ПРИЕМНИК ИМПУЛЬСНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01J1/44 

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

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 τ относительно момента излучения лазерного зондирующего импульса. По этой задержке судят о дальности R до отражающего объекта по формуле R=сτ/2, где с - скорость света.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является приемник импульсного оптического излучения, содержащий фотоприемник (например, фотодиод) с источником смещения и нагрузкой и подключенный к нагрузке усилитель, выполненный на транзисторах [2].

При таком построении приемника имеет место погрешность временной привязки принятого сигнала к моменту излучения зондирующего импульса вследствие несовпадения по времени электрического сигнала на выходе усилителя относительно оптического сигнала, поступающего на вход фотоприемника. Это приводит к ошибкам определения временного интервала между исходным и принятым импульсами.

Задачей изобретения является обеспечение высокой точности временной привязки принятого сигнала за счет устранения указанных погрешностей.

Эта задача решается за счет того, что в известном приемнике импульсного оптического излучения, содержащем фотоприемник с источником смещения и нагрузкой, подключенной к усилителю, усилитель выполнен по схеме дифференциального каскада, левый вход которого подключен к нагрузке фотоприемника, а правый вход имеет возможность подключения к внешнему источнику сигнала, причем параллельно входам дифференциального каскада введены ключи, связанные с коммутатором, управляющим их замыканием и размыканием в противофазе.

На чертеже представлена схема приемника импульсного оптического излучения на базе дифференциального каскада.

Устройство состоит из фотоприемника 1 (фотодиода) с источником смещения 2. Нагрузкой фотодиода является сопротивление 3, подключенное к левому входу усилителя 4, выполненного в виде дифференциального каскада [3]. Параллельно входам дифференциального каскада установлены ключи 5 и 6, управляемые от коммутатора 7. К правому входу дифференциального каскада подключен датчик тока накачки импульсного полупроводникового лазера 8 с источником накачки 9. В качестве датчика тока накачки использовано сопротивление 10, включенное последовательно с полупроводниковым лазером. Рабочая точка дифференциального каскада обеспечивается напряжением смещения U_см, подаваемым на его входы. Питается дифференциальный каскад от источника U_пит.

Устройство работает следующим образом.

На фотоприемник 1 поступает принимаемый оптический сигнал, например сигнал лазерного излучателя, отраженный удаленным объектом. При разомкнутом ключе 5 и замкнутом ключе 6 на выходе усилителя 4 формируются сигналы от этого источника. Внешнее устройство (схема временной фиксации [4] с последующим измерителем временных интервалов или цифровой сигнальный процессор (ЦСП) с аналого-цифровым преобразователем на входе [5]) осуществляет временную привязку t_s таких сигналов к моменту t₀ формирования токового импульса накачки полупроводникового лазера. Момент t₀ фиксируется этими же устройствами в цикле временной привязки зондирующего сигнала при замыкании с помощью коммутатора 7 левого ключа 5 и размыкании ключа 6, когда на выходе дифференциального каскада 4 формируются импульсы с датчика тока накачки 10. Временной интервал τ=t_s-t₀ измеряется внешним устройством и используется в дальнейшем в процессе определения дальности до удаленного объекта. Подобная временная привязка производится перед каждым измерением дальности и позволяет исключить влияние дестабилизирующих факторов - старения элементов схемы, дрейфа питающих напряжений, температурного ухода параметров, влияния фонового освещения и т.п.

В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец фотоприемного устройства, испытанный в составе лазерного дальномера.

Проведенные исследования дальномера показали, что ошибка без такой привязки может достигать 5-20 наносекунд (как и в других существующих аналогичных приборах), а в случае временной привязки по предлагаемому способу снижается до 0,5 нс, то есть при измерении дальности ошибка снижается с 1-3 м до нескольких сантиметров.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность временной привязки принятого сигнала и, соответственно, высокую точность приборов, в которых используется такой приемник.

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.59 - прототип.

3. И.Г.Мамонкин «Усилительные устройства». - М.: «Связь», 1977. - С.268.

4. В.Г.Вильнер и др. Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеров. «Электроника. Наука, Технология, Бизнес». №3, 2008 г. - С.118.

5. В.Г.Вильнер и др. Способ измерения дальности. Патент РФ №2455615.

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и подобных устройств для измерения временных интервалов между оптическими импульсами. Приемник импульсного оптического излучения, содержащий фотоприемник с источником смещения и нагрузкой, подключенной к усилителю, усилитель выполнен по схеме дифференциального каскада, левый вход которого подключен к нагрузке фотоприемника, а правый вход имеет возможность подключения к внешнему источнику сигнала, причем параллельно входам дифференциального каскада введены ключи, связанные с коммутатором, управляющим их замыканием и размыканием в противофазе. Технический результат изобретения состоит в обеспечении высокой точности временной привязки принятого сигнала и, соответственно, высокой точности измерений с помощью приборов, в которых используется такой приемник. 1 ил.

Приемник импульсного оптического излучения, содержащий фотоприемник с источником смещения и нагрузкой, подключенной к усилителю, отличающийся тем, что усилитель выполнен по схеме дифференциального каскада, левый вход которого подключен к нагрузке фотоприемника, а правый вход имеет возможность подключения к внешнему источнику сигнала, причем параллельно входам дифференциального каскада введены ключи, связанные с коммутатором, управляющим их замыканием и размыканием в противофазе.