Фотоприемное устройство



Фотоприемное устройство
Фотоприемное устройство
Фотоприемное устройство
Фотоприемное устройство

 

H04B10/69 - Передающие системы, использующие потоки корпускулярного излучения или электромагнитные волны, кроме радиоволн, например световые, инфракрасные (оптические соединения, смешивание или разделение световых сигналов G02B; световоды G02B 6/00; коммутация, модуляция и демодуляция светового излучения G02B,G02F; приборы или устройства для управления световым излучением, например для модуляции, G02F 1/00; приборы или устройства для демодуляции, переноса модуляции или изменения частоты светового излучения G02F 2/00; оптические мультиплексные системы H04J 14/00)

Владельцы патента RU 2589747:

Соколов Александр Евгеньевич (RU)

Изобретение относится к области оптических измерений и касается фотоприемного устройства. Фотоприемное устройство содержит последовательно соединенные лавинный фотодиод, усилитель и фильтр, а также компаратор, дискриминатор длительности импульсов, регулируемый источник питания, блок оценки сигналов, источник опорного напряжения, высокочастотный генератор и блок синхронизации. Кроме того, устройство включает в себя последовательно соединенные дополнительный усилитель и детектор. При этом выход детектора соединен с первым входом компаратора, вход дополнительного усилителя соединен с фильтром. В качестве фильтра используется полосовой фильтр с полосой пропускания около середины рабочей полосы частот усилителя. Технический результат заключается в увеличении отношения сигнал/шум при регулировании коэффициента умножения лавинного фотодиода непосредственно по принимаемому оптическому сигналу. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к быстродействующим измерителям мощности оптического излучения и может быть использовано в системах оптической локации.

Известны фотоприемные устройства на лавинных фотодиодах - патент США 4.015.118 опубл. 29.03.1977, патент РФ 1.679.212 опубл. 23.09.1991, в которых для стабилизации лавинного фотодиода (ЛФД) используют опорное оптическое излучение.

Наиболее близким к заявляемому устройству является фотоприемное устройство на двух лавинных фотодиодах - ж. Радиопромышленность. Вып. 2, 1996 г., в котором стабилизация коэффициента умножения ЛФД осуществляется одновременно со стабилизацией величины выходного видеосигнала, непосредственно по принимаемому оптическому сигналу.

В прототипе осуществляется стабилизация просуммированного сигнала двух каналов на уровне 0,7 В. В диапазоне входных оптических сигналов 0,3 нВт-3 нВт у регулируемых усилителей максимальный коэффициент усиления. Балансировка чувствительности двух каналов (чувствительности двух ЛФД) приводит, по сути, к устройству на одном лавинном фотодиоде.

Данное устройство описано в патенте РФ 1.679.212 при отсутствии опорного источника оптического излучения.

Цель изобретения - увеличение отношения сигнал/шум при использовании регулирования коэффициента умножения ЛДФ непосредственно по принимаемому оптическому сигналу.

На фиг. 1 приведена блок-схема фотоприемного устройства, на фиг. 2 - графики зависимости коэффициента лавинного умножения от мощности принимаемого оптического сигнала в заявляемом устройстве и в прототипе.

Устройство, описанное в патенте РФ 1.679.212, состоит из лавинного фотодиода 1, усилителя 2, фильтра 3, компаратора 4, дискриминатора длительности импульсов 5 и регулируемого источника питания 6. Выход регулируемого источника питания 6 соединен с лавинным фотодиодом 1. Выход усилителя 2 также соединен с блоком оценки сигнала 7. Кроме того, в устройстве использованы источник опорного напряжения 8, высокочастотный генератор 9 и блок синхронизации 10, соединенный как с дискриминатором длительности импульсов 5, так и с блоком оценки сигналов 7. Надо отметить, что на регулируемый источник питания 6, после окончания видеосигнала строки, подается с дискриминатора длительности импульсов 5 один из двух импульсов управления - на увеличение или на уменьшение напряжения источника питания лавинного фотодиода. В прототипе отсутствует эталонный источник импульсного оптического излучения, описанный в патенте РФ 1.679.212.

Как описано в патенте РФ 1.679.212 - первый вход дискриминатора длительности импульсов 5 соединен с выходом компаратора 4. Первый и второй выходы дискриминатора длительности импульсов 5 соединены соответственно с первым и вторым входами регулируемого источника питания 6, выход которого соединен с лавинным фотодиодом 1.

В заявляемом устройстве стабилизация коэффициента умножения ЛФД осуществляется по принимаемому сигналу. Введение в устройство дополнительного усилителя 11, детектора 12 и использование в качестве фильтра 3 полосового фильтра позволяет достичь поставленной цели изобретения - увеличить отношение сигнал/шум при использовании регулирования коэффициента лавинного умножения непосредственно по принимаемому оптическому сигналу.

В заявляемом устройстве вход дополнительного усилителя 11 соединен с выходом полосового фильтра 3, вход которого соединен с усилителем 2. Выход дополнительного усилителя 11 соединен с детектором 12, выход детектора 12 соединен с первым входом компаратора 4.

Устройство содержит последовательно соединенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2, полосовой фильтр 3, дополнительный усилитель 11, детектор 12, компаратор 4, дискриминатор длительности импульсов 5 и регулируемый источник питания 6. Выход регулируемого источника питания 6 соединен с лавинным фотодиодом 1. Выход усилителя 2 также соединен с блоком оценки сигнала 7. В устройстве использованы источник опорного напряжения 8, соединенный со вторым входом компаратора 4, высокочастотный генератор 9, соединенный со вторым входом дискриминатора длительности импульсов 5 и блок синхронизации 10, выход которого соединен с третьим входом дискриминатора длительности импульсов 5 и вторым входом блока 7.

В прототипе стабилизация коэффициента умножения ЛФД осуществляется дискриминатором длительности импульсов 5 одновременно со стабилизацией величины (уровня) выходного видеосигнала. В прототипе сигналы от участков местности с максимальными коэффициентами отражения поддерживаются на уровне 0,7 В. В настоящее время, во многом благодаря переходу к записи цифровой, а не аналоговой информации, стабилизация уровня аналогового выходного видеосигнала фотоприемного устройства менее важна, чем обеспечения максимального отношения сигнал/шум во всем диапазоне мощностей принимаемых лазерных сигналов.

В заявляемом устройстве регулирование коэффициента умножения ЛФД осуществляется по величине шумов усиленного принимаемого оптического сигнала путем стабилизации величины дробовых шумов ЛФД.

Цель изобретения достигается введением в устройство дополнительного усилителя 11, детектора 12, и использованием в качестве фильтра 3 полосового фильтра с полосой пропускания около середины рабочей полосы частот усилителя или немного меньше середины рабочей полосы частот усилителя.

Полосовой фильтр - фильтр, пропускающий электрические сигналы в интервале частот от fн до fв. Верхняя частота пропускания fв примерно на 20-30% больше нижней частоты пропускания fн. Дробовые шумы ЛФД зависят от мощности принимаемого оптического сигнала - Рс и коэффициента лавинного умножения М. Напряжение шумов ЛФД на выходе дополнительного усилителя 11:

где L - постоянная величина, зависящая от схемотехнической реализации устройства, в первую очередь от коэффициента усиления усилителей 2 и 11, а также характеристик фильтра 3.

Это переменное напряжение Uвых поступает в детектор 12, детектируется, фильтруется и в компараторе 4 сравнивается с опорным напряжением источника 8. Более точная формула дробовых шумов ЛФД (2.32) приведена в книге - Основы оптоэлектроники. Пер. с яп. - М.: Мир, 1988.

В устройстве, в зависимости от мощности принимаемого оптического сигнала в диапазоне 0,3 нВт-12 нВт, осуществляется регулирование коэффициента лавинного умножения М. Диапазон входных сигналов 1 нВт-6 нВт наиболее информативен. Это мощность отраженных лазерных сигналов от участков местности с максимальными коэффициентами отражения на типичных высотах полета носителя.

Фотоприемное устройство стабилизируется по максимальным сигналам в течение строки (точнее - по их уровню шумов). В таблице 1 приведены значения максимального выходного сигнала фотоприемного устройства - Uc, мВ, отношение сигнал/шум - S/N, а также величина уменьшения коэффициента лавинного умножения K=М0,5/MPc и нормированное значение коэффициента шума ЛФД - F* (относительно F при Pc=0,5 нВт), при различной мощности сигнала Pc, нВт.

Графики зависимости коэффициента лавинного умножения М от мощности принимаемого сигнала Рс в диапазоне от 0,3 нВт до 12 нВт в заявляемом устройстве и в прототипе приведены на фиг. 2

Реперная мощность входного оптического сигнала при стабилизации ЛФД равна 0,5 нВт. На фиг. 2 коэффициент лавинного умножения M y различных фотоприемных устройств одинаков (оптимизирован) при Рс=0,5 нВт. Цель такой оптимизации: получение максимально возможного, не менее 10, отношения сигнал/шум, необходимого для работы инфракрасной лазерной аппаратуры осмотра местности на максимальных высотах. При равенстве дробовых шумов ЛФД и тепловых шумов усилителя имеет место оптимальный коэффициент умножения, при котором отношение сигнал/шум является максимальным. В прототипе суммарный уровень шумового тока двух каналов, приведенный к входу, равен 0,4 нА, шумы сопротивлений обратной связи Rос=330 кОм равны шумам полевых транзисторов с р-n переходом. При оптимальном коэффициенте лавинного умножения и характеристиках полосового фильтра, определенных по формуле изобретения, дробовые шумы ЛФД в 1,3-1,4 раза больше тепловых шумов усилителя, так как в этой полосе частот шумы предусилителей фотоприемного устройства в основном определяются шумами сопротивлений обратной связи.

В таблице 1 приведены характеристики ФПУ в диапазоне мощностей принимаемого сигнала 1,0 нВт-6 нВт. В диапазоне мощностей максимального сигнала в течение строки 6 нВт-12 нВт целесообразно использовать регулировку коэффициента лавинного умножения, аналогичную используемой в патенте РФ 1.679.212 (во втором контуре АРУ опорное напряжение равно 2,5 В). Использование двух контуров АРУ возможно при расстановке приоритетов команд управления, так команда второго контура АРУ на уменьшение М является первоочередной. В диапазоне 6 нВт-12 нВт выходной сигнал ФПУ стабилизируется на уровне 2,5 В - при этом отношение сигнал/шум больше 40.

В заявляемом устройстве обеспечивается существенно большее отношение сигнал/шум, чем в прототипе, что позволяет при его использовании в инфракрасной лазерной аппаратуре осмотра местности хорошо распознавать объекты наблюдения в ночных условиях.

Устройство, содержащее последовательно соединенные лавинный фотодиод, усилитель и фильтр, а также содержащее компаратор, дискриминатор длительности импульсов, первый вход которого соединен с компаратором, регулируемый источник питания, выход которого соединен с лавинным фотодиодом, а первый и второй входы соединены соответственно с первым и вторым выходами дискриминатора длительности импульсов, блок оценки сигналов, первый вход которого соединен с выходом усилителя, источник опорного напряжения, соединенный с вторым входом компаратора, высокочастотный генератор, соединенный с вторым входом дискриминатора длительности импульсов, и блок синхронизации, выход которого соединен с третьим входом дискриминатора длительности импульсов и вторым входом блока оценки сигналов, отличающееся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум при использовании регулирования коэффициента умножения лавинного фотодиода непосредственно по принимаемому оптическому сигналу, в устройство введены последовательно соединенные дополнительный усилитель и детектор, выход детектора соединен с первым входом компаратора, вход дополнительного усилителя соединен с фильтром, а в качестве фильтра используется полосовой фильтр с полосой пропускания около середины рабочей полосы частот усилителя или немного меньше середины рабочей полосы частот усилителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области информационно-коммуникационных технологий и касается способа увеличения длины распространения инфракрасных монохроматических поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) по плоской металлической поверхности.

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано для передачи сигналов на участках систем связи, которые могут быть подвержены воздействиям высоких механических нагрузок, ионизирующих излучений или иных поражающих факторов.

Изобретение относится к защищенным волоконно-оптическим системам передачи и может быть использовано в качестве дуплексной многоканальной волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) информации ограниченного доступа по неконтролируемой территории.

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам передачи (ВОСП) с селекцией и локализацией аварийных ситуаций и может быть использовано в качестве защищенной системы передачи информации ограниченного доступа за пределами контролируемой зоны.

Лазерное приемное устройство, которое может быть использовано в качестве приемного устройства для лазерной локационной системы и системы лазерной космической связи, основано на сверхрегенеративном приеме лазерных сигналов локации и связи в оптическом диапазоне, что позволяет реализовать приемное устройство, обладающее предельной квантовой (однофотонной) чувствительностью и одновременно высокой помехозащищенностью приема лазерных сигналов.

Изобретение относится к контроллерам защиты волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) от попыток отвода оптического сигнала и может быть использовано в качестве универсального технического средства защиты информации (ТСЗИ) ограниченного доступа, передаваемой по неконтролируемой территории.

Изобретение относится к транспортным средствам, а именно к размещению оптических осветительных устройств локомотивов железнодорожного транспорта, их установке и размещению и регулируемых из транспортного средства.

Изобретение относится к области волоконно-оптических систем передачи информации, а именно к системам связи со спектральным мультиплексированием. Технический результат состоит в повышении качества работы и увеличении дальности работы линии связи.

Изобретение относится к способам непрерывного контроля оптических волокон (ОВ) и может быть использовано в качестве алгоритма для программного обеспечения контроллера системы защиты ВОСП информации ограниченного доступа.

Изобретение относится к технике оптической связи и может использоваться в сетях передачи данных. Технический результат состоит в обеспечении динамического управления пространственными и временными параметрами направленных оптических пучков путем создания динамически управляемых отражательных голограмм.

Изобретение относится к способам коррекции собственной температурной зависимости кремниевых фотопреобразователей (ФЭП) и может быть использовано при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) космического аппарата (КА) или его составных частей с использованием имитатора солнечного излучения.

Изобретение относится к области приема оптических сигналов и касается однофотонного приемника для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля переменного и импульсного оптического излучения. Фотодатчик переменного оптического излучения содержит фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель и полевой транзистор, затвор которого подключен к одной обкладке первого конденсатора и через первый резистор соединен с выходом дифференциального усилителя, при этом в него введены второй, третий резисторы и второй конденсатор, который включен между выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с нулевой шиной и анодом фотодиода, катод которого подключен ко второй обкладке первого конденсатора, через второй резистор соединен с истоком полевого транзистора и через третий резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, причем сток полевого транзистора подключен к источнику питания, а исток полевого транзистора является выходом устройства.

Использование: для преобразования интенсивности светового потока инфракрасного, видимого и ультрафиолетового оптического диапазонов, а также рентгеновского излучения в частоту импульсов.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается частотно-селективного фотопреобразователя оптического излучения. Устройство включает в себя фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель, полевой транзистор, затвор которого подключен к обкладке первого конденсатора, источник управляющего напряжения, варикап и индуктивно-емкостной контур.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для выделения одиночных импульсов на фоне низкочастотного шума. Устройство содержит датчик, первый и второй операционные усилители (ОУ1, ОУ2), первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы, первый и второй выпрямители, ограничитель, шину смещения.

Изобретение относится к светоизмерительной технике и касается устройства для преобразования яркости цветного излучения в коды. Устройство содержит корпус, микрообъектив, полупрозрачные микрозеркала, усилители импульсов, блок индикации и дисковые фотоприемные устройства.
Изобретение относится к технике фотометрии и предназначено для повышения точности измерения электрических характеристик фотодиода. Способ заключается в том, что исследуемую электрическую характеристику измеряют в выбранной последовательности точек, осуществляя контроль температуры с использованием датчика температуры в процессе измерений.

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и подобных устройств для измерения временных интервалов между оптическими импульсами.

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и подобных устройств для измерения временных интервалов между оптическими импульсами.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для обнаружения отношения оптического сигнала к шуму, узловое устройство и сетевую систему. Технический результат состоит в повышении качества приема информации. Для этого способ включает в себя: прием обнаруженного оптического сигнала, переносящего шум усиленного спонтанного излучения (ASE); обнаружение первой переменной составляющей тока и первой постоянной составляющей тока обнаруженного оптического сигнала; получение первой информации модуляции обнаруженного оптического сигнала; получение первой информации коррекции, соответствующей первой информации модуляции, согласно первой информации модуляции; и определение отношения оптического сигнала к шуму (OSNR) обнаруженного оптического сигнала согласно первой переменной составляющей тока, первой постоянной составляющей тока и первой информации коррекции. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 19 ил.
Наверх