суммирующий усилитель 16, оконечное устройство 17, блок 18-20 совпадения, весовые сопротивления 21 -23, аналоговые ключи

24-29, инверторы 30-32, резистор 33 обратной связи, операционный усилитель

34, задатчик 35 кодов усиления, шифратор 36, задатчик 37 номера канала, многорежимные буферные регистры 3840,, счетчик 41 импульсов, демультиплексор 42, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 43 и 44, аналоговый делитель 45„ регистратор 46, инвертор 47.

9305

5 164

Каждый из ЦАП 12-14 включает в себя весовые сопротивления 21-23, на1- Ro пример К, = 2 1

R — выбирается заранее, одни вывоо ды которых соединены между собой, а другие — соединены с ключами 2425, 26-27, 28-29, соответственно.

Вьиоды ключей 25, 27 и 29 соединены между собой и инвертирующим входом операционного усилителя 34, а также с одним выводом резистора 33 R обратной связи, другой вывод которого соединен с выходом операционного усилителя, являющимся выходом ЦАП 12, Выходы ключей 24, 26, 28 соединены с Землей". Управляющие входы ключей

24, 26, 28 при помощи блока 18 совпадения связаны непосредственно с выходами блока l 5 управления,,а ключей 25, 27, 29 — через инверторы

30-32.

Выходы ЦАП 12-14 связаны с входами суммирующего усилителя 16, выход которого соединен с одним входом оконечного устройства 1 7, другие входы которого связаны с выходами блока управления.

Блок 15 управления включает в себя 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 задатчика 37 номера канала соединены с входами расширения записи МБР 38-40.

Выход внешнего генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом. счетчика 41, выходы которого при по,мощи шины связаны с входами демультиплексора 42. Выходы блока 42 соединены с входами разрешения считывания

МБР 38-40 соответственно, а также с входами ° управления ЦАП 41, вход подключения опорного напряжения которого соединен с выходом ЦАП 43, входы управления которого связаны с выходами МБР 38-40, объединенных в одну шину.

Один вход делительного устройства

45 соединен с выходом суммирующего усилителя 16, другой — с выходом

ЦАП 44, а выход делителя 45 соединен с сигнальным входам регистратора 46, вход синхронизации которого соединен с выходом счетчика 41. Сброс счетчика 41 осуществляется внешним сигна-.!

О

55 лом, приходящим перед счетными импульсами.

Сигналы на выходах блока 15 управления формируются таким образом.

Заранее, до приема полезных оптических сигналов с помощью задатчика 35 кодов, построенном на галетном переключателе, набирается число, соответствующее выбранному усилению

ЦАП 1 2, и подается на шифратор 36.

С его выхода код усиления по шине поступает на информационные входы

МБР 38-40. Задатчик 37 номера канала прн нажатии соответствующей этому каналу кнопки формирует импульс разрешения записи только на линии, связывающей его с входом разрешения записи МБР 38.

Для осуществления приема и обработки оптического сигнала внешний синхронизатор вырабатывает импульсы, запускающие счетчик 41. Выходной код счетчика 41 управляет работой демультиплексора 42, который формирует импульс считывания в каждый момент времени только на одном своем выходе, -в данном случае — связанном с входом разрешения считывания МБР 38. После этого с выхода МБР 38 по общей информационной шине через блок 1 8 совпадения на ЦАП 12 при наличии импульса разрешения с блока 42 поступает цифровой код, соответствующий заданному усилению (весу) этого блока и заданному временному интервалу.

Выходы МБР 38-40 объединены в обшую шину, по которой подается уграв-. ляющий код на оконечное устройство

1 7. Одним из многих возможностей его реализации может быть узел восстановления амплитудно-временных соотношений входного оптического сигнала (блоки 43-45) и регистратор. Тогда код от МБР 38 по общей шине .подается на ЦАП 43, сигнал с выхода которого подан на вход подачи опорного напряжения ЦАП 44. На управляющие цифровые входы ЦАП 44 поданы сигналы с выхода демультиплексора 42, весовые резисторы ЦАП 44 выбираются обратно пропорционально номинальному усилению приемо-усилительного блока при съеме с разных каскадов, а с выхода блока 44 на блок 45 деления поступает аналоговый сигнал, амплитуда которого в каждом временном интервале пропорциональна результирующему усилению на всем тракте от фотоприемии1649305 ка до выхода блока стробирования и весовой обработки.

В блоке 45 деления принятый и подвергнутый заданной временной регули5 ,ровке усиления сигнал, поступающий из суммирующего усилителя 16, делится на сигнал, который приходит из блока 44. На регистратор 46 поступает восстановленный сигнал, амплитуда ко" )0 торого пропорциональна входному оптическому. На вход синхронизации регистратора поступает цифровой код с выхода счетчика 41, обеспечивающ и стыковку принятых сигналов с времен- 15 ной шкалой.

Устройство работает следующим, образом.

ФЭУ вЂ” это один из частных случаев системы фотоприемник + многокаскад- 20 ный усилитель, в который с помощью, динодной системы осуществляется внутреннее многокаскадное усиление принятого и преобразованного в электрический оптического сигнала. Сигналы с выходов его промежуточных динодов подаются на ЦАП 12-14.

Внутренняя организация блоков 1214 — классичеикий ЦАП, с тем лишь отличием, что на вход подачи опорно- З0 го напряжения Еоп подается сигнал с динода ФЭУ. На управляющие входы

ЦАП независимо поступают двоичные цифровые коды из блока 15 управления, причем управляющие коды их блока 15 З5 поступают в блоки 12-14 в заранее выбранные и непересекающиеся интервалы времени (это показано в виде временных диаграмм на фиг.l) . Путем выбора разных динодов ФЭУ (выходные 40 сигналы которых могут существенно различаться по амплитуде), а также управляя усилением этих динодных сигналов с помощью цифрового кода на управляющих входах ЦАП, можно уста- 45 новить выходные сигналы разных каналов (с разных динодов) как близкими по амплитуде, так и сильно различающимися. Тогда на выходе сумматора 16 (фиг.2) можно сформировать сигнал, 50 подверженный произвольной регулировке амплитуды во времени. Например, в системах лазерного зондирования атмосферы и оптической локации принимаемый сигнал уменьшается пропорционально 55 квадрату дальности (времени с момента посылки импульса). Поэтому для увеличения дальности зондирования бывает целесообразно повышать усиление оптического приемника со времен м. С другой стороны, в этой ситуации оказывается возможным намыщение приемоусилительного тракта при мощных сигналах из ближней зоны (область малых времен после посылки зондирующего импульса).

Уменьшением усиления (выбором более близкого к фотокатоду динода и/или малым значением управляющего кода

ЦАП) можно устранить насыщение (нелинейные искажения), а значит повысить точность измерения принимаемых оптических сигналов.

На примере осуществления многокаскадного усиления путем фотоэлектронного умножения в ФЭУ (фотодетектор + многокаскадное усиление в моноблоке) особенно хорошо иллюстрируется повышение фоновой устойчивости способа. Известно, что внешняя фоновая засветка может выступать и как аддитивная, и как мультицликативная помеха. В первом случае фон арифметически складывается с полезным сигналом и в ряде случаев его можно вычесть в дальнейшем или при приеме импульсных сигналов разделить переменную и постоянную составляющие суммарного сигнала (чаще всего с помощью КС-цепи или трансформатора). Во втором случае фон вызывает изменения коэффициента усиления 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 яркий солнечный день) и упомянутые методы борьбы, которые применяют в аддитивном случае, неэффективны.

Съем сигналов с промежуточных каскадов усиления (с динодов ФУ) позволяет устранить мультипликативную составляющую фоновой помехи, поскольку как фон, так и сигнал оказываются 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 влияет. И оказывается эффективным вычитание фона и развязка по постоянной составляющей (последняя использована нами). Более того, после этого можно (это предусмотрено), 1649305 усилив сигнал. скомпенсировать потерю в усилении, которая появилась за счет перехода к первым каскадам усиления (к более близким к фотокатоду динодам). В силу этого, фоновая

5 устойчивость способа значительно выше, чем в прототипе.

Таким образом, путем независимого стробирования без пересечения во вре- 10 мени сигналов с выходов различных каскадов и взвешенного суммирования удается повысить точность измерения за счет формирования более точной временной регулировки усиления, расширить амплитудный диапазон и улучшить фоновую устойчивость известного способа приема оптических сигналов. Ана= логичный положительный эффект достигается, если многокаскадное усиление, 2п независимое стробирование без пересечения во времени н взвешенное суммирование осуществлять путем фотоэлектронного умножения, цифроаналогового преобразования и суммирования. 25

Формула изобретения

I ..Способ приема оптических сигналов, включающий преобразование их в электрические сигналы и усиление с временной регулировкой, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, расширения амплитудного диапазона и повышения фоновой ус1 ойчивости, усиление осуществляется многокаскадно, независимо и беэ пересечения во времени стробируют сигналы с выходов различных каскадов и взвешенно их суммируют. !

2.Способ по п.1 о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью упрощения аппаратурной реализации, многокаскадное усиление осуществляют путем фотоэлектронного умножения.

З.Способ по пп.1 и 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения аппаратурной реализации, независимое и без пересечения во времени стробирование и взвешенное суммирование осуществляют путем цифроаналогового преобразования и сумми. рования.

Put 2

Составитель А.Ястребов

Редактор С.Лисина Техред М.Дидык Корректор А.0бручар

Заказ 1513 Тираж 340 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета па изобретениям и открьггияи при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101