Устройство для регистрации импульсных оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки Российский патент 2025 года по МПК G01J1/06 G01J11/00 

Изобретение относится к области импульсной фотометрии, к технике приема импульсного оптического излучения, в том числе для регистрации слабых оптических сигналов в условиях интенсивной фоновой засветки, и может быть использовано в геофизике при исследовании оптических явлений в атмосфере Земли, таких как грозовые разряды, болиды, а также в прикладных задачах регистрации оптического излучения техногенного характера на больших расстояниях.

Известен способ регистрации оптических сигналов фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) [1], предназначенный для регистрации слабых оптических сигналов ФЭУ в условиях сильных термоэмиссионных шумов, когда регистрируемый оптический сигнал фокусируется на малую часть фотокатода ФЭУ. Данный способ не работает в условиях интенсивной фоновой засветки, так как это приводит к выгоранию или анода или фотокатода ФЭУ.

Известен способ регистрации слабых оптических сигналов и устройство для его осуществления [2], заключающийся в том что, оптический сигнал на выходе фотоэмиссионного прибора подвергается амплитудной дискриминации с последующей временной селекцией. В устройство, содержащее фотоэмиссионный прибор, усилитель, счетчик, решающий блок, введены блок дискриминации и временной селекции. Данный способ не учитывает влияние фоновой засветки, создающей постоянную составляющую фототока, который в свою очередь создает дробовой шум, превосходящий по амплитуде одноэлектронные импульсы.

Известно устройство выделения слабых оптических сигналов [3], заключающийся в том, что для увеличения отношения сигнал/шум между выходом формирующей оптики с интерференционным фильтром и входом фотоприемника включен электрооптический преобразователь. Данный способ не применим для работы с оптическими сигналами в широком спектральном диапазоне, а применим только для регистрации оптических сигналов в узких спектральных линиях оптического лазера, в результате чего стало возможным применять электрооптический преобразователь, который при облучении фоновой засветкой дневного неба в широком спектральном диапазоне выходит из строя.

Известны способ и устройство регистрации импульсных оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки [4], заключающийся в том, что для увеличения отношения сигнал/шум за счет увеличения площади светочувствительной поверхности в качестве фотоприемника используют солнечную батарею (СБ), в выходном токе которой выделяют переменную составляющую, которую направляют на регистратор импульсных оптических сигналов.

Целью заявленного в прототипе способа является увеличение отношения сигнал/шум при регистрации слабых импульсных оптических сигналов на фоне интенсивной фоновой засветки.

Пусть фоновая засветка на входе фотоприемного устройства создает на его выходе фототок. Дисперсия дробового шума фототока описывается формулой Шоттки [5]

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

q - заряд электрона 1,6⋅10^-19 Кл;

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

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

Среднее значение тока фотоприемника, вызванного постоянной фоновой засветкой, рассчитывается по формуле:

где Е_фон - плотность светового потока, падающего на фотодетектор от фоновой засветки, [Вт⋅см^-2];

η - квантовая эффективность фотоприемника, [А/Вт];

S - площадь светочувствительной поверхности фотоприемника, [см²];

k - коэффициент усиления фотоэлектронного устройства.

Тогда из формул (1) и (2) получаем выражение для дробового шума, создаваемого фоновой засветкой:

Если на вход фотоприемника поступает оптический сигнал с плотностью светового потока Е_с, то на выходе фотоприемника будет ток, равный

Отношение сигнал/шум γ выражается зависимостью:

Тогда, формул (3) - (5) отношение сигнал/шум определяется выражением:

Как следует из выражения (6), максимальное отношение сигнал/шум может быть обеспечено увеличением площади светочувствительной поверхности СБ, применение которой является предметом изобретения прототипа.

Одновременно из формулы (6) следует, что увеличение отношения сигнал/шум можно достичь уменьшением фоновой засветки Е_фон. Солнечные батареи имеют поле зрения с телесным углом 2π стерадиан, что существенно увеличивают фоновую засветку при регистрации источников оптического излучения (ОИ), имеющих ограниченные угловые размеры (излучение грозовых разрядов, болидов и др.) на фоне равномерно распределенной в пространстве фоновой засветки. Таким образом, основным недостатком прототипа является регистрация солнечной батареей фонового ОИ из той части пространства, которая не содержит излучение импульсных оптических сигналов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение соотношения сигнал/шум при регистрации солнечными батареями слабых оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки путем уменьшения величины фоновой засветки.

Данная задача решается за счет того, что устройство регистрации слабых импульсных оптических сигналов при сильной фоновой засветке, выполненное по способу, заключающемуся в том, что в качестве фотодетектора используют солнечную батарею в выходном токе которой выделяет переменную составляющую, которую направляют на регистратор импульсных оптических сигналов, содержащее фотодетектор, усилитель и милливольтметр, отличающееся тем, что для обеспечения высокого отношения сигнал/шум на светочувствительную поверхность солнечной батареи дополнительно устанавливается устройство, ограничивающее поле зрения солнечной батареи до величины, соответствующей значению телесного угла источника импульсных оптических сигналов.

Технический результат изобретения состоит в том, что предлагаемое устройство обеспечивает регистрацию слабых оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки в заданном поле зрения, что позволяет уменьшить фоновую засветку СБ и как следствие увеличить соотношение сигнал/шум.

Технический результат в предлагаемом способе достигается установкой на светочувствительную поверхность СБ устройства, ограничивающего поле зрения СБ в виде бленды, состоящей из ячеек, разделенных перегородками.

Уменьшение телесного угла с 2 π стерадиан до 0,7 стерадиан позволяет увеличить отношение сигнал/шум почти в 2 раза.

Для примера на фиг. 1 приведена солнечная батарея, с установленной над ее поверхностью прямоугольной блендой с ячейками прямоугольной формы.

Разработанное авторами устройство представляет собой солнечную батарею 1 с установленным над светочувствительной поверхностью 2 устройством 3, ограничивающим поле зрения солнечной батареи в виде бленды, состоящей из ячеек, разделенных перегородками. Крепление устройства 3 к солнечной батарее 1 осуществляется к поверхности корпуса СБ (фиг. 1).

По сравнению с прототипом устройство позволяет ограничить поле зрения СБ и обеспечивает уменьшение фоновой засветки СБ без уменьшения потока ОИ на СБ от источника, что обеспечивает увеличение отношения сигнал/шум при регистрации слабых импульсных оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки.

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. Бусыгин В.П., Щиплецов М.В., Пузанов Ю.В., Черненко А.Е., Ковалевский К.П., Ковалевская О.И. Способ и устройство для регистрации импульсных оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки (варианты). - Патент РФ 2 801 617, 2021.

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

Изобретение относится к области импульсной фотометрии и касается устройства для регистрации импульсных оптических сигналов при сильной фоновой засветке. Устройство содержит используемую в качестве фотодетектора солнечную батарею, в выходном токе которой выделяют переменную составляющую, усилитель и милливольтметр. На светочувствительную поверхность солнечной батареи дополнительно установлено устройство, ограничивающее поле зрения солнечной батареи до величины, соответствующей значению телесного угла источника импульсных оптических сигналов. Технический результат заключается в увеличении соотношения сигнал/шум при регистрации солнечными батареями слабых оптических сигналов в условиях сильной фоновой засветки. 1 ил.

Устройство для регистрации импульсных оптических сигналов при сильной фоновой засветке, содержащее используемую в качестве фотодетектора солнечную батарею, в выходном токе которой выделяют переменную составляющую, усилитель и милливольтметр, отличающееся тем, что на светочувствительную поверхность солнечной батареи дополнительно установлено устройство, ограничивающее поле зрения солнечной батареи до величины, соответствующей значению телесного угла источника импульсных оптических сигналов.