УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИМПУЛЬСОВ С ИНФРАКРАСНОГО ФОТОДИОДА
APPARATUS FOR AMPLIFICATION AND PRELIMINARY PROCESSING OF PULSES FROM AN INFRARED PHOTODIODE

Предлагаемое изобретение относится к области оптического приборостроения.
Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с инфракрасного (ИК) фотодиода предназначено для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиодов, расположенных в фокальной плоскости объектива оптической головки самонаведения (ОГС). При этом сигналы с каждого ИК фотодиода усиливается и предварительно обрабатывается отдельными каскадами усиления, а затем объединяются с помощью коммутатора для дальнейшей совместной обработки.
Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода может быть использовано в оптико-электронном координаторе - патент РФ на изобретение №2160453 «Оптико-электронный координатор», опубл. 10.12.2000. Из условий применения в составе ОГС устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода:
- должно иметь предельно большое усиление, ограниченное величиной шума ИК фотодиода;
- не должно ухудшать соотношение сигнал-шум с ИК фотодиода (при нахождении ОГС в дальней зоне относительно цели) и не перегружаться по постоянной составляющей фоном;
- должно иметь широкий динамический диапазон по входным сигналам с ИК фотодиода;
- должно позволять, при дальнейшей обработке, раздельно измерять время прихода каждого импульса, его длительность и определять сравнительную величину импульса по сравнению с другими импульсами от источников в поле обзора ОГС;
- должно позволять, при дальнейшей обработке, оценивать характеристики импульсов, от источников одновременно находящихся в поле обзора ОГС, вызывающих сигнал различающийся на выходе ИК фотодиода свыше 1000 раз между собой (при нахождении в поле обзора ОГС ложных тепловых целей (ЛТЦ));
- должно позволять для больших сигналов, при дальнейшей обработке, оценивать характеристики сигнала, включая величину постоянной составляющей (при нахождении ОГС в ближней зоне относительно цели).
Изготовители ИК фотодиодов и оборудования для работы с ними рекомендуют для достижения максимальной обнаружительной способности использовать для усиления сигнала с ИК фотодиодов InSb трансимпедансные усилители (ТИУ), которые преобразует входной ток в напряжение (www.teledynejudson.com/files/indiumant_03_37A.pdf), а для исключения насыщения усилителя постоянной составляющей при требуемом большом усилении использовать, на втором этапе, усиление по переменному току. ТИУ образован операционным усилителем (ОУ), охваченным отрицательной обратной связью через резистор, включенный между выходом ОУ и его инвертирующем входом. Для расширения динамического диапазона используют нелинейные устройства, включаемые в обратную связь ТИУ, как например, в патенте США №4218613 «Amplifier for electric signals» («Усилитель электрических сигналов»), опубл. 19.08.1980 г.
Известно устройство - патент США №4555623 «Pre-amplifier in focal detector array» («Предусилитель в фокусном блоке детектора»), опубл. 26.11.1985 г., предназначенное для предварительной обработки сигналов с матрицы фотодиодов, размещаемых в фокальной плоскости оптической системы. Оно содержит ТИУ, полосовой фильтр, второй усилитель, коммутатор на выходе второго усилителя и электрическую схему управления. ТИУ выполнен для расширения динамического диапазона с изменяемым коэффициентом передачи. Его недостатком является невозможность оценивать характеристики импульсов от источников одновременно находящихся в поле обзора ОГС, вызывающих сигнал, различающийся на выходе ИК фотодиода свыше 1000 раз между собой.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для съема и обработки сигналов с фотодиода - патент РФ на полезную модель №40554 «Устройство для съема и обработки сигналов с фотодиодов», опубл. 10.09.2004 г.
Устройство для съема и обработки сигналов с фотодиода, предназначено для предварительной обработки сигналов с фотодиодов. Оно содержит последовательно соединенные блоки в цепи каждого фотодиода: ТИУ, фильтр высоких частот, подавляющий сигнал от постоянной засветки фоном, дискретно-временные интеграторы на ОУ с включенным в цепь обратной связи ограничителем. Выходы ТИУ и выходы дискретно-временных интеграторов на ОУ подключены к входам коммутатора, который связан с электрической схемой управления. С выхода коммутатора сигналы фотодиодов, предварительно усиленные и отфильтрованные, поступает для дальнейшей обработки. Устройство позволяет оценивать характеристики больших сигналов, включая величину постоянной составляющей, используя выход ТИУ. За счет введения ограничителей в дискретно-временных интеграторов несколько расширен диапазон одновременно наблюдаемых сигналов. Недостатком устройства является то, что оно не позволяет обеспечить оценки характеристик импульсов от источников одновременно находящихся в поле обзора ОГС, вызывающих сигнал, различающийся на выходе ИК фотодиодов свыше 1000 раз между собой.
Таким образом, основной задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно, возможность проводить обработку сигналов с ИК фотодиодов, в широком динамическом диапазоне входных сигналов снижая при этом область подавления большими сигналами малых сигналов в поле обзора ОГС.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода, которое, как и наиболее близкое, выбранное в качестве прототипа содержит ИК фотодиод, подключенный к блоку обработки сигнала. Блок обработки сигнала включает первый операционный усилитель (далее - первый ОУ) с резистором отрицательной обратной связи, включенным между выходом первого ОУ и его инверсным входом, второй операционный усилитель (далее - второй ОУ) с вторым резистором отрицательной обратной связи и конденсатором, включенными между выходом второго ОУ и его инверсным входом и подключенными к выходу первого ОУ через фильтр верхних частот (ФВЧ), который состоит из последовательно соединенных конденсатора и резистора ФВЧ. Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода содержит также коммутатор, входы которого соединены с выходами первого и второго ОУ. Вход управления коммутатора подключен к электрической схеме управления.
s
В отличие от прототипа, ИК фотодиод подключен к входу первого ОУ через дополнительный первый резистор, величиной R, выбранной из условия
s
oc
0
oгp
R>R V/V, где
oc
R - величина резистора отрицательной обратной связи первого ОУ;
0
V - напряжение холостого хода ИК фотодиода;
oгр
V - максимальное неограниченное напряжение на выходе первого ОУ.
Кроме того, ФВЧ дополнен третьим резистором, размещенным между конденсатором и резистором ФВЧ, причем общая точка их соединения связана через дополнительно введенную нелинейную цепь с выходом второго ОУ.
Нелинейная цепь выполнена в виде транзистора, эмиттер которого подключен к общей точке соединения третьего резистора и резистора ФВЧ, а база связана с выходом второго ОУ через четвертый резистор.
Нелинейная цепь может быть выполнена на компараторе и аналоговом ключе, при этом вход компаратора подключен к выходу второго ОУ, а выход компаратора соединен с управляющим входом аналогового ключа, при этом аналоговый ключ включен через пятый резистор между общей точкой соединения третьего резистора и резистора ФВЧ и общим сигнальным входом второго ОУ.
Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода может содержать n ИК фотодиодов, подключенных к n блокам обработки сигналов, n выходы которых подключены к коммутатору.
Для малых сигналов, для улучшения отношения сигнал-шум, как известно, применяют согласованные фильтры и после них производят оценку параметров импульсов. Для больших сигналов применение согласованных фильтров не обязательно. В предлагаемом изобретении цель достигается изменением нелинейной обработки формы импульса в зависимости от величины сигнала, что может учитываться при вторичной обработке сигналов.
При малом уровне сигнала нелинейная цепь не влияет на сигнал т.к. обладает пороговым свойством, поэтому возможно применение способов обработки сигналов с использованием линейных цепей. ФВЧ удаляет постоянную составляющую и уменьшает низкие частоты из входного сигнала, позволяя получить высокое усиление, но, при больших сигналах, увеличивает область подавления малых сигналов в поле обзора ОГС большими сигналами. Источники (самолеты, вертолеты) сигнала для ОГС в атмосферном окне 3..5 мк имеют положительный контраст над фоном, как и ЛТЦ, т.е. полезные импульсы на входе ФВЧ имеют определенную полярность. ФВЧ обладает дифференцирующими свойствами. На его выходе после импульса той же полярности, что и входной, наблюдается импульс другой полярности, называемый его «хвостом». Малые сигналы в этом «хвосте» подавляются. Нелинейная цепь предназначена для подавления «хвостов», если его амплитуда на выходе второго ОУ превышает пороговый уровень нелинейной цепи за счет ограничения величины амплитуды «хвоста» и уменьшения постоянной времени ФВЧ, когда действует «хвост». При среднем уровне сигнала, когда сигнал на выходе первого ОУ значительно превышает шумовой, он используется при дальнейшей обработке. Может применяться обработка сигнала как линейными, так и нелинейными цепями. При большом уровне сигнала ИК фотодиод, за счет первого резистора, через который подключен к входу первого ОУ выдает сигнал пропорциональный логарифму входного сигнала. Этим обеспечивается большой динамический диапазон для входных импульсов и при дальнейшей обработке, позволяет оценивать характеристики импульсов, от источников одновременно находящихся в поле обзора ОГС, различающийся по мощности свыше 1000 раз между собой. В этом случае, например, при сравнении уровня сигналов от разных источников между собой можно, вместо отношения сигналов между собой, использовать разность сигналов.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами и осциллограммами, представленными на фигурах 1, 2, 3, 4.
На Фиг. 1 показана упрощенная схема устройства для усиления и предварительной обработки импульсов с двух ИК фотодиодов с нелинейной цепью, выполненной на транзисторе.
На Фиг. 2 показано возможное выполнение нелинейной цепи с использованием компаратора и аналогового ключа.
На Фиг. 3 приведены осциллограммы сигналов на выходах первого и второго ОУ для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода.
2
5
Импульсы сигнала с ИК фотодиода имеют форму вида y=k(Cos(x)). Приводится импульс малой величины следующий за импульсом с меняющейся амплитудой в диапазоне 1..10 раз большей амплитуды импульса малой величины. Амплитуда большого импульса увеличивается шагами с коэффициентом умножения десять. Использованы модель ИК фотодиода InSb при температуре -196°С (температура жидкого азота) и модель ОУ AD822.
5
На Фиг. 4, для сравнения, показаны осциллограммы сигналов на выходах первого и второго ОУ при отключенной нелинейной цепи и непосредственном подключении инфракрасного фотодиода InSb к входу первого ОУ. Приводится импульс малой величины следующий за импульсом с меняющейся амплитудой в диапазоне 1..10 раз большей амплитуды импульса малой величины.
Предлагаемое устройство (Фиг. 1) содержит ИК фотодиод 1, подключенный к блоку обработки сигнала 2, коммутатор 3, вход управления которого подключен к электрической схеме управления 4. Блок обработки сигнала 2 содержит первый операционный усилитель 5 (далее - первый ОУ) с резистором отрицательной обратной связи 6, включенным между выходом первого ОУ 5 и его инверсным входом, при этом ИК фотодиод 1 подключен к входу первого ОУ 5 через первый резистор 7. Второй операционный усилитель 8 (далее - второй ОУ), подключен к выходу первого ОУ 5 через фильтр верхних частот 9 (ФВЧ), состоящий из последовательно соединенных конденсатора 10 и резистора ФВЧ 11. Выходы первого ОУ 5 и второго ОУ 8 соединены с входом коммутатора 3.
Второй ОУ 8 обеспечивает усиление импульсов и выполняет функцию фильтра низких частот. Усиление и полосу пропускания фильтра низких частот задают второй резистор 12 и конденсатор 13, включенные между выходом и входом второго ОУ 8. Между конденсатором 10 и резистором ФВЧ 11 включен третий резистор 14. Общая точка 15 соединения резистора ФВЧ 11 и третьего резистора 14 через нелинейную цепь 16 соединена с выходом второго ОУ 8. Нелинейная цепь 16 имеет выводы 17 и 18. Вывод 17 подключен к общей точке 15 соединения резистора ФВЧ 11 и третьего резистора 14. Вывод 18 соединен с выходом второго ОУ 8. Блок обработки сигнала 2 ИК фотодиода 1 через выводы 19 и 20 соединен с коммутатором 3. Нелинейная цепь 16 выполнена на транзисторе 21, эмиттер которого соединен с общей точкой 15 соединения резистора ФВЧ и третьего резистора 14, а база через четвертый резистор 22 связана с выходом второго ОУ 8.
Другое возможное выполнение нелинейной цепи 16 приведено на фиг. 2. В нелинейной цепи 16 использован компаратор 23 и аналоговый ключ 24. Последовательно с аналоговым ключом 24 включен пятый резистор 25.
Второй ИК фотодиод 26 подключен к блоку обработки сигнала 27, выполненному аналогично блоку обработки сигнала 2 ИК фотодиода 1 и через выводы 28 и 29 соединен с коммутатором 3.
Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с ИК фотодиода работает в зависимости от текущей величины импульса следующим образом.
s
Для обеспечения измерения больших сигналов, которые создают ЛТЦ, ИК фотодиод 1 подключен к входу первого ОУ 5 через первый резистор 7 величиной R, выбранный из условия
S
OC
0
ОГР
R>RV/V, где
ОС
R - величина резистора отрицательной обратной связи 6 в цепи отрицательной обратной связи первого ОУ 5,
0
V - напряжение холостого хода ИК фотодиода 1 (для ИК фотодиода InSb напряжение холостого хода составляет ~90 мв)
ОГР
V - максимальное неограниченное напряжение на выходе первого ОУ 5.
S
Такое условие для R переводит, при больших освещенностях, ИК фотодиод 1 в режим работы, когда напряжение на выходе пропорционально логарифму величины светопотока, падающего на него и увеличивает величину входных сигналов, вызывающих насыщение (переход в режим ограничения) первого ОУ 5. При меньших уровнях входного сигнала, сигнал ИК фотодиода 1 преобразуется в напряжение на выходе первого ОУ 5, фильтруется и усиливается фильтром верхних частот 9 и фильтром низких частот на втором ОУ 8 с использованием резистора 12 и конденсатора 13. Сигналы с выходов первого ОУ 5 и второго ОУ 8, через коммутатор 3 поступают в электрическую схему управления 4, содержащую микроконтроллер и АЦП. Микроконтроллер выбирает последовательно, какой канал подключается на вход АЦП, управляет запуском АЦП на преобразование и считывает преобразованное значение в память микроконтроллера для вторичной обработки. В памяти микроконтроллера одновременно находятся величины преобразованных АЦП импульсных сигналов с выходов 19 и 20, которые используются для вторичной обработки способами, различающимися в зависимости от величины импульсного сигнала. Например, возможно такое разделение:
- импульсный сигнал меньше порогового уровня нелинейной цепи 16;
- импульсный сигнал меньше уровня ограничения второго ОУ8;
- импульсный сигнал меньше уровня перехода ИК фотодиода 1 в режим работы, когда напряжение на его выходе пропорционально логарифму величины светопотока, падающего на него;
- импульсный сигнал больше уровня перехода ИК фотодиода 1 в режим работы, когда напряжение на его выходе пропорционально логарифму величины светопотока, падающего на него.
5
5
5
На фиг. 3 на осциллограммах 35, 36 приведен вид сигналов на выходе первого ОУ 5 в разных масштабах, а на осциллограммах 37, 38, также в разных масштабах приведен вид сигналов на выходе второго ОУ 8. На осциллограммах показаны два импульса. Амплитуда первого импульса увеличивается с каждой новой разверткой в 10 раз. Приведены 6 разверток, наложенные друг на друга. Поэтому амплитуда первого импульса последовательно увеличивается от равной второму импульсу до большей второму импульсу в ~10 раз. На осциллограмме 37 первый импульс занимает временной интервал 0…1,9 мс (при возрастании амплитуды). А второй импульс начинается после 2 мс. Осциллограмма 39 соответствует первому импульсу с малой амплитудой, а осциллограмма 40 соответствует второму импульсу. Осциллограмма 41 соответствует импульсу в ~1000 раз большему импульса на осциллограмме 40, а осциллограмма 42 соответствует импульсу в ~10 раз большего импульсу на осциллограмме 40. На осциллограмме 35 осциллограмме 41 соответствует осциллограмма 43 от импульса в 1000 раз большего импульсу, показанному на осциллограмме 39. Осциллограмме 44 на осциллограмме 35 соответствует осциллограмма 42 на осциллограммах 36. Осциллограммы 44 и 45 образованы входными импульсами, различающимися в 10 раз. По амплитуде импульсы на выходе первого ОУ 5 отличаются, как следует из осциллограмм, на 81 мВ. На выходе 16-ти разрядного АЦП (например, AD7699) с диапазоном 5 В эти импульсы будут различаться по кодам более чем на 1000 бит.Импульсам малой амплитуды (осциллограммы 39, 40 на осциллограмме 36) после усиления вторым ОУ 8 соответствуют на осциллограмме 37 осциллограммы 46 и 47. По результатам моделирования «хвост» первого импульса (осциллограмма 48) в 10 раз больше второго импульса (осциллограмма 47) уменьшает разность между положительным и отрицательным значениями этого импульса меньше чем на 10%. Из осциллограммы 38 следует, что нелинейная цепь 16 ограничивает амплитуду «хвоста» (осциллограмма 49) на уровне около 0,5 В и уменьшает протяженность «хвоста».
Рассмотрим влияние первого импульса на возможность измерения следующего за ним импульса малой величины при отключении нелинейной цепи 16 и непосредственном подключении ИК фотодиода 1 к выходу первого ОУ 5 с использованием осциллограмм Фиг. 4.
5
5
На осциллограммах 50, 51 показаны сигналы на выходе первого ОУ 5, на осциллограммах 52, 53 приведены осциллограммы на выходе второго ОУ 8. На осциллограммах показаны два импульса. Амплитуда первого импульса увеличивается с каждой новой разверткой в 10 раз. Приведено 6 разверток, наложенных друг на друга. Поэтому амплитуда первого импульса последовательно увеличивается от равной второму импульсу до большей второму импульсу в 10 раз. На осциллограмме 51 первый импульс занимает временной интервал 0…0,9 мс (при возрастании амплитуды), а второй импульс начинается после 2 мс. Второй импульс осциллограммы 54 имеет амплитуду 4,3 мВ и такую же амплитуду имеет минимальный первый импульс осциллограммы 55. Импульс осциллограммы 56 имеет амплитуду в 1000 раз большую амплитуды первого импульса осциллограммы 55. На осциллограмме 50 этому импульсу соответствует осциллограмма 57. Осциллограмму 58 создает первый импульс в 10 раз больший второму импульсу осциллограммы 54. На осциллограммах 50 этому импульсу соответствует осциллограмма 59. Осциллограмму 60 создает импульс имеющий амплитуду в 10 раз меньшую, чем импульс образующий осциллограмму 59. Как следует из осциллограмм 50 импульсы создавшие осциллограммы 59 и 60 не различаются по амплитуде на выходе первого ОУ 5, в то время, как на Фиг. 3 импульсы с такими амплитудами различаются по амплитуде.
На осциллограммах 52, полученных с выхода второго ОУ 8, импульсу с осциллограммой 55 соответствует осциллограмма 61 с «хвостом» осциллограмма 62, а импульсу с осциллограммой 54 соответствует осциллограмма 63 с «хвостом» осциллограмма 64. При малой амплитуде первый импульс не влияет на осциллограмму второго. Первый импульс в 1000 раз больше второго создает на осциллограммах 52 «хвост», которому соответствует осциллограмма 65. Этот «хвост» не позволяет обнаружить малый импульс (осциллограмма 54) на выходе второго ОУ 8. На осциллограммах 53 «хвостам» импульсов в 10, 100. 1000, 10000, 100000 раз больших импульсу с осциллограммы 54 соответствуют осциллограммы 66, 67, 68, 69, 70.
6
Из Фиг. 3 и Фиг. 4 следует, что без использования предлагаемого технического решения импульс больший в 1000 раз следующего за ним импульса подавляет своим «хвостом» импульс от второго импульса на выходе второго ОУ 8, в то время, как при использовании предлагаемого решения амплитуда этого импульса меняется меньше, чем на 10%. Кроме этого, можно оценивать амплитуды импульсов в широком динамическом диапазоне (больше 10 раз).
Итак, предлагаемое изобретение решает поставленную задачу - расширение функциональных возможностей применения, а именно, возможность проводить обработку сигналов с ИК фотодиодов в широком динамическом диапазоне входных сигналов снижая при этом область подавления большими сигналами малых сигналов в поле обзора ОГС.