Приемник импульсных лазерных сигналов
Владельцы патента RU 2762977:
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре приема лазерного излучения. Предложен приемник импульсных лазерных сигналов, содержащий герметичный корпус с защитным окном, за которым размещены фоточувствительный элемент и схема обработки сигнала, включающая усилитель и формирователь выходного сигнала, выход которого является выходом устройства, введен второй фоточувствительный элемент с вторым усилителем, на выходах каждого усилителя введены последовательно соединенные дифференцирующее звено и нуль-компаратор. Выходы нуль-компараторов подключены к входам коммутатора, управляемого с выхода порогового устройства, включенного на выходе первого дифференцирующего звена, выход коммутатора подключен к входу формирователя выходного сигнала, при этом чувствительные площадки фоточувствительных элементов расположены на минимально возможном расстоянии b*=h(2tgα+tg2β) одна от другой, где h - расстояние от внутренней поверхности защитного окна до чувствительных площадок фоточувствительных элементов, α - максимальный угол падения принимаемого излучения на чувствительную площадку первого фоточувствительного элемента, β≥0 - угол наклона защитного окна. При этом постоянная времени дифференцирующего звена τ меньше длительности фронта tфр принимаемого импульса, а уровень срабатывания Uпоp порогового устройства удовлетворяет условию Uпоp=(0,8-0,99)U'max, где U'max - амплитуда выходной реакции первого дифференцирующего звена на входной сигнал максимальной амплитуды, не превышающей уровень ограничения усилителя. При этом коэффициент усиления k1 первого усилителя установлен из условия срабатывания формирователя выходного сигнала от принимаемого сигнала минимальной амплитуды, а коэффициент усиления k2 второго усилителя соответствует условию где S1 и S2 - чувствительность первого и второго фоточувствительных элементов; ηa - коэффициент апертурных потерь второго фоточувствительного элемента по отношению к первому; ηρ - произведение коэффициентов отражения чувствительной площадки первого фоточувствительного элемента и защитного окна; D - линейный динамический диапазон первого усилителя, а где К1 - коэффициент передачи первого канала, а К2 - коэффициент передачи второго канала. Технический результат изобретения - обеспечение высокой точности временной фиксации принимаемого сигнала в предельно широком динамическом диапазоне при минимальном времени измерения и без увеличения габаритов аппаратуры. 3 ил.
Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и других светолокационных устройств.
Известны приемники импульсного оптического излучения [1] для систем импульсной лазерной локации, предназначенные для преобразования в электрические сигналы отраженных удаленными объектами зондирующих импульсов лазерного излучения и временной привязки электрических импульсов для определения их задержки t3 относительно момента излучения лазерного зондирующего импульса. По этой задержке судят о дальности R до отражающего объекта по формуле R=с t3 /2, где с - скорость света. Подобным образом построены приемники импульсного излучения [2-3], содержащие фоточувствительный элемент и схему обработки сигнала. Указанные устройства имеют узкий динамический диапазон, ограничивающий точность временной фиксации принимаемых сигналов и, тем самым, препятствующий применению таких приемников в измерителях дальности и другой аппаратуре с повышенными требованиями к точности. Известно фотоприемное устройство [4], в котором указанный недостаток устранен за счет введения перед чувствительной площадкой фотоприемника управляемого электрооптического ослабителя, однако такое решение приводит к существенному усложнению устройства и ухудшению отношения сигнал/шум.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является приемник импульсных лазерных сигналов, содержащий фоточувствительный элемент и схему обработки сигнала, включающую усилитель и формирователь выходного сигнала, выход которого является выходом устройства [5]. Для расширения динамического диапазона сигналов в приемнике [5] введена управляемая полупрозрачная шторка, положение которой зависит от уровня принимаемого сигнала. Недостаток такого технического решения - необходимость повторного измерения и потери времени и ресурса устройства на выведение шторки и второе измерение.
Задачей изобретения является обеспечение высокой точности временной фиксации принимаемого сигнала в предельно широком динамическом диапазоне при минимальном времени измерения и без увеличения габаритов аппаратуры.
Эта задача решается за счет того, что в известном приемнике импульсных лазерных сигналов, содержащем герметичный корпус с защитным окном, за которым размещены фоточувствительный элемент и схема обработки сигнала, включающая усилитель и формирователь выходного сигнала, выход которого является выходом устройства, введен второй фоточувствительный элемент с вторым усилителем, на выходах каждого усилителя введены последовательно соединенные дифференцирующее звено и нуль-компаратор, выходы нуль-компараторов подключен к входам коммутатора, управляемого с выхода порогового устройства, включенного на выходе первого дифференцирующего звена, выход коммутатора подключен ко входу формирователя выходного сигнала, при этом чувствительные площадки фоточувствительных элементов расположены на минимально возможном расстоянии b*=h(2tgα+tg2β) одна от другой, где h - расстояние от внутренней поверхности защитного окна до чувствительных площадок фоточувствительных элементов, α - максимальный угол падения принимаемого излучения на чувствительную площадку первого фоточувствительного элемента, β≥0 - угол наклона защитного окна; при этом постоянная времени дифференцирующего звена τ меньше длительности фронта tфр принимаемого импульса, а уровень срабатывания Uпop порогового устройства удовлетворяет условию Uпоp=(0,8-0,99)U'max, где U'max -амплитуда выходной реакции первого дифференцирующего звена на входной сигнал максимальной амплитуды, не превышающей уровень ограничения усилителя, при этом коэффициент усиления k1 первого усилителя установлен из условия срабатывания формирователя выходного сигнала от принимаемого сигнала минимальной амплитуды, а коэффициент усиления кг второго усилителя соответствует условию где S1 и S2 - чувствительность первого и второго фоточувствительных элементов; ηа - коэффициент апертурных потерь второго фоточувствительного элемента по отношению к первому; ηβ - произведение коэффициентов отражения чувствительной площадки первого фоточувствительного элемента и защитного окна; D - линейный динамический диапазон первого усилителя.
На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема приемника импульсных лазерных сигналов. На фиг. 2 показаны варианты взаимного расположения фоточувствительных элементов относительно оптического окна при его прямом (фиг. 2а) и наклонном (фиг. 2б) положении. Фиг. 3 иллюстрирует форму сигналов U(t) на выходе первого и второго усилителей (фиг. 3а) и U'(t) на выходе дифференцирующих звеньев (фиг. 3б).
Приемник импульсных лазерных сигналов (фиг. 1) состоит из первого фоточувствительного элемента 1 с первым усилителем 2, второго фоточувствительного элемента 3 с вторым усилителем 4, первого и второго дифференцирующих звеньев 5 и 6, первого и второго нуль-компараторов 7 и 8, коммутатора 9, ко входам которого подключены выходы нуль-компараторов 7 и 8. Выход коммутатора связан со входом формирователя выходного сигнала 10. На выходе первого дифференцирующего звена 5 включено пороговое устройство 11, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора 9.
Фоточувствительные элементы 1 и 2 конструктивно размещены в герметичном корпусе (на чертеже не показан) на плате 12 за оптическим окном 13 (фиг. 2а, б) на расстоянии b между собой и на расстоянии h от оптического окна.
Принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1 в пучке с апертурным углом 2α. На фоточувствительный элемент 3 падают под углом α крайние лучи этого пучка, последовательно отраженное от фоточувствительной площадки элемента 1 и от оптического окна (фиг. 2а). На фиг. 2б) показаны габаритные соотношения при наклоне окна на угол β.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии коммутатор 9 открыт для сигналов с выхода нуль-компаратора 7. Если эти сигналы находятся в пределах линейного диапазона, то формирователь выходного сигнала фиксирует их положение в один и тот же момент времени t0 независимо от амплитуды (фиг. 3б). Из-за инерционности дифференцирующего звена момент t0 незначительно запаздывает относительно момента tмакс максимума сигнала U'1(t). Отклик дифференцирующего звена на сигналы максимальной амплитуды в линейном диапазоне превышает уровень Uпор срабатывания порогового устройства 8, вызывая тем самым, подачу на управляющий вход коммутатора 5 переключающего сигнала в интервале времени от tогp<to до tпор<t0, где tогр - момент срабатывания порогового устройства от реакции дифференцирующего звена 5 на ограниченный сигнал U'1oгp; tпop - момент срабатывания порогового устройства от реакции дифференцирующего звена 5 на сигнал U'1max в линейном диапазоне, превышающий уровень Uпор (фиг. 3б). При этом коммутатор 9 закрывается для сигнала с фоточувствительного элемента 1 и открывается для сигнала с фоточувствительного элемента 3. Вследствие того, что реакция дифференцирующего звена U'1max (фиг. 3б) опережает по времени импульс U1oгp, на выход коммутатора проходит импульс U'2(t) от фоточувствительного элемента 3, имеющий значительно меньшую амплитуду, лежащую в линейном диапазоне, благодаря чему временное положение входного сигнала формирователя 10 будет фиксироваться по-прежнему в момент времени to в практически неограниченном амплитудном диапазоне входных сигналов.
Коэффициент передачи К1 первого канала, включающего фоточувствительный элемент 1 с чувствительностью S1 и усилитель 2 с коэффициентом усиления k1.
Коэффициент передачи К2 второго канала, включающего фоточувствительный элемент 3 с чувствительностью S2 и усилитель 4 с коэффициентом усиления k2
где ηа~α'2/(2α)2 - коэффициент апертурных потерь, вызванный тем, что только часть входного пучка излучения ответвляется в сторону фоточувствительного элемента 3;
2α - апертурный угол объектива (фиг. 2а);
2α'~2arctg(d2/2h) - угол, стягиваемый диаметром d2 чувствительной площадки фоточувствительного элемента 3;
ηρ=ρфчэ⋅ρоо;
ρфчэ - коэффициент отражения фоточувствительной площадки элемента 1;
ρоо - коэффициент отражения оптического окна.
Отношение 
должно быть не более линейного динамического диапазона D первого канала - в противном случае возможен разрыв диапазона, когда первый канал уже отключен коммутатором, а усиления второго канала еще недостаточно для уверенного приема. Линейный динамический диапазон принимаемых сгналов снизу ограничен шумами (порядка 0,1-1 мВ), а сверху - уровнем насыщения (1-10 В).
То есть D=103-105, и должно выполняться условие
Пример 1
S1=4 отн. ед.; S2=0,4 отн. ед.; 2α=30°; h=2 мм; α'~5°; ρфчэ=0,1; ρоо=0,05; D=104.
Откуда 
Изменить расстояние между фоточувствительными элементами можно за счет наклона оптического окна 10 (фиг. 2б). При наклоне оптического окна на угол β расстояние между фоточувствительными элементами может быть увеличено или уменьшено на величину Δb~h⋅tg2β.
Из построений на фиг. 2а) и 2б) следует:
Откуда
Из (4) и (5) следует основное расчетное соотношение b*=b+Δb=h(2tgα+tg2β).
Пример 2
h=10 мм; β=10°; α=15°.
b=5,36 мм; Δb=1,7 мм; b*=7,06 мм.
Описанное техническое решение обеспечивает практически неограниченное расширение линейного динамического диапазона во всем рабочем динамическом диапазоне первого и второго фоточувствительных элементов. При этом обеспечивается предельно достижимая точность временной фиксации сигнала при однократных замерах, то есть без ухудшения быстродействия. Аппаратура имеет минимальные габариты и размещается в том же корпусе, что и прототип.
В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец приемника. Проведенные исследования подтвердили выполнение заданных технических требований - как в одиночном, так и в частотном режиме работы.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает высокую точность временной фиксации принимаемого сигнала при минимальном времени измерения и без увеличения габаритов аппаратуры. Источники информации
1. В.А. Волохатюк и др. "Вопросы оптической локации". - М.: Советское радио, М., 1971. - с. 213.
2. В.Г. Вильнер и др. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. «Оптико-механическая промышленность». №9, 1981 г. - с. 593.
3. В.А. Афанасьев и др. Порог чувствительности приемника импульсного оптического излучения с большим входным импедансом. Электронная техника. Серия 11. «Лазерная техника и оптоэлектроника». 1988, в. 3. - с. 78 - 83.
4. Radiation receiver with active optical protection system. US patent No 6,548,807.
5. В.Г. Вильнер и др. Приемник импульсных лазерных сигналов. Патент РФ №2655006 по заявке на изобретение №2017123347 от 03 июля 2017 г. - прототип.
Приемник импульсных лазерных сигналов, содержащий герметичный корпус с защитным окном, за которым размещены фоточувствительный элемент и схема обработки сигнала, включающая усилитель и формирователь выходного сигнала, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что введен второй фоточувствительный элемент с вторым усилителем, на выходах каждого усилителя введены последовательно соединенные дифференцирующее звено и нуль-компаратор, выходы нуль-компараторов подключены к входам коммутатора, управляемого с выхода порогового устройства, включенного на выходе первого дифференцирующего звена, выход коммутатора подключен к входу формирователя выходного сигнала, при этом чувствительные площадки фоточувствительных элементов расположены на минимально возможном расстоянии b*=h(2tgα+tg2β) одна от другой, где h - расстояние от внутренней поверхности защитного окна до чувствительных площадок фоточувствительных элементов, α - максимальный угол падения принимаемого излучения на чувствительную площадку первого фоточувствительного элемента, β≥0 - угол наклона защитного окна; при этом постоянная времени дифференцирующего звена τ меньше длительности фронта tфр принимаемого импульса, а уровень срабатывания Uпор порогового устройства удовлетворяет условию Uпор=(0,8-0,99)U'max, где U'max - амплитуда выходной реакции дифференцирующего звена на входной сигнал максимальной амплитуды, не превышающей уровень ограничения усилителя, при этом коэффициент усиления k1 первого усилителя установлен из условия срабатывания формирователя выходного сигнала от принимаемого сигнала минимальной амплитуды, а коэффициент усиления k2 второго усилителя соответствует условию 
где S1 и S2 - чувствительность первого и второго фоточувствительных элементов; ηа - коэффициент апертурных потерь второго фоточувствительного элемента по отношению к первому; ηρ - произведение коэффициентов отражения чувствительной площадки первого фоточувствительного элемента и защитного окна; D - линейный динамический диапазон первого усилителя, a 
где K1 - коэффициент передачи первого канала, включающего фоточувствительный элемент с чувствительностью S1 и усилитель с коэффициентом усиления k1, K1=S1⋅k1, а K2 - коэффициент передачи второго канала, включающего фоточувствительный элемент с чувствительностью S2 и усилитель с коэффициентом усиления k2, K2=S2⋅k2ηaηp.
