Лазерный импульсный дальномер Российский патент 2023 года по МПК G01C3/08 G01S17/02 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно, к аппаратуре лазерной дальнометрии.

Известен лазерный импульсный дальномер, содержащий лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения и измеритель временного интервала между зондирующим и отраженным целью импульсами, определяемого путем подсчета хронирующих импульсов, заполняющих измеряемый временной интервал [1].

В [2] рассмотрены особенности построения импульсных локаторов, содержащих лазерный передатчик и последовательно включенные фотодетектор, усилитель, пороговую схему и измеритель задержки.

Наибольшей дальностью действия, минимальными габаритами и возможностью работать в режиме накопления обладает лазерный импульсный дальномер [3] (прототип изобретения) с лавинным фотодиодом в качестве приемника отраженного сигнала, Этот дальномер содержит импульсный полупроводниковый лазер с оптической системой и схемой накачки лазера, лавинный фотодиод с оптической системой и управляемым источником питания, последовательно соединенный с усилителем фотодетектированных сигналов, на выходе которого включена пороговая схема (аналого-цифровой преобразователь) и измеритель задержки сигнала с индикатором дальности. Существует оптимальный режим лавинного умножения фотодиода, в котором отношение сигнал/шум максимально [4], благодаря чему обеспечивается максимальная дальность действия дальномера.

Недостатком этого технического решения является возможность возникновения в оптимальном лавинном режиме неконтролируемых микроплазменных пробоев (микроплазм) полупроводникового перехода фотодиода [5, 6]. При этом на выходе приемного тракта появляются импульсы, вызывающие ложные отсчеты дальности. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения напряжения смещения фотодиода. Увеличение амплитуды импульсных помех сопровождается увеличением их длительности и уменьшением скважности [5].

Задача изобретения - обеспечить работу в оптимальном лавинном режиме при наличии микроплазм без ухудшения обнаружительных характеристик лазерного дальномера.

Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном импульсном дальномере, содержащем импульсный лазер со схемой накачки лазера, лавинный фотодиод с источником смещения, последовательно связанный через усилитель принятых сигналов с пороговой схемой и измерителем задержки сигнала, между выходом усилителя и входом пороговой схемы введен ключ, а на выходе усилителя введены вторая и третья пороговые схемы, выходы пороговой схемы и третьей пороговой схемы соединены параллельно, а выход второй пороговой схемы подключен к запрещающему входу ключа, причем порог срабатывания пороговой схемы установлен пропорционально уровню флуктуационного шума на выходе усилителя в режиме оптимального лавинного усиления, а пороги срабатывания второй и третьей пороговых схем установлены соответственно минимальной и максимальной амплитуде микроплазменных импульсов на выходе усилителя в том же режиме.

Пороговые схемы могут быть снабжены схемами автоматической регулировки порога.

На фиг. 1 представлена блок-схема лазерного дальномера. На фиг. 2 - эпюры сигналов и помех, а также порогов I_пор1-I_пор3 в случае коротких (фиг. 2а) и длинных (фиг. 2б) микроплазм.

Дальномер содержит импульсный лазер 1, последовательно включенные лавинный фотодиод 2 со схемой смещения 3, усилитель 4, ключ 5, первую пороговую схему 6 и измеритель задержки сигнала 7. На выходе усилителя включены вторая 8 и третья 9 пороговые схемы. Выход схемы 9 соединен с выходом первой пороговой схемы 6, а выход второй пороговой схемы 8 подключен к запрещающему входу ключа 5. Управление работой дальномера осуществляется блоком управления и синхронизации 10. Источник смещения может быть снабжен схемой временной автоматической регулировки лавины (ВАРЛ) 11.

Дальномер работает следующим образом.

По команде с блока управления лазер 1 излучает в направлении цели короткий световой импульс. Одновременно запускается тактовый генератор и счетчик тактовых импульсов в составе измерителя задержки 7. Отраженный целью сигнал принимается лавинным фотодиодом 2, усиливается усилителем 4 и поступает на входы пороговых схем 6, 8, 9, причем на пороговую схему 6 сигнал поступает через открытый ключ 5. Если сигнал превышает порог срабатывания I_пор2 схемы 8, то ключ запирается, и на пороговую схему 6 сигнал не поступает. Если сигнал превышает порог I_пор3 третьей пороговой схемы 9, то с выхода схемы 9 он поступает непосредственно на вход измерителя задержки 7.

Благодаря такому построению дальномера блокируются все импульсы с амплитудой I_пор2<I<I_пор3 (фиг. 2) в их числе все импульсы микроплазм и часть сигнальных импульсов с амплитудой из диапазона ΔI₂₃ (такой сигнал обозначен пунктиром на фиг. 2). Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения на фотодиоде [5]. Вероятность потери сигнальных импульсов, попавших в интервал ΔI₂₃ тем меньше, чем меньше ширина этого интервала. Для обеспечения минимальной ширины межпорогового интервала ΔI₂₃ предварительно устанавливают оптимальный режим лавинного умножения, затем в этом режиме определяют минимальную I^м_мин и максимальную I^м_макс амплитуду микроплазм, после чего устанавливают пороги I_пор2 и I_пор3 с минимальным отклонением от соответственно I^м_мин и I^м_макс, так, чтобы на выходе ключа не было микроплазм. При таком порядке подготовки к измерениям вероятность попадания сигналов в интервал ΔI₂₃ близка к нулю, поскольку отношение , где D_I - амплитудный диапазон принимаемых сигналов. При повторных измерениях вероятность пропуска еще более уменьшается вследствие флуктуаций сигнала из-за случайных отклонений энергии и распределения зондирующего пучка в плоскости цели; изменений эффективной отражающей способности цели; флуктуаций прозрачности атмосферы; отклонения оси наведения зондирующего пучка. В результате воздействия этих факторов амплитуда отраженного сигнала «размывается», и вероятность его попадания в узкий интервал ΔI₂₃ становится пренебрежимо малой.

Схема смещения 3 обеспечивает установку режима смещения близко к оптимальному режиму без учета микроплазм, при котором соблюдается зависимость [4]

где М - коэффициент лавинного умножения;

М_опт - значение М, при котором отношение сигнал/шум [7] максимально;

I₀² - квадрат неумножаемого шумового тока на выходе фотодиода;

J_M²=2eI₁Δf;

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [7];

е - заряд электрона;

I₁ - первичный умножаемый ток фотодиода в безлавинном режиме.

Δf - полоса пропускания приемного тракта.

Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом [4]. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока:

где I₀² - квадрат неумножаемого шумового тока;

е - заряд электрона;

I₁ - первичный обратный ток фотодиода;

Δf - полоса пропускания приемного тракта до входа порогового устройства;

М - коэффициент лавинного умножения;

М^α - шум-фактор лавинного умножения [7];

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.

Квадрат W отношения шум/сигнал:

где J_m²=2eI₁Δf.

Условие нуля производной:

или

откуда

Как видно из графиков фиг 2. предлагаемое техническое решение эффективно подавляет «телеграфные» помехи, вызванные микроплазменными пробоями с малой длительностью микроплазм (фиг. 2а) и длинными микроплазмами (фиг. 2б). Поскольку микроплазмы аддитивно смешиваются с шумовым процессом, сигнальные импульсы накладываются на импульсы помех и, как видно из фиг. 2, не маскируются помехами, а выделяются на их фоне, причем сами помехи полностью подавляются.

Предлагаемая структура обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум при сохранении заданной вероятности ложных тревог - благодаря блокированию микроплазменных помех. При этом вероятность пропуска сигнала практически не увеличивается, поскольку сигнальные импульсы изолируются только при несовпадении с микроплазмой и при попадании амплитуды сигналов в узкий интервал между вторым и третьим порогами, пренебрежимо малый по сравнению с амплитудным диапазоном принимаемых сигналов.

Благодаря указанному построению дальномера обеспечивается решение поставленной задачи - работу в оптимальном лавинном режиме при наличии микроплазм без ухудшения обнаружительных характеристик лазерного дальномера.

Источники информации

1 В.А. Смирнов «Введение в оптическую радиоэлектронику». Изд. «Советское радио», Москва, 1973 г., с. 189.

2 В.А. Волохатюк и др. «Вопросы оптической локации». Под ред. Р.Р. Красовского. Изд. «Советское радио», М., 1971 г. - с. 176.

3 Патент РФ №2551700. Лазерный импульсный дальномер. - Прототип.

4 Патент РФ №2 750 443. Способ приема сигналов.

5 A.M. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007.

6 А.В. Верховцева. Статистическая теория нестационарных лавинно-пробойных процессов в кремниевых планарных фото диодных структурах. Диссертация на соискание ученой степени физико-математических наук, Москва, 2011 г.

7 Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9 - с. 59.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к аппаратуре лазерной дальнометрии. Лазерный импульсный дальномер содержит импульсный лазер со схемой накачки лазера, лавинный фотодиод с источником смещения, последовательно связанный через усилитель принятых сигналов с пороговой схемой и измерителем задержки сигнала, между выходом усилителя и входом пороговой схемы введен ключ, а на выходе усилителя введены вторая и третья пороговые схемы, выходы пороговой схемы и третьей пороговой схемы соединены параллельно, а выход второй пороговой схемы подключен к запрещающему входу ключа, причем порог срабатывания пороговой схемы установлен пропорционально уровню флуктуационного шума на выходе усилителя в режиме оптимального лавинного усиления, а пороги срабатывания второй и третьей пороговых схем установлены соответственно минимальной и максимальной амплитудам микроплазменных импульсов на выходе усилителя в том же режиме. Технический результат - блокировка микроплазменных помех. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерный импульсный дальномер, содержащий импульсный лазер со схемой накачки лазера, лавинный фотодиод с источником смещения, последовательно связанный через усилитель принятых сигналов с пороговой схемой и измерителем задержки сигнала, отличающийся тем, что между выходом усилителя и входом пороговой схемы введен ключ, а на выходе усилителя введены вторая и третья пороговые схемы, выходы пороговой схемы и третьей пороговой схемы соединены параллельно, а выход второй пороговой схемы подключен к запрещающему входу ключа, причем порог срабатывания пороговой схемы установлен пропорционально уровню флуктуационного шума на выходе усилителя в режиме оптимального лавинного усиления, а пороги срабатывания второй и третьей пороговых схем установлены соответственно минимальной и максимальной амплитудам микроплазменных импульсов на выходе усилителя в том же режиме.

2. Лазерный импульсный дальномер по п. 1, отличающийся тем, что пороговые схемы снабжены схемами автоматической регулировки порога.