ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике, в частности к конструированию приемников светового излучения, и может быть использовано в измерителях расстояний, углов, скорости, системах наведения, а также в оптических линиях связи.

Фотоприемное устройство (ФПУ) является основным узлом приемного тракта оптических локационных установок. В числе основных требований, предъявляемых к ФПУ, находятся требования к высокой чувствительности (порог чувствительности около 100 нВт) и малой погрешности регистрации времени обнаружения световых импульсов (единицы нс) в большом динамическом диапазоне световых мощностей (около 10⁶). При работе с одиночными световыми импульсами для получения высокой чувствительности ФПУ должно обладать свойствами оптимального фильтра, т.е. максимизировать отношение сигнал/шум, а для уменьшения погрешности регистрации времени обнаружения световых импульсов ФПУ должно иметь схему временной привязки.

Известно ФПУ, в котором погрешность регистрации времени обнаружения световых импульсов составляет 1 нс в динамическом диапазоне входных амплитуд преобразованных световых импульсов, равном 20. Вне этого диапазона погрешность может увеличиться в несколько раз. В этом ФПУ используется способ временной привязки к определенной части импульса, получивший название "следящего порога". Погрешность регистрации времени обнаружения световых импульсов в ФПУ с таким способом временной привязки тем меньше, чем меньше искажения преобразованных световых импульсов, что из-за большого динамического диапазона принимаемых световых мощностей, турбулентности слоев атмосферы, различной формы объектов получить невозможно, если не принимать специальных мер. Недостатками рассматриваемого ФПУ являются малая чувствительность (нет оптимизации на максимум отношения сигнал/шум) и работа в малом динамическом диапазоне входных световых мощностей, что вносит серьезные трудности при измерении расстояний до близких и удаленных объектов и ставит вопрос о возможности его использования при ухудшении метеорологической видимости.

В качестве прототипа выбрано ФПУ, используемое в ряде серийных локационных приборах. ФПУ обладает высокой чувствительностью (порог чувствительности 2•10^-7 Вт) и погрешностью регистрации времени обнаружения световых импульсов 15 нс в диапазоне световых мощностей от 2•10^-7 до 2•10^-2 Вт. В данном ФПУ максимизируется соотношение сигнал/шум, а для регистрации времени обнаружения световых импульсов используется способ временной привязки с "постоянным порогом", который осуществляет временную привязку к моменту пересечения постоянного порога U_оп с фронтом входного импульса. Единственный недостаток этого ФПУ большая погрешность регистрации времени обнаружения световых импульсов, что разрешает его использование только в локационных установках с невысокими требованиями к точности измерения настояний (5 м и более).

Задачей изобретения является уменьшение абсолютной погрешности регистрации времени обнаружения световых импульсов за счет многоступенчатой корректировки форм импульсов, которая исключает искажения, возникающие при прохождении световых импульсов через турбулентные слои атмосферы, при изменении метеорологической видимости, отражении от объектов различной формы, а также при прохождении через усиленный тракт ФПУ.

Задача решается за счет того, что в ФПУ, содержащее фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода и неинвертирующим выходом предварительного усилителя, а второй с входом предварительного усилителя, инвертирующий выход которого соединен с входом усилителя напряжения, причем выход усилителя напряжения соединен с неинвертирующим входом обнаружительного компаратора, инвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, дополнительно введены амплитудный детектор, дифференцирующий усилитель, линия задержки, корректирующее звено и измерительный компаратор, причем амплитудный детектор соединен с точкой соединения входа предварительного усилителя и фотодиода, вход дифференцирующего усилителя соединен с точкой соединения инвертирующего выхода предварительного усилителя и входа усилителя напряжения, а выход с входом линии задержки и входом корректирующего звена, причем один выход корректирующего звена соединен с выходом линии задержки и неинвертирующим входом измерительного компаратора, а другой выход с инвертирующим входом измерительного компаратора, стробируемый вход измерительного компаратора соединен с инвертирующим выходом обнаружительного компаратора.

Таким образом, предлагаемое ФПУ соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение предлагаемого с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить перечисленных признаков, отличающих его от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена блок-схема ФПУ; на фиг.2 эпюры, поясняющие работу ФПУ; на фиг.3 электрическая принципиальная схема.

Примером конкретного выполнения является схема, изображенная на фиг.3. ФПУ собрано на печатной плате, причем предварительный усилитель, амплитудный детектор, фотодиод с источником питания, усилитель напряжения и линия задержки выполнены в виде двух гибридно-интегральных микросхем. В ФПУ использовался способ временной привязки "следящего порога и компенсации времени нарастания фронта и длительности импульсов". ФПУ работает следующим образом. Импульс фототока выделяется на нагрузке в виде импульса напряжения отрицательной полярности (эп.1 фиг.2). Нагрузкой фотодиода 1 является входная RC-цепь предварительного усилителя 3, причем постоянная времени цепи выбрана из условия получения максимального отношения сигнал/шум таким образом, что форма выделенного ею импульса напряжения близка к треугольной, с длительностью импульса по основанию 2,75t_и и длительностью фронта t_и (до максимума амплитуды эп.2 фиг.2). Усиленный и проинвертированный предварительным усилителем 3 импульс приходит на входы широкополосного усилителя напряжения 4 и дифференцирующего усилителя 6. С усилителя напряжения 4 импульс, имеющий оптимальную форму, поступает на неинвертирующий вход обнаружительного компаратора 5 (эп. 2 фиг.2), инвертирующий вход которого находится под действием опорного напряжения U_оп. А с дифференцирующего усилителя 6 (эп.4 фиг.2) скорректированный импульс поступает на входы линии задержки 7 и корректирующего звена 8. Когда амплитуда импульса на неинвертирующем входе обнаружительного компаратора 5 превысит значение опорного напряжения U_оп, компаратор срабатывает и с его инвертирующего выхода на стробируемый вход измерительного компаратора 9 проходит импульс "строб" (эп.3 фиг.2), дающий разрешение компаратору 9 на сравнение импульсов, присутствующих к этому времени на его основных входах (эп. 5 фиг.2). Время сравнения определяется длительностью импульса "строб". Как указывалось выше, фронт регистрируемого импульса формируется входной цепью предварительного усилителя 3, а срез дифференцирующим усилителем 6, что делает его форму слабо зависящей от размытия зондирующего светового импульса, возникающего при прохождении трассы и отражении от объектов. Благодаря корректирующему звену 8, на входах измерительного компаратора 9 происходит перекрестное сложение задержанного и прямого импульсов. В результате происходит компенсация нелинейных искажений фронта и среза сравниваемых импульсов, возникающих при ограничении амплитудным детектором 2 больших амплитуд (более 0,5В) принимаемых импульсов. При такой многоступенчатой корректировке (ограничение, дифференцирование, корректирующее сложение) точка сравнения компаратора 9 задержанного и прямого импульсов изменяется в малом временном интервале при воздействии перечисленных дестабилизирующих факторов, а, следовательно, изменение положения среза выходного импульса с измерительного компаратора 9 на оси времени будет находиться в этом временном интервале (эп.6 фиг.2).

Испытания образца ФПУ проводились в температурном диапазоне от -40^oC до +55^oC для следующих параметров световых импульсов: 1) t_и=10 нс, фронт 3 нс, длина волны излучения 1,05 мкм, диапазон принимаемых световых мощностей от 2•10^-7 до 2•10^-2Вт; 2) t_и=15 нс, фронт 10 нс, длина волны излучения 1,05 мкм, диапазон принимаемых световых мощностей от 2•10^-7 до 2•10^-2Вт; и показали, что изменение положения среза выходного импульса ФПУ на временной оси не превысило значения ±0,5 нс в обоих случаях.

Таким образом, за счет того, что в ФПУ дополнительно были введены амплитудный детектор, дифференцирующий усилитель, линия задержки, корректирующее звено и измерительный компаратор, удалось уменьшить абсолютную погрешность регистрации времени обнаружения светового импульса более чем в 10 раз. Это дает возможность по одному замеру измерять дистанцию с точностью до 30 см.

Использование: изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике, в частности к конструированию приемников светового излучения. Сущность изобретения: устройство содержит фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода и неинвертирующим выходом предварительного усилителя, а второй - с входом предварительного усилителя, инвертирующий выход которого соединен с входом усилителя напряжения, причем выход усилителя напряжения соединен с неинвертирующим входом обнаружительного компаратора, инвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, амплитудный детектор, дифференцирующий усилитель, линию задержки, корректирующее звено и измерительный компаратор, причем амплитудный детектор соединен с точкой соединения входа предварительного усилителя и фотодиода, вход дифференцирующего усилителя соединен с точкой соединения инвертирующего выхода предварительного усилителя и входа усилителя напряжения, а выход - с входом линии задержки и входом корректирующего звена, причем один выход корректирующего звена соединен с выходом линии задержки и неинвертирующим входом измерительного компаратора, а другой выход с инвертирующим входом измерительного компаратора, стробируемый вход измерительного компаратора соединен с инвертирующим выходом обнаружительного компаратора. 3 ил.

Фотоприемное устройство, содержащее фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода и неинвертирующим выходом предварительного усилителя, а второй с входом предварительного усилителя, инвертирующий выход которого соединен с входом усилителя напряжения, причем выход усилителя напряжения соединен с неинвертирующим входом обнаружительного компаратора, инвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, отличающееся тем, что дополнительно введены амплитудный детектор, дифференцирующий усилитель, линия задержки, корректирующее звено и измерительный компаратор, причем амплитудный детектор соединен с точкой соединения входа предварительного усилителя и фотодиода, вход дифференцирующего усилителя соединен с точкой соединения инвертирующего выхода предварительного усилителя и входа усилителя напряжения, а выход с входом линии задержки и входом корректирующего звена, причем один выход корректирующего звена соединен с выходом линии задержки и неинвертирующим входом измерительного компаратора, а другой выход с инвертирующим входом измерительного компаратора, стробируемый вход измерительного компаратора соединен с инвертирующим выходом обнаружительного компаратора.