Способ и устройство для регистрации импульсных оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки (варианты) Российский патент 2023 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к области оптической связи и регистрации импульсных световых сигналов с использованием фоточувствительных элементов в составе информационных оптических систем и может быть использовано для регистрации оптических сигналов в целях исследования оптических явлений, например, таких, как далекие молниевые вспышки, падение болидов и метеоритов и других явлений природного и техногенного характера.

Известен способ регистрации оптических сигналов фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) [1]. Указанный способ основан на том, что регистрируемый оптический сигнал фокусируют на малую центральную часть фотокатода с последующим сбором фотоэлектронов магнитным полем на первый динод ФЭУ. Недостатком указанного способа является невозможность его реализации в условиях интенсивной фоновой засветки, из-за которой может выгореть фотокатод ФЭУ.

Известен способ регистрации слабых световых сигналов и устройство для его осуществления [2]. Способ заключается в том, что световой сигнал на выходе фотоэмиссионного прибора подвергают амплитудной дискриминации с последующей временной селекцией. Устройство, кроме фотоэмиссионного прибора, содержит усилитель, счетчик импульсов, блок принятия решения, блок амплитудной дискриминации и временной селекции. Недостатком указанного способа является подверженность влиянию фоновой засветки, создающей постоянную составляющую электрического тока. От этого возникает большой дробовой шум, по амплитуде превышающий полезный сигнал.

Известно также устройство выделения слабых световых сигналов [3]. Принцип действия устройства состоит в том, что для увеличения соотношения сигнал/шум между выходом формирующей оптики с интерференционным светофильтром и входом фотодетектора помещен электрооптический преобразователь. Недостатком указанного устройства является невозможность работы со световыми сигналами в широком спектральном диапазоне. Другой недостаток указанного устройства заключается в том, что в условиях сильной фоновой засветки от дневного неба электрооптический преобразователь выходит из строя.

Известны способ и устройство для регистрации локального светового потока на световом фоне [4]. Суть способа в том, что для увеличения точности регистрации модулированного светового сигнала фотоэлектронным умножителем при изменении интенсивности светового фона величину шумовой составляющей от пространственного шума в выходном сигнале поддерживают максимальной путем регулирования коэффициента усиления ФЭУ. Целью изобретения [4] является повышение соотношения сигнал/шум за счет изменения коэффициента усиления ФЭУ, который используют как фотодетектор. Недостатком указанного способа и устройства является то обстоятельство, что при увеличении светового фона на выходе ФЭУ возрастают все виды шумов, включая и дробовые шумы. Для поддержания уровня шумов с максимальным увеличением светового фона увеличивают коэффициент усиления ФЭУ, что в условиях постоянного светового фона прямого или рассеянного солнечного излучения приведет к резкому увеличению постоянной составляющей анодного тока ФЭУ, что в свою очередь приведет к еще большему возрастанию дробового шума. Таким образом, процесс приобретает неустойчивый характер, вследствие чего произойдет «выгорание» анода ФЭУ, а при прямом солнечном излучении может привести к разрушению ФЭУ.

В качестве прототипа выбрано устройство «Светочувствительный датчик в виде пары кремниевый фотодиод - операционный усилитель» [5], содержащее кремниевый фотодиод, один выход которого подключен к внешнему источнику питания, а другой - к инвертирующему операционному усилителю, выход которого подключен к милливольтметру, причем усилитель имеет обратную связь в виде высокоомного сопротивления величиной от 1 до 5 МОм. Светочувствительный датчик предназначен для измерения световых потоков, а кремниевый фотодиод, используемый как фотодетектор, является генератором тока, который инвертирующим операционным усилителем преобразуются в измеряемое милливольтметром постоянное напряжение.

Недостатками прототипа является:

- невозможность неограниченного увеличения площади фоточувствительной поверхности фотодиода, используемого для регистрации и измерения потоков оптического излучения;

- невозможность измерения потоков оптического излучения при использования фотодиода в условиях интенсивной фоновой засветки, включая прямое солнечное излучение [17];

- невозможность использования милливольтметра для регистрации импульсных оптических сигналов;

- устройство в целом, предназначенное для измерения световых потоков, не обеспечивает регистрацию импульсных оптических сигналов на фоне интенсивной фоновой засветки.

Решаемая техническая проблема заключается в том, что в целом ряде прикладных задач возникает необходимость обнаружения рассеянного в атмосфере Земли оптического излучения от удаленных на большие расстояния источников импульсного оптического излучения. Необходимость увеличения радиуса зоны обнаружения и обеспечения круглосуточного режима работы требует обеспечения возможности регистрации слабых импульсных оптических сигналов на фоне интенсивной фоновой засветки включая прямое солнечное излучение.

Возможность регистрации слабых оптических сигналов на фоне интенсивной фоновой засветки характеризуется отношением сигнал/шум на выходе фотодетектора.

Известно [6,7], что отношение сигнал/шум на выходе фотодетектора зависит от величины дробового шума фототока, вызванного действием фоновой засветки. При наличии интенсивной фоновой засветки дробовой шум становится преобладающим над внутренними шумами полупроводникового фотодетектора.

Дисперсия тока дробового шума фотодетектора описывается формулой Шоттки (1):

где I_др - среднеквадратическое значение дробового шума тока, [А];

q - заряд электрона 1,6⋅10^-19 Кл;

I_фон - среднее значение тока фотодетектора, вызванного постоянной фоновой засветкой, [А];

Δƒ - полоса частот, в которой производится регистрация оптического излучения, [Гц].

Если квантовая эффективность фото детектора η, [А/Вт], плотность светового потока, падающего на фотодетектор от фоновой засветки Е_фон, [Вт⋅см^-2], и площадь светочувствительной поверхности фотодетектора S, [см²], то среднее значение тока фотодетектора, вызванного постоянной фоновой засветкой, рассчитывается по формуле:

Тогда из формул (1) и (2) получаем:

Отношение сигнал/шум γ выражается зависимостью:

где I_c=Е_с ⋅ η ⋅ S - ток оптического сигнала, Е_с - плотность светового потока оптического сигнала.

Тогда отношение сигнал/шум выражается:

Из выражения (5) следует, что отношение сигнал/шум пропорционально корню квадратному из площади светочувствительной поверхности. Следовательно, при неограниченном увеличении площади светочувствительной поверхности фотодетектора возможно неограниченное повышение отношения сигнал/шум на выходе фотодетектора, работающего в условиях интенсивной фоновой засветки, а, следовательно, возникает возможность увеличения радиуса зоны обнаружения рассеянного в атмосфере Земли оптического излучения от удаленных на большие расстояния источников импульсного оптического излучения и обеспечения круглосуточного режима работы.

Фотодетекторы с большой, практически неограниченной площадью светочувствительной поверхности, известны как солнечные батареи (СБ). В соответствии со своим назначением [8-16], СБ используют обычно как источники электрической энергии, преобразующие световую (солнечную) энергию в электрический ток для потребителей электроэнергии.

Авторам изобретения не известны способ и устройства применяющие СБ для увеличения отношения сигнал/шум при регистрации слабых импульсных оптических сигналов на фоне интенсивной фоновой засветки. Одной из причин отсутствия таких технических решений является использование СБ по назначению, т.е. для преобразования солнечной энергии в постоянный электрический ток. Однако, как установлено авторами, СБ способна регистрировать переменную составляющую приходящего на нее оптического излучения. Большое значение емкости СБ, обусловленное большой площадью светочувствительной поверхности, ограничивает частотный диапазон регистрируемых оптических сигналов. В связи с этим частотный диапазон СБ зависит от величины сопротивления нагрузки, к которой подключена СБ. Чем больше сопротивление нагрузки тем меньше значение верхней граничной частоты частотного диапазона СБ. Максимальное значение верхней граничной полосы частот достигается в режиме короткого замыкания СБ, который обеспечивает верхнюю граничную полосу частот СБ до 10 кГц, и линейность световой характеристики вплоть до значения входного светового потока Е_фон=10^-1 Вт/см², соответствующего прямому солнечному излучению.

Принимая во внимание способность СБ в непрерывном режиме работать в условиях интенсивной световой фоновой засветки, включая прямое солнечное излучение, и установленную авторами способность СБ регистрировать импульсные оптические сигналы, предлагается использовать СБ в новом качестве, т.е. использовать СБ как фотодетектор, предназначенный для повышения отношения сигнал/шум при регистрации импульсных оптических сигналов на фоне интенсивной фоновой засветки.

Авторами изобретения выполнены расчеты и проведены эксперименты по оценке возможности регистрации СБ слабых импульсных оптических сигналов на фоне естественной фоновой засветки.

По формуле (5) проведены расчеты и на фигуре 1 представлены зависимости отношения сигнал/шум γ от площади светочувствительной поверхности S при регистрации сигнала величиной Е_с и при величине фоновой засветке Е_ф. На графиках:

- сплошная линия - Е_с = 10^-9 Вт/см, Е_ф=10^-3 Вт/см²;

- штриховая линия - Е_с=10^-10 Вт/см, Е_ф=10^-3 Вт/см²;

- штрих-пунктирная линия - Е_с=10^-11 Вт/см², Е_ф=10^-3 Вт/см²;

- пунктирная линия - Е_с=10^-11 Вт/см², Е_ф=10^-6 Вт/см²;

На графике символом «*» отмечен результат экспериментальной регистрации рассеянного в атмосфере импульсного оптического сигнала в условиях реальной фоновой засветки Е_фон=10^-6 Вт/см². Регистрация производилась СБ (модель SIM30-12(5BB)) площадью светочувствительной поверхности S=3129 см². При этом был зарегистрирован оптический сигнал величиной Е_с=10^-11 Вт/см² и реализовано соотношение сигнал/шум γ = 3. Результаты эксперимента согласуются с теоретическими оценками возможности использования СБ для регистрации слабых импульсных оптических сигналов при интенсивной фоновой засветке.

Из результатов расчетов, подтвержденных экспериментально, видно, что, например, для регистрации импульсных оптических сигналов амплитудой светового потока Е_с=10^-11 Вт/см² при фоновой засветке 10^-3 Вт/см² (яркий солнечный день), необходимо применить фотодетектор площадью 10⁶ см² ((10×10) м), при этом ожидаемое отношение сигнал/шум составит γ=2. Регистрации импульсных оптических сигналов столь малых величин на фоне интенсивной солнечной засветки является беспрецедентной.

Применение СБ позволяет реализовывать такое фотоприемное устройство. Авторам не известны другие способы и технические решения, реализующие подобные возможности.

Технический результат изобретения состоит в том, что предлагаемые способ позволяют использовать СБ для регистрации слабых импульсных оптических сигналов, при этом используется возможность практически неограниченно увеличивать площадь светочувствительной поверхности, что позволяет СБ регистрировать беспрецедентно слабые импульсные оптические сигналы при интенсивной фоновой засветке.

Технический результат в предлагаемом способе достигается тем, что вместо обычных фотодетекторов (ФЭУ, фотосопротивления, фотодиоды) с ограниченной площадью светочувствительной поверхности и ограниченной возможностью длительно работать при интенсивной фоновой засветке появляется возможность использовать стандартные, выпускаемые промышленностью, солнечные батареи. При этом достигаются следующие основные преимущества:

1) возможность регистрации слабых импульсных оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки, с сохранением работоспособности при прямом солнечном излучении;

2) возможность практически неограниченно наращивать площадь светочувствительной поверхности для достижения заданного отношения сигнал/шум, используя, при необходимости, находящиеся в эксплуатации СБ без нарушения их функционирования по прямому назначению;

3) увеличение отношения сигнал/шум пропорционально увеличению площади светочувствительной поверхности.

Способ и устройство регистрации импульсных оптических сигналов на фоне интенсивной фоновой засветки отличается от прототипа тем, что для регистрации слабых оптических сигналов на фоне интенсивной фоновой засветки вместо кремниевого фотодиода предназначенного для измерения световых потоков, применена СБ с большой, практически неограниченной площадью, в токе на выходе СБ выделяют переменную составляющую, которую направляют на регистратор переменной составляющей электрического тока, в том числе, для регистрации импульсных оптических сигналов, при этом увеличение отношения сигнал/шум в условиях сильной фоновой засветки обеспечивают за счет увеличения площади светочувствительной поверхности солнечной батареи.

Предлагаемый способ позволяет создавать новые и использовать имеющиеся в эксплуатации солнечные электростанции для обнаружения слабых импульсных оптических сигналов путем съема переменной составляющей электрического тока без нарушения работы солнечных электростанций по прямому назначению (преобразование солнечной энергии в электрическую в целях электроснабжения потребителей электроэнергии).

Кроме того, солнечные батареи в отличие от обычных фотодетекторов способны на протяжении многих десятков лет находиться под воздействием прямого солнечного излучения, сохраняя при этом свои характеристики и способность регистрировать слабые световые сигналы [12, 13].

Целью настоящего изобретения является повышение отношения сигнал/шум при регистрации слабых оптических сигналов на фоне интенсивной фоновой засветки путем использования солнечных батарей по новому назначению, как фотодетекторов для регистрации импульсных оптических сигналов на фоне сильной засветки с возможностью неограниченно увеличивать площадь светочувствительной поверхности, что обеспечивает неограниченное повышение соотношения сигнал/шум.

Авторами предлагаются устройства регистрации импульсных оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки с помощью фото детектора, выполненные способом по пункту 1.

Схемы устройств представлены на фиг.2, где обозначены: 1 -оптический сигнал; 2 - солнечная батарея; 3 - операционный усилитель; 4 -разделительный конденсатор; 5 - регистратор; 6 - трансформатор напряжения; 7 - трансформатор тока, 8 - низкоомный резистор.

Устройства работают следующим образом. Суперпозиция постоянной и переменной составляющей оптического сигнала 1, поступает на светочувствительную поверхность солнечной батареи 2, в которой световой поток преобразуется в электрический ток. Для обеспечения режима короткого замыкания электрического тока СБ используют преобразователь ток-напряжение, представляющий собой инвертирующий операционный усилитель 3 (фиг. 2а), или низкоомный резистор 8 (фиг. 2б), или первичную обмотку трансформатора напряжения 6 (фиг. 2в), или короткозамкнутую цепь трансформатора тока 7 (пояс Роговского) (фиг. 2г). Для выделения переменной составляющей оптического сигнала применены:

- конденсатор 4, подсоединенный к выходу операционного усилителя (фиг. 2а), или к низкоомному резистору 8 (фиг. 2б), выход которого подсоединен к регистратору 5;

- трансформатор напряжения 6 (фиг. 2в) или трансформатор тока 7 (фиг. 2г), подсоединенные к выходу СБ 2, выход которых подсоединен к регистратору 5.

Каждый из вариантов устройства имеет свои преимущества. К таким преимуществам можно отнести простоту реализации, достижение необходимого соотношения сигнал/шум, обеспечение желательного диапазона входных световых потоков и амплитудно-частотной характеристики, а также выделение переменной составляющей выходного тока СБ для регистрации импульсных оптических сигналов без нарушения электроснабжения потребителей электроэнергии солнечных электростанций.

Источники информации

1. Бережинский Л.И., Валак М.Я. Способ регистрации световых сигналов фотоэлектронным усилителем. - Авторское свидетельство СССР 391413, 1970 г.

2. Румянцев К.Е., Суховатый А.Н., Хайров И.Е. Способ регистрации слабых оптических сигналов. - Патент РФ №2 190 196, 2002 г.

3. Миценко И.Д., Ильиных С.П., Батищев А.А. Устройство выделения слабых оптических сигналов. - Патент РФ №2 190 832, 2002 г.

4. Замора Т.Е., Маринец В.П., Осыка Б.В. Способ регистрации локального светового потока на световом фоне. - Авторское свидетельство СССР 550 537, 1977 г.

5. Вендланд П.Х. Светочувствительный датчик в виде пары кремниевый фотодиод - операционный усилитель.- Электроника, 1971, т. 44, №11, с. 30.

6. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы - М.: «Сов. радио», 1971, глава 2, раздел 2.2.

7. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов - М.: «Сов. радио», 1971.

8. Глиберман А.Я., Зайцев А.К. Кремниевые солнечные батареи - Москва-Ленинград, 1961.

9. Солнечные батареи. - Каталог фирмы «Формула Солнца Solar-e.ru», 2021.

10. Байере Т. 20 конструкций с солнечными элементами. - М.: «Мир», 1988.

11. Лифшиц М.В. Способ энергетического обеспечения летательного аппарата при помощи солнечных батарей, использующих рассеянный и отраженный от подстилающей поверхности свет и летательный аппарат, реализующий способ. - Патент РФ №2672310, 2017 г.

12. Галущак B.C., Петренко С.А. Способ генерации переменного тока солнечными батареями. - Патент РФ №2699242, 2019 г.

13. Платонов В.И., Стежков В.М., Рулев Д.Н. Способ управления положением солнечных батарей КА и система для его осуществления. - Патент РФ №2340518, 2006 г.

14. Хейнз Ланс П. Устройство на солнечных батареях. - Патент РФ №2503120, 2008 г.

15. Янчур С.В., Дрондин А.В., Каленков Г.С, Подсосный В.А. Способ исследования пространственного распределения характеристик восприимчивости фотоэлектрических преобразователей в составе солнечных батарей к оптическому излучению. - Патент РФ №2013145, 2013 г.

16. Тюхов И.И., Рауюв А.Х. Лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик солнечных элементов и батареи солнечных элементов. - Патент РФ №111 314, 2011 г.

17. Кремниевые фотодиоды ФД-7К. - Технические условия АГЦЗ, 368.021ТУ.

Изобретение относится к области оптической связи и регистрации импульсных оптических сигналов и касается способа регистрации световых импульсных сигналов в условиях сильной фоновой засветки. Способ заключается в том, что импульсный оптический сигнал направляют на фотодетектор, в качестве которого используют солнечную батарею, и преобразуют в электрический ток. В выходном токе солнечной батареи выделяют переменную составляющую, которую направляют на регистратор импульсных оптических сигналов. При этом увеличение отношения сигнал/шум в условиях сильной фоновой засветки обеспечивают за счет увеличения площади светочувствительной поверхности солнечной батареи. Технический результат заключается в обеспечении возможности регистрации слабых импульсных оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки, с сохранением работоспособности при прямом солнечном излучении. 5 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регистрации световых импульсных сигналов в условиях сильной фоновой засветки, заключающийся в том, что импульсный оптический сигнал направляют на фотодетектор и преобразуют в электрический ток, отличающийся тем, что в качестве фотодетектора используют солнечную батарею, в выходном токе которой выделяют переменную составляющую, которую направляют на регистратор импульсных оптических сигналов, при этом увеличение отношения сигнал/шум в условиях сильной фоновой засветки обеспечивают за счет увеличения площади светочувствительной поверхности солнечной батареи.

2. Устройство для регистрации световых импульсных сигналов в условиях сильной фоновой засветки, выполненное для осуществления способа по п. 1, содержащее фотодетектор, отличающееся тем, что в качестве фотодетектора используют солнечную батарею, выходной ток которой направляют на инвертирующий операционный усилитель, подключенный к разделительному конденсатору, который подключен к регистратору импульсных оптических сигналов.

3. Устройство для регистрации импульсных оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки, выполненное для осуществления способа по п. 1, содержащее фотодетектор, отличающееся тем, что в качестве фотодетектора используют солнечную батарею, выходной ток которой направляют на низкоомный резистор, подключенный к разделительному конденсатору, который подключен к регистратору импульсных оптических сигналов.

4. Устройство для регистрации импульсных оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки, выполненное для осуществления способа по п. 1, содержащее фотодетектор, отличающееся тем, что в качестве фотодетектора используют солнечную батарею, а в цепь выходного тока солнечной батареи включена первичная обмотка трансформатора напряжения, вторичная обмотка которого подключена к регистратору импульсных оптических сигналов.

5. Устройство для регистрации световых импульсных сигналов в условиях сильной фоновой засветки, выполненное для осуществления способа по п. 1, содержащее фотодетектор, отличающееся тем, что в качестве фотодетектора используют солнечную батарею, а в цепь выходного тока солнечной батареи подключен трансформатор тока, обмотка которого подключена к регистратору импульсных оптических сигналов.