СПОСОБ ПРИЕМА СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК H01J40/00 

Изобретение относится к методам и средствам для измерения расстояний при специальных инженерно-геодезических работах, может применяться при конструировании приемного и фазодетектирующего устройства в системах связи, оптической локации, доплеровских измерителях скорости, в оптоэлектронном приборостроении для построения высокоточных светодальномеров геодезического и специального назначения.

Известно фотоприемное устройство, реализующее радиогетеродинный способ приема СВЧ-модулированных оптических сигналов в ФЭУ с помощью внешнего модулирующего устройства (ВМУ), обеспечивающего дополнительную модуляцию фототока. (см. АС СССР N 243086 Скибарко А. П., Гулказарян К. Л. ФЭУ для приема оптических сигналов Б. И., 1969, N 16, с. 81). Согласно этому способу в прикатодной области ФЭУ в результате взаимодействия фототока, имеющего в своем спектре составляющую с частотой ω_м и электрического поля, образованного гетеродинным напряжением с частотой ω_г в спектре тока, покидающего прикатодную область, содержится составляющая с частотой ω_г-ω_м, причем фаза этого колебания с точностью до постоянной равна фазе поднесущей принимаемого сигнала.

Известен фотоэлектронный приемник света, реализующий радиогетеродинный способ приема, содержащий коаксиальный резонатор с внутренним коаксиалом, разделенным на две части с ФЭУ, расположенным в емкостном зазоре, и дополнительным контактным диском, с фиксированной поверхностью контакта с фотокатодом, расположенным на торцевой поверхности ФЭУ (прототип).

К особенностям способа относится возможность приема колебаний с весьма высокими частотами модуляции.

К недостаткам способа и устройства реализации относятся большие потери СВЧ мощности, трудность согласования резонатора, содержащего ФЭУ, с генератором колебаний в широком диапазоне частот, необходимость использования высоких уровней мощности модулирующего колебания для получения приемлемых коэффициентов преобразования, что приводит к разогреву (а в ряде случаев и к разрушению) фотокатода, увеличению термотока и соответствующему уменьшению отношения сигнал/шум.

Недостатки технического решения устройства реализации (прототип) обусловлены тем, что связь резонатора с катодной камерой ФЭУ, определяемая отверстием во внутреннем коаксиале резонатора остается постоянной, последнее препятстует оптимизации модуляционной характеристики и процесса преобразования информационного сигнала, а следовательно, и улучшения точностных характеристик приемника в целом при использовании различных ФЭУ и затрудняет настройку фотоэлектронного приемника.

Известно, что из-за большого разброса ФЭУ по резистивным параметрам фотокатода для оптимизации режима радиогетеродинирования, как по первой, так и любой высшей гармонике гетеродина необходимо к внешним модулирующим электродам, в частности, к резонатору подводить гетеродинное колебание различной величины (см. Петрухин Г. Д. Фотоэлектронные умножители в режиме радиогетеродирования. М.: Радио и связь. 1983, с. 48-58).

Целью предлагаемого изобретения является упрощение процесса оптимизации режима преобразования по первой и высшим гармоникам гетеродинного колебания при фиксированной мощности гетеродина.

Указанная цель достигается тем, что при фиксированной мощности гетеродинного колебания изменяют связь внешнего резонатора и катодной камеры ФЭУ путем изменения диаметра d контактного диска-регулятора от минимального значения, равного диаметру светового пятна на фотокатоде до диаметра, примерно равного 0,7-0,9 рабочей площади фотокатода ФЭУ.

Существенным отличительным признаком предлагаемого решения является возможность варьирования диаметром отверстия в контактном диске, позволяющая добиться максимизации сигнала на выходе фазового детектора (ФЭУ) и повышения чувствительности приема модулированных сигналов. Как показывают эксперименты в выбранном диапазоне изменения связи удается добиться режима оптимизации режима радиогетеродинирования практически для любого ФЭУ.

Для выявления преимуществ предлагаемого способа рассмотрим прием светового потока модулированного по интенсивности гармонической функцией, имея ввиду, что полезная информация содержится в фазе поднесущей.

При данных параметрах входного светового потока единственным путем повышения амплитуды тока промежуточной частоты на выходе приемника является выбор режима радиогетеродинирования, осуществляемый лишь экспериментально путем подбора (выбора) мощности колебаний гетеродинного напряжения, поступающего на фотокатод.

Увеличение амплитуды второй гармоники (оптимизация) обеспечивается, в основном, увеличением мощности гетеродина примерно в 1,5-2 раза по сравнению с мощностью, необходимой для оптимизации первой гармоники. Последнее обусловлено как техническими трудностями, связанными с увеличением мощности колебаний, так и, что наиболее важно, ужесточением требований к стабильности мощности модулирующего колебания.

Итак, для получения максимальной амплитуды промежуточной частоты (при преобразовании на первой или любой высшей гармонике гетеродинного колебания) на выходе ФЭУ, работающего в режиме радиогетеродинирования, амплитуда гетеродинного напряжения непосредственно в прикатодной области должна быть определенной величины, что может быть получено при различной мощности гетеродина, подводимой к резонатору (внешнему модулирующему устройству) фотоприемного устройства.

В предлагаемом способе фазового детектирования максимизация величины гетеродинного напряжения U_г, определяющего процесс преобразования (путем непосредственного воздействия на фотокатод), при постоянном уровне мощности, поступающей в резонатор, осуществляется оптимизацией (изменением) коэффициента связи поля резонатора с полем в катодной камере ФЭУ путем оптимального подбора диаметра d отверстия контактного диска-регулятора, обеспечивающего эту связь, а контроль за процессом осуществляется по выходному току фотоприемного устройства.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа фазового детектирования; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - графические зависимости.

Фотоэлектронный приемник света содержит коаксиальный резонатор (КР) 1, внутренний коаксиал (ВК), разделенный на части 2 и 3, фотоэлектронный умножитель 4, фотокатод 5, металлический контактный диск-регулятор (КДР) 6, 7 со сквозным отверстием, создающий емкостной зазор для электрического поля, состоящий из контактируемой обоймы 6 и узла регулятора диафрагмы 7, привода 8, обеспечивающего работу диафрагмы, клинообразную пластину 9 из диэлектрика с приводом 10, с помощью которого она скользит по поверхности КДР, узел связи 11, узел индикации резонанса 12, усилитель 13 промежуточной частоты, включающий в себя полосовой усилитель-ограничитель, частотный дискриминатор, узкополосный усилитель (не показаны), региcтрирующий прибор 14 (например, осциллограф).

Работает устройство следующим образом. Сфокусированный амплитудно-модулированный луч с частотой ω_м направляем на фотокатод 5 ФЭУ 4, расположенный в зоне максимальной напряженности электрического поля КР-1, в который поступают СВ4 колебания частоты ω_г от СВЧ-генератора (не показан) через петлю связи 11. В зависимости от параметров приемника (величины емкости зазора С₃ между частями 2 и 3 внутреннего коаксиала, емкости диэлектрической пластины С_д), в приемнике фазодетектора устанавливаются колебания резонансной частоты ω_г. До снятия начального отсчета осуществляем юстировку КДР без светового сигнала на фотокатоде.

Диафрагму контактного диска-регулятора устанавливаем на калиброванную величину, определяемую по минимуму темнового тока на регистрирующем устройстве 14. Далее проводим наведение на фотокатод модулированного излучения с частотой ω_м.

При воздействии на электронный поток, промодулированный частотой ω_м, непосредственно у фотокатода электрическим полем, направленным вдоль движения электронов и изменяющимся с частотой ω_г в катодной камере в электронном потоке появится составляющая разностной частоты ω_м-ω_г=ω_пр (1 гармоника), надежно регистрируемая на выходе приемника.

Затем микрометрическим вращением ручки привода 8 изменим диаметр отверстия диафрагмы КДР до наступления максимума выходного сигнала (максимум 1 гармоники промежуточной частоты).

В случае, когда на фотокатод принимается удвоенная частота модуляции (подобный алгоритм достаточно часто применяется в оптоэлектронике, например, в светодальнометрии, для повышения точности фазовых светодальномеров) возникает необходимость осуществления режима преобразования частоты на второй гармонике гетеродина.

С этой целью диаметр отверстия контактного диска-регулятора изменяем в произвольном направлении так, что добиваемся получения максимального сигнала частоты 2 ω_пр (II гармоника), визуально наблюдаемого на экране регистрирующего прибора 14.

Результаты экспериментальных измерений выходного сигнала, проведенных по рассмотренной выше методике с использованием контактного диска регулятора с переменной площадью отверстия, приведены на фиг. 3, где кривая а иллюстрирует максимизацию сигнала промежуточной частоты на первой гармонике, кривая б - на второй гармонике гетеродина.

По вертикальной оси отложено значение тока промежуточной частоты ω_пр, по горизонтальной - изменение значения диаметра отверстия диафрагмы d, и в пересчете, эквивалентные изменению d, значения мощности гетеродина. Нижний предел d = 1 мм обусловлен конструктивной особенностью КРД, используемого в эксперименте, и техническими возможностями фокусировки приемного светового луча. Эксперимент был осуществлен на промежуточной частоте ω_пр = 2 МГц.

К особенностям метода следует отнести, что для исключения возможных ошибок, связанных с амплитудно-фазовыми искажениями в приемном тракте, величина оптического сигнала на фотокатоде и величина модулирующей мощности гетеродина, в процессе измерений поддерживаются строго постоянными, как при снятии начального отчета, так и при преобразовании на I и II гармонике промежуточной частоты.

Последнее обстоятельство, а также результаты исследований, приведенных на фиг. 3, наглядно доказывают возможность комплексной оптимизации процесса преобразования без применения каких-либо дополнительных специальных мер по стабилизации и повышению мощности гетеродина.

Таким образом, дифференциация мощности связи по предлагаемому способу дает эффективную возможность оптимизации сигнала на выходе фазового детектора и повышения чувствительности приема модулированных сигналов.

Изобретение позволяет упростить процесс выбора режима преобразования по первой и высшим гармоникам гетеродинного колебания. Сущность изобретения: в фотоприемном устройстве на базе ФЭУ с контактным диском, работающим в режиме радиогетеродинирования, при фиксированной мощности гетеродина, изменяют связьь внешнего резонатора и катодной камеры ФЭУ путем изменения диаметра отверстия в контактном диске-регуляторе от минимального значения, равного диаметру светового пятна на фотокатоде, до 0,7 - 0,9 рабочего диаметра фотокатода. 3 ил.

СПОСОБ ПРИЕМА СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ, включающий преобразование частоты поднесущей модулированного сигнала с помощью фотоприемного устройства в виде коаксиального резонатора и фотоэлектронного умножителя, разделенных контактным диском с отверстием связи, и гетеродина, отличающееся тем, что, с целью повышения отношения сигнал-шум, при фиксированной мощности гетеродина изменяют диаметр отверстия связи в диапазоне от диаметра светового пятна на фотокатоде до 0,7 - 0,9 рабочего диаметра фотокатода фотоэлектронного умножителя до достижения максимума выходного сигнала.