Способ приема оптических сигналов Советский патент 1991 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к оптико- физическим измерениям и может быть использовано для приема и обработки оптических сигналов при исследованиях сред оптическими методами, в оптической локации, при контроле уровня аэрозольных загрязнений и т.д.

Цель изобретения - повышение точности измерений, расширение амплитудного диапазона, повышение фоновой устойчивости.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства для реализации способа; на фиг„2 - пример упрощения аппаратурной реализации способа.

Устройство содержит приемоусили- тельный блок 1, блоки 2-4 стробирования и весовой обработки, блок 5 управления, суммирующий усилитель 6, оконечное устройство 7 о

Приемоусилительный блок J включает в себя фотоприемннк 8, связанный с усилительным каскадом 9, который, в свою очередь, связан с усилительным каскадом 10. Сигналы с выхода блока 10 и выходов промежуточных каскадов 9 и 8 параллельно по- даются на входы блоков 2-4 строб иро- вания и весовой обработки соответственно.

Выходы с блоков 2-4 связаны с входами суммирующего усилителя 6, выход которого соединен с одним информационным входом оконечного уст%

С0 00 О СП

3

ройства 7, другие входы которого связаны с выходами блока 5 управления.

Устройство работает следующим образом.

Оптический сигнал поступает на вход приемоусилительного блока 1, электрические сигналы с выходов разных каскадов которого подаются на входы блоков 2-4 стробирования и весовой обработки, выходные сигналы которых суммируются в суммирующем усилителе 6.

Выходные сигналы, блоков 2-4 по- даются в усилитель 6 в непересекающиеся интервалы времени и могут независимо регулироваться по амплитуд Как стробирование, так и регулирова

Слабые сигналы таким образом не

в шумах, а сильные - не пре утонут

терпят нелинейных искажений при насыщении,,

Таким образом, при многокаскадном усилении принимаемых сигналов удается по сравнению с прототипом повысить точность измерений и расширить амплитудный диапазон входных сигналов, измеряемых с заданной точностью.

Поскольку обсуждаются такие ситуации, когда заранее известен (хотя бы приблизительно) доминирующий временной закон изменения принимаемых сигналов (например, затухаяие принятого сигнала пропорционально квадрату времени (дальности)), то формирование временной регулировки усиления с

Изобретение относится к оптико- физическим измерениям и может быть использовано для приема и обработки оптических сигналов при исследованиях сред оптическими методами, в оптической локации, при Контроле уровня аэрозольных загрязнений и т.д. Целью изобретения является повышение точности измерений, расширение амплитудного диапазона, а также повышение фоновой устойчивости. Способ приема оптических сигналов включает преобразование оптических сигналов в электрические и усиление с временной регулировкой, причем усиление осуществляют многокаскадно , независимо и без пересечения во времени стробируют сигналы с выходов различных каскадов и взвешенно их суммируют. С целью упрощения аппаратурной реализации многокаскадное усиление, независимое и без пересечения во времени стробирование и взвешенное суммирование осуществляют путем фотоэлектронного умножения, цифроаналогового преобразования н гуммирования,, 2 з„п. ф-лы, 2 нл0

ние усиления в блоках 2-4 осуществля- 2Q повышенной точностью (поскольку в

ется по управляющим сигналам, поступающим из блока 5 управления. На оконечное устройство 7 с суммирующего усилителя 6 поступает, таким образом, взвешенная сумма сигналов с выходов разных каскадов приемоусилительного блока 1 в непересекающиеся интервалы времени.

Поскольку стробы с блока 5 управления, отпирающие блоки 2-4, не пересекаются во времени, то на выходе суммирующего усилителя 6 формируется сигнал, амплитуда которого в каждый момент времени соответствует заранее выбранному усилению (с учетом усиления как в регулируемых, так и в нерегулируемых каскадах).

Так как коэффициенты усиления в любые моменты времени установлены заранее и известы, то с учетом сигналов из блока 5 управления при последующей обработке легко восстановить амплитудно-временные соотношения измеряемого сигнала (учитывая также известное заранее соотношение между усилением последовательно включенных каскадов).

При реализации способа удается повысить точность измерения как слабых, так и сильных сигналов, обрабатывая первые из них в канапе с максимальным усилением (используя наиболее удаленные от фотодетек Гора каскады

25

30

произвольном интервале времени можно задать произвольное усиление из боле широкого, чем в прототипе, амплитуд ного диапазона или в том же диапазоне с более высокой точностью) позволяет достичь повышение- точности измерения о

Конкретизировать способ можно, н пример, следующим образом

В указанном способе реализацию многокаскадного усиления, независим го и без пересечения во времени стр бирования и взвешенного суммировани можно осуществить путем фотоэлектро ного умножения, цифроаналогового пр образования сигналов с выходов разны каскадов и их последующего суммирования,,

Устройство, реализующее более простой способ приема оптических си налов, показано на фиг.2 и содержит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 11 выходные сигналы которого снимаются с промежуточных диодов и анода; 45 цифроаналоговые преобразователи (ЦАП 12-14, блок 15 управления, суммирующий усилитель 16, оконечное устройс во 17, блок 18-20 coBifafleHHH, весовы сопротивления 21-23, аналоговые ключ 24-29, инверторы 30-32, резистор 33 обратной связи, операционный усилите 34, задатчик 35 кодов усиления, шиф ритор 36, задатчик 37 номера канала многорежимные; буферные регистры 3835

40

50

блока I и - при необходимости - боль- 55 40,. счетчик 41 импульсов, демультишое значение кода усиления, подаваемое из блока 5 управления, а вторые - с минимальным усилением соответственно .

плексор 42, Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 43 и 44, аналоговый делитель Л5,. регистратор 46 инвертор 47.

5

0

произвольном интервале времени можно задать произвольное усиление из более широкого, чем в прототипе, амплитудного диапазона или в том же диапазоне с более высокой точностью) позволяет достичь повышение- точности измерения о

Конкретизировать способ можно, например, следующим образом

В указанном способе реализацию многокаскадного усиления, независимого и без пересечения во времени стробирования и взвешенного суммирования можно осуществить путем фотоэлектронного умножения, цифроаналогового преобразования сигналов с выходов разных каскадов и их последующего суммирования,,

Устройство, реализующее более простой способ приема оптических сигналов, показано на фиг.2 и содержит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 11, выходные сигналы которого снимаются с промежуточных диодов и анода; 5 цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 12-14, блок 15 управления, суммирующий усилитель 16, оконечное устройство 17, блок 18-20 coBifafleHHH, весовые сопротивления 21-23, аналоговые ключи 24-29, инверторы 30-32, резистор 33 обратной связи, операционный усилитель 34, задатчик 35 кодов усиления, шиф ритор 36, задатчик 37 номера канала, многорежимные; буферные регистры 385

0

0

40,. счетчик 41 импульсов, демультиплексор 42, Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 43 и 44, аналоговый делитель Л5,. регистратор 46 инвертор 47.

516493t)5

Каждый из ЦАП 12-14 включяет в себя весовые сопротивления 21-23, на- -,i- .« « Бо

пример R/ 2

R

оо

где

R - выбирается заранее, одни выводы которых соединены между собой, а другие - соединены с ключами 24- 25, 26-27, 28-29, соответственно. Выходы ключей 25, 27 и 29 соединены между собой и инвертирующим входом операционного усилителя 34, а также с одним выводом резистора 33 Roc обратной связи, другой вывод которого соединен с выходом операционного усилителя, являющимся выходом ЦАП 12 Выходы ключей 24, 26, 28 соединены с Землей. Управляющие входы ключей 24, 26, 28 при помощи блока 18 совпадения связаны непосредственно с выходами блока 15 управления, а ключей 25, 27, 29 - через инверторы 30-32.

Выходы ЦАП 12-14 связаны с входами суммирующего усилителя 16, выход которого соединен с одним входом оконечного устройства 17 другие входы которого связаны с выходами блока управления„

Блок 15 управления включает в себя задатчик 35 кода, выходы которого соединены с соответствующими входами шифратора 36, выходы которого с помощью шины соединены с информационными входами многорежимных буферных регистров (МБР) 38-40 Выходы задат чика 37 номера канала соединены с входами расширения записи МБР 38-40. Выход внешнего генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом счетчика 41, выходы которого при по- .мощи шины связаны с входами демуль- типлексора 42„ Выходы блока 42 соединены с входами разрешения считывания МБР 38-40 соответственно, а также с входами-управления ЦАП 41, вход подключения опорного напряжения которого соединен с выходом ЦАП 43, входы управления которого связаны с выходами МБР 38-40, объединенных в одну шину

Один вход делительного устройства 45 соединен с выходом суммирующего усилителя 16, другой - с выходом ЦАП 44, а выход делителя 45 соединен с сигнальным входом регистратора 46, вход синхронизации которого соединен с выходом счетчика 41 о Сброс счетчика 41 осуществляется внешним сигналом, приходящим перед счетными импульсами.

Сигналы на выходах блока I5 управ- ления формируются таким образом. Заранее, до приема полезных оптических сигналов с помощью задатчика 35 кодов, построенном на галетном переключателе, набирается число, соответ-

Q ствующее выбранному усилению

ЦАП 12, и подается на шифратор 36. С его выхода код усиления по шине поступает на информационные входы МБР 38-40. Задатчик 37 номера кана5 ла при нажатии соответствующей этому каналу кнопки формирует импульс разрешения записи только на линии, связывающей его с входом разрешения записи МБР 38 о

0 Для осуществления приема и обработки оптического сигнала внешний синхронизатор вырабатывает импульсы, запускающие счетчик 41. Выходной код счетчика 41 управляет работой демуль5 типлексора 42, который формирует импульс считывания в каждый момент времени только на одном своем выходе, -в данном случае - связанном с входом разрешения считывания МБР 38. После

0 этого с выхода МБР 38 по общей информационной шине через блок 18 совпадения на ЦАП 2 при наличии импульса разрешения с блока 42 поступает цифровой код, соответствующий заданному

с усилению (весу) этого блока и заданному временному интервалу.

Выходы МБР 38-40 объединены в общую шину, по которой подается управт ляющий код на оконечное устройство

0 17. Одним из многих возможностей его реализации может быть узел восстановления амплитудно-временных соотношений входного оптического сигнала (блоки 43-45) и регистратор. Тогда

5 код от МБР 38 по общей шине подается на ЦАП 43, сигнал с выхода которого подан на вход подачи опорного напряжения ЦАП 44. На управляющие цифровые входы ЦАП 44 поданы сигналы с выхо0 да демультнплексора 42, весовые резисторы ЦАП 44 выбираются обратно пропорционально номинальному усилению приемо-усилительного блока при съеме с разных каскадов, а с выхода

5 блока 44 на блок 45 деления поступает аналоговый сигнал, амплитуда которого в каждом временном интервале пропорциональна результирующему усилению на всем тракте от фогоприемника до выхода блока стробирования и весовой обработки.

В блоке 45 деления принятый и подвергнутый заданной временной регули- с ровке усиления сигнал, поступающий из суммирующего усилителя 16, делится на сигнал, который приходит из блока 44. На регистратор 46 поступает восстановленный сигнал, амплитуда ко- |Q торого пропорциональна входному оптическому. На вход синхронизации регистратора поступает цифровой код с выхода счетчика 41, обеспечивающий стыковку принятых сигналов с времен- 15 ной шкалой.

Устройство работает следующим, образом.

ФЭУ - это один из частных случаев системы фотоприемник + многокаскад- 20 ный усилитель, в который с помощью динодной системы осуществляется внутреннее многокаскадное усиление принятого и преобразованного в электрический оптического сигнала. Сиг- налы с выходов его промежуточных динодов подаются на ЦАП 12-14. Внутренняя организация блоков 12- 14 - классический ЦАП, с тем лишь отличием, что на вход подачи опорно- 30 го напряжения Еоп подается сигнал с динода ФЭУ. На управляющие входы ЦАП независимо поступают двоичные цифровые коды из блока 15 управления, причем управляющие коды их блока 15 35 поступают в блоки 12-44 в заранее выбранные и непересекающиеся интервалы времени (это показано в виде временных диаграмм на фигЛ). Путем выбора разных динодов ЭУ (выходные 40 сигналы которых могут существенно различаться по амплитуде), а также управляя усилением этих динодных сигналов с помощью цифрового кода на управляющих входах ЦАП, можно уста- 45 новить выходные сигналы разных каналов (с разных динодов) как близкими по амплитуде, так и сильно различающимися. Тогда на выходе сумматора 16 (фиг.2) можно сформировать сигнал, 50 подверженный произвольной регулировке амплитуды во времени. Например, в системах лазерного зондирования атмосферы и оптической локации принимаемый сигнал уменьшается пропорционально 55 квадрату дальности (времени с момента посылки импульса). Поэтому для увеличения дальности зондирования бывает целесообразно повышать усиление оптического приемника со временем. С другой стороны, в этой ситуации оказывается возможным намыщение приемоуси- лительного тракта при мощных сигналах из ближней зоны (область малых времен после посылки зондирующего импульса). Уменьшением усиления (выбором более близкого к фотокатоду динода и/или малым значением управляющего кода ЦАП) можно устранить насыщение (нелинейные искажения), а значит повысить точность измерения принимаемых оптических сигналов.

На примере осуществления многокаскадного усиления путем фотоэлектронного умножения в ФЭУ (фотодетектор + многокаскадное усиление в моноблоке) особенно хорошо иллюстрируется повышение фоновой устойчивости способа. Известно, что внешняя фоновая засветка может выступать и как аддитивная, и как мультипликативная помеха„ В первом случае фон арифметически складывается с полезным сигналом и в ряде случаев его можно вычесть в дальнейшем или при приеме импульсных сигналов разделить переменную и постоянную составляющие суммарного сигнала (чаще всего с помощью RC-цепи или трансформатора). Во втором случае фон вызывает изменения коэффициента усиления фотоприемника, что искажает полезную информацию о входных оптических сигналах на выходе фотоприемника. Это может иметь место при очень интенсивной фоновой засветке (таков, например, фон неба в яркий солнечный день) и упомянутые методы борьбы, которые применяют в аддитивном случае, неэффективны

I

Съем сигналов с промежуточных каскадов усиления (с динодов ФУ) позволяет устранить мультипликативную составляющую фоновой помехи, поскольку как фон, так и сигнал оказываются усиленными значительно меньше, чем при полном включении системы фотодетектор + усилитель ( ФЭУ). Поэтому всегда можно выбрать более близкий к оптическому входу каскад (динод ФЭУ), на усиление которого относительно входа протекающий фоновый ток практически не влияет. И оказывается эффективным вычитание фона и развязка по постоянной составляющей (последняя использована нами). Более того, после этого можно (это предусмотрено)

усилив сигнал, скомпенсировать потерю в усилении, которая появилась за счет перехода к первым каскадам усиления (к более близким к фотокатоду динодам). В силу этого, фоновая устойчивость способа значительно выше, чем в прототипе.

Таким образом, путем независимого стробирования без пересечения во времени сигналов с выходов различных каскадов и взвешенного суммирования удается повысить точность измерения за счет формирования более точной временной регулировки усиления, расши- рить амплитудный диапазон и улучшить фоновую устойчивость известного способа приема оптических сигналов о логичный положительный эффект достигается, если многокаскадное усиление, независимое стробирование без пересечения во времени и взвешенное суммирование осуществлять путем фотоэлектронного умножения, цифроаналогового преобразования и суммирования Формула изобретения

электрические сигналы и усиление с временной регулировкой, отличающий ся тем, что, с целью повышения точности измерений, расширения амплитудного диапазона и повышения фоновой устойчивости, усиление осуществляется многокаскадно, независимо и без пересечения во времени стробируют сигналы с выходов различных каскадов и взвешенно их суммируют

I

3.Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью упрощения аппаратурной реализации, независимое и без пересечения во времени стробирование и взвешенное суммирование осуществляют путем цифро- аналогового преобразования и суммирования

Фиг. 1

I U I-7 IГ, .У.

Фиг 1