Приемное устройство лазерного дальномера Российский патент 2021 года по МПК G01C3/08 G01S17/02 G01J1/44 

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 для временной привязки электрических импульсов с целью определения их задержки t₃ относительно момента излучения лазерного зондирующего импульса. По этой задержке судят о дальности R до отражающего объекта по формуле R=с tз/2, где с - скорость света. Подобным образом построены приемники импульсного излучения [2-3], содержащие фоточувствительный элемент и схему обработки сигнала. Указанные устройства имеют сравнительно 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 приемное устройство лазерного дальномера, содержащее последовательно включенные фотоприемник и устройство временной привязки, состоящее из последовательно соединенных дифференцирующего звена и нуль-компаратора, а также схемы совпадений, подключенной к выходам нуль-компаратора и фотоприемника [5].

Это устройство повышает точность временной фиксации сигналов, однако при сильных перегрузках имеется остаточная погрешность, затрудняющая использование этого приемного устройства в прецизионной аппаратуре.

Задачей изобретения является обеспечение высокой точности временной фиксации принимаемого сигнала в предельно широком динамическом диапазоне.

Эта задача решается за счет того, что в известном приемном устройстве лазерного дальномера, содержащем последовательно включенные фотоприемник и устройство временной привязки, состоящее из последовательно соединенных дифференцирующего звена с постоянной времени τ_дз и нуль-компаратора, а также схему совпадений, подключенную к выходам нуль-компаратора и фотоприемника, введен второй фотоприемник с вторым дифференцирующим звеном, имеющим такую же постоянную времени τ_дз, между выходами дифференцирующих звеньев и входом нуль-компаратора введен коммутатор, на выходе первого дифференцирующего звена введено пороговое устройство, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, перед первым и вторым фотоприемниками установлены оптические системы, фокусирующие принимаемое излучение на их чувствительные площадки с коэффициентами передачи оптических систем относительно входной энергетической освещенности соответственно K₁ и K₂, причем, имеет место соотношение K₁⋅ϕ₁=K⋅K₂⋅ϕ₂, , где ϕ₁ и ϕ₂ - соответственно вольтовая чувствительность первого и второго фотоприемников, приведенная к выходам первого и второго усилителей, К=(0,8-0,99) D, D - линейный динамический диапазон первого фотоприемника с первым усилителем.

Оптическая система первого фотоприемника может быть выполнена в виде объектива, в фокусе которого находится чувствительная площадка фотоприемника.

Оптическая система второго фотоприемника может быть выполнена в виде ответвителя части светового пучка из потока излучения, направленного в первый фотоприемник.

Ответвитель может быть выполнен из отрезка световода, один из концов которого направлен в сторону входного отверстия объектива, а второй - в сторону второго фотоприемника.

На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема приемного устройства. На фиг. 2 приведена оптическая схема с ответвителем в виде отрезка световода. Фиг. 3 иллюстрирует форму сигналов U(t) на выходе усилителей (фиг 3а) и U'(t) на выходе дифференцирующих звеньев (фиг. 3б).

Приемное устройство лазерного дальномера (фиг. 1) состоит из первого фотоприемника, включающего фоточувствительный элемент 1 с первым усилителем 2, второго фотоприемника, включающего фоточувствительный элемент 3 с вторым усилителем 4, дифференцирующих звеньев 5 и 6, включенных на выходах усилителей, коммутатора 7, ко входам которого подключены выходы дифференцирующих звеньев 5 и 6. Выход коммутатора связан со входом нуль-компаратора 8, на выходе которого включена схема совпадений 9, вторым своим входом связанная с выходом первого усилителя 2. Выход схемы совпадений является выходом системы. На выходе первого дифференцирующего звена 7 введено пороговое устройство 10, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора 7.

Часть светового потока, поступающего на первый фоточувствительный элемент 1 ответвляется отрезком световода 11 на второй фоточувствительный элемент 3 (фиг. 2). Приемное устройство размещено в корпусе 12 с оптическим окном 13, за которым установлены фоточувствительные элементы 1 и 3. Световой поток, поступающий на первый фоточувствительный элемент 1, собирается объективом 14 с эффективным диаметром D₀.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии коммутатор 7 открыт для сигналов с выхода дифференцирующего звена 5. Если эти сигналы находятся в пределах линейного диапазона, то нуль-компаратор 8 фиксирует положение их максимума в один и тот же момент времени t_m независимо от амплитуды (фиг. 3а). Отклик дифференцирующего звена на сигналы максимальной амплитуды U_1max в линейном диапазоне превышает уровень U_пор срабатывания порогового устройства 10, вызывая тем самым, подачу на управляющий вход коммутатора 7 переключающего сигнала. При этом коммутатор закрывается для сигнала с дифференцирующего звена 5 и открывается для сигнала с фоточувствительного элемента 3, усилителя 4 и дифференцирующего звена 6. Вследствие того, что реакция дифференцирующего звена U'_max (фиг. 3б) опережает по времени импульс U_1max (фиг. 3б), срабатывания порогового устройства 10 происходят в моменты времени от и на выход коммутатора проходит импульс

U2 от фоточувствительного элемента 3, имеющий значительно меньшую амплитуду, лежащую в линейном диапазоне, благодаря чему временное положение входного сигнала фиксируется по-прежнему в момент времени t_m в практически неограниченном амплитудном диапазоне входных сигналов.

Коэффициент передачи ϕ₁ первого фотоприемника, включающего фоточувствительный элемент 1 с чувствительностью S₁ и усилитель 2 с коэффициентом усиления k₁

Коэффициент передачи ϕ₂ второго фотоприемника, включающего фоточувствительный элемент 3 с чувствительностью S₂ и усилитель 4 с коэффициентом усиления k₂

Уровень сигналов U₁ и U₂ на выходах усилителей 2 и 4 первого и второго фотоприемников

Отношение - коэффициенты передачи оптических систем первого и второго фотоприемников, должно быть не более линейного динамического диапазона D первого канала - в противном случае возможен «провал», когда первый фотоприемник уже отключен коммутатором, а усиления второго фотоприемника еще недостаточно для уверенного приема. Линейный динамический диапазон D принимаемых сигналов снизу ограничен шумами (порядка 0,1-1 мВ), а сверху - уровнем ограничения (1-10 В).

Пример 1

S₁=4 отн. ед.; S₂=0,4 отн. ед.; k₁=k₂=1 отн. ед. D=10⁴.

ϕ₁=10 ϕ₂.

K=0,9D=910³.

Откуда

где D₀ и D_d - эффективные диаметры оптических систем первого и второго фотоприемников.

Пример 2

откуда

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

Проведенные исследования подтвердили выполнение заданных технических требований во всех заданных условиях эксплуатации.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает высокую точность временной фиксации принимаемого сигнала в предельно широком динамическом диапазоне.

Источники информации

1. В.А. Волохатюк и др. "Вопросы оптической локации". - М: Советское радио, М., 1971. - c. 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. Приемное устройство лазерного дальномера. Патент РФ №2341770 по заявке на изобретение №2007122012 от 15 июня 2007 г. - прототип.

Изобретение относится к лазерной технике, к аппаратуре приема лазерного излучения, преимущественно в лазерных дальномерах. Технический результат изобретения состоит в обеспечении высокой точности временной фиксации принимаемого сигнала в предельно широком динамическом диапазоне. В приемное устройство лазерного дальномера, содержащее последовательно включенные фотоприемник и устройство временной привязки, состоящее из последовательно соединенных дифференцирующего звена с постоянной времени и нуль-компаратора, а также схему совпадений, подключенную к выходам нуль-компаратора и фотоприемника, введен второй фотоприемник с вторым дифференцирующим звеном, имеющим такую же постоянную времени, между выходами дифференцирующих звеньев и входом нуль-компаратора введен коммутатор, на выходе первого дифференцирующего звена введено пороговое устройство, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, перед первым и вторым фотоприемниками установлены оптические системы, фокусирующие принимаемое излучение на их чувствительные площадки с коэффициентами передачи оптических систем относительно входной энергетической освещенности. Оптическая система второго фотоприемника может быть выполнена в виде ответвителя части светового пучка из потока излучения, направленного в первый фотоприемник. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Приемное устройство лазерного дальномера, содержащее последовательно включенные фотоприемник и устройство временной привязки, состоящее из последовательно соединенных дифференцирующего звена с постоянной времени τ_дз и нуль-компаратора, а также схему совпадений, подключенную к выходам нуль-компаратора и фотоприемника, отличающееся тем, что введен второй фотоприемник с вторым дифференцирующим звеном, имеющим такую же постоянную времени τ_дз, между выходами дифференцирующих звеньев и входом нуль-компаратора введен коммутатор, на выходе первого дифференцирующего звена введено пороговое устройство, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, перед первым и вторым фотоприемниками установлены оптические системы, фокусирующие принимаемое излучение на их чувствительные площадки с коэффициентами передачи оптических систем относительно входной энергетической освещенности соответственно K₁ и K₂, причем имеет место соотношение K₁⋅ϕ₁=K⋅K₂⋅ϕ₂, где ϕ₁ и ϕ₂ - соответственно вольтовая чувствительность первого и второго фотоприемников, приведенная к выходам первого и второго усилителей, К=(0,8-0,99) D, где D - линейный динамический диапазон первого фотоприемника с первым усилителем.

2. Приемное устройство лазерного дальномера по п. 1, отличающееся тем, что оптическая система первого фотоприемника выполнена в виде объектива, в фокусе которого находится чувствительная площадка фотоприемника.

3. Приемное устройство лазерного дальномера по п. 1, отличающееся тем, что оптическая система второго фотоприемника выполнена в виде ответвителя части светового пучка из потока излучения, направленного в первый фотоприемник.

4. Приемное устройство лазерного дальномера по п. 3, отличающееся тем, что ответвитель выполнен из отрезка световода, один из концов которого направлен в сторону входного отверстия объектива, а второй - в сторону второго фотоприемника.