Приемник лазерных импульсов
LASER PULSE RECEIVER

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и других светолокационных устройств.
Известны приемники оптических сигналов [1] для систем импульсной лазерной локации, предназначенные для преобразования в электрические сигналы отраженных удаленными объектами зондирующих импульсов лазерного излучения и временной привязки электрических импульсов для определения их задержки τ относительно момента излучения лазерного зондирующего импульса. По этой задержке судят о дальности R до отражающего объекта по формуле R = сτ/2, где с - скорость света. Подобным образом построены приемники оптических сигналов [2-3], содержащие фоточувствительный элемент и схему обработки сигнала. Указанные устройства имеют ограниченный динамический диапазон, препятствующий применению таких приемников в измерителях дальности и другой аппаратуре с повышенными требованиями к точности. Существует ряд технических решений, имеющих целью расширение динамического диапазона и повышение точности временной фиксации принятых сигналов [4-5]. Однако эти решения не обеспечивают работоспособность приемника, если энергия входного излучения превышает уровень лучевой прочности фоточувствительного элемента.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является приемник оптических сигналов, содержащий фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала, светоделитель, фотодатчик, устройство задержки и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом [6]. В данном приемнике оптический затвор не открывается, если сигнал с фотодатчика превышает пороговое значение, соответствующее уровню входного излучения, превышающего порог лучевой прочности фоточувствительного элемента. В противном случае затвор открывается, и входное излучение поступает на фоточувствительный элемент. Время задержки сигнала в линии задержки должно превышать время реакции затвора на управляющий импульс от фотодатчика. Таким образом, обеспечивается функционирование устройства не только в рабочем динамическом диапазоне отраженных сигналов, но и за его пределами - в условиях высокоэнергетических входных сигналов.
Недостаток приемника [6] - потери излучения в светоделителе, устройстве задержки и оптическом затворе, а также ограничения по быстродействию затвора, вынуждающие увеличивать задержку сигнала в устройстве задержки. Это, в свою очередь, приводит к потерям в приемном тракте, искажению формы принимаемого сигнала, увеличению габаритов устройства, особенно за счет светоделителя, устройства задержки и оптического затвора.
Задачей изобретения является обеспечение работоспособности приемника оптических сигналов для высокоэнергетических входных сигналов и наивысшей чувствительности для слабых входных сигналов при минимальных габаритах устройства и его максимальном быстродействии и надежности.
1
2
э
пред
Эта задача решается за счет того, что в известном приемнике лазерных импульсов, содержащем корпус с оптическим входом, фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом, оптический затвор выполнен в виде шторки с двумя рабочими положениями, а в состав устройства введен привод шторки, включающий укрепленную на корпусе пружину кручения, соосно связанную с коромыслом, одно из плеч которого длиной L притянуто к корпусу растяжкой с усилием F, определяемым заданным быстродействием привода шторки, а на свободном плече коромысла длиной L закреплена шторка, соотношение плеч коромысла выбрано таким образом, чтобы при изменении длины растяжки на величину Δс шторка перемещалась на заданное расстояние  между исходным и рабочим положениями, в исходном положении шторка перекрывает фоточувствительный элемент, а в рабочем положении находится вне его поля зрения, причем растяжка представляет собой токопроводящую нить, к концам которой подведен источник управляющего электрического сигнала, при подаче которого температурное расширение растяжки от ее нагрева протекающим электрическим током составляет величину Δс, а усилие растяжки в исходном состоянии удовлетворяет условию  где m - эквивалентная масса шторки с учетом элементов ее крепления, t - заданное время перевода шторки из исходного положение в рабочее, F - предел прочности растяжки, к<1 - коэффициент запаса прочности.
В состав приемника лазерных импульсов может быть введен логический модуль, один вход которого связан с выходом схемы обработки сигнала, второй вход является управляющим входом, а выход подключен к источнику управляющего электрического сигнала.
фпу
min
max
пду
Шторка может быть выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию  где F - энергетическая чувствительность приемника; E - минимальная энергия высокоэнергетического сигнала поступающего на фоточувствительныи элемент; E - максимальная энергия высокоэнергетического сигнала; Е - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент.
На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема приемника лазерных импульсов.
Приемник лазерных импульсов (фиг. 1) состоит из фоточувствительного элемента 1 (например, фотодиода) и схемы обработки сигнала 2, включающей предусилитель 3, усилитель 4 и формирователь выходного сигнала 5, выход которого является выходом устройства. Перед фоточувствительным элементом расположена шторка 6 с приводом в виде пружины кручения 7, соосно с которой к свободному концу пружины прикреплено коромысло 9, на одном из плеч коромысла закреплена шторка 6, а второе плечо притянуто растяжкой 10 к корпусу 11 так, чтобы шторка перекрывала рабочую площадку фоточувствительного элемента. К концу растяжки, связанному с коромыслом, подключен выход источника управляющего электрического сигнала 12, вход которого подключен к выходу логического модуля 13, один из входов которого связан с выходом схемы обработки сигнала 2, а второй является его управляющим входом. Приемник лазерных импульсов размещен в герметичном корпусе 11, через оптическое окно которого принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1.
Устройство работает следующим образом.
1
1
2
В исходном состоянии полупрозрачная шторка 6 находится перед рабочей площадкой фоточувствительного элемента 1, ослабляя поступающие на нее сигналы в 1/τ раз. При подаче на растяжку управляющего сигнала от формирователя 12 растяжка под действием протекающего через нее тока нагревается, и ее исходная длина увеличивается на величину Δс = αсΔТ, где α - коэффициент температурного расширения, ΔT - приращение температуры. В результате на шторку действует сила  где М=FL момент силы F, создаваемой при закручивании пружины растяжкой 10, L - длина плеча коромысла, связанного с растяжкой, L - длина плеча коромысла, на котором закреплена шторка. Под действием силы  шторка перемещается на расстояние S, открывая рабочую площадку фоточувствительного элемента. При отключении управляющего сигнала длина растяжки принимает первоначальное значение с, и коромысло со шторкй возвращается в исходное положение, закрывая рабочую площадку фоточувствительного элемента. Если шторка выполнена полупрозрачной, в ее исходном положении фотоприемное устройство может принимать высокоэнергетические сигналы, превышающие уровень номинальной чувствительности ФПУ в 1/τ раз и более без ущерба для фоточувствительного элемента.
шт
фчэ
Для перекрытия шторкой рабочей площадки фоточувствительного элемента должно выполняться условие  где d - рабочий диаметр полупрозрачного участка шторки; d - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; α - угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации поперечного положения шторки при отсутствии управляющего сигнала на входе привода. В величину А входят как погрешности юстировки, так и температурный уход в диапазоне окружающих температур.
Коэффициент ослабления шторки τ определяется ожидаемым уровнем высокоэнергетической лазерной засветки от внешнего источника. Шторка может быть выполнена в виде прозрачной плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием, нанесенным, например, путем металлизации. Толщина этого покрытия определяет необходимую величину τ при сохранении габаритно-присоединительных параметров. Если при закрытой полупрозрачной шторке на выходе схемы обработки 2 формируется сигнал, это свидетельствует о наличии на входе фоточувствительного элемента 1 высокоэнергетического сигнала. Тогда логический модуль 13 предотвращает прохождение управляющего сигнала на формирователь 12, и шторка остается в исходном состоянии.
Предельно допустимое значение силы F определяется прочностью растяжки.
Пример 1.
Нихром Х20Н80 ГОСТ 8803-89 сплав твердый.
пред
Предел прочности 0,77 ГПа. Принятая удельная нагрузка σ = 0,1 ГПа.
нихр
пред
нихр
2
-9
2
Проволока диаметр 0,1 мм, длина 20 мм. Площадь сечения S = 0,00785 мм = 7,85-10 м. Рабочая нагрузка F = σ⋅ S = 0,1⋅7,85 = 0,8 Н.
1
При температурном расширении нихромовой нити 10 пружина 7 поворачивает коромысло 9 с моментом силы М = FL. Тогда, если суммарная эквивалентная масса кольца и шторки равна m, ускорение шторки
ш
0
k
p
п
Эквивалентная масса шторки включает эквивалентные по моменту инерции массы самой шторки m, оправы m, коромысла m, растяжки m и пружины m.
Пример 2.
Пружина кручения арт. ST17310 [8] имеет следующие параметры.
t
i
v
n
n
п
3
-6
D = 0,6 мм - диаметр проволоки; D=2мм внутренний диаметр; n = 2 - количество пружинящих витков; M = 9,3 - максимальный допустимый момент, Н⋅мм; ϕ = 32 - угол вращения в градусах при M; плотность 7,7 г/см. Эквивалентная масса m ~ 0,5⋅10 кг.
∅
p
3
-6
Растяжка - нихром, проволока  0,1 мм; длина 20 мм; плотность 8 г/см. Эквивалентная масса m = 1,6⋅10 кг.
1
2
к
3
-6
Коромысло - титан, пластина 0,2×2 мм; L = 5 мм; L = 10 мм; плотность 4,5 г/см. Эквивалентная масса m  ~ 15⋅10 кг.
3
-6
ш
Шторка - 2×2×0,2, стекло К8 ГОСТ 3514-76с металлизацией; плотность 2,51 г/см. Масса m = 2⋅10 кг.
ш
k
п
p
-6
Из приведенных данных следует, что m ~ m + m + m + m ~ 20⋅10 кг.
Ускорение шторки
Перемещение шторки S = 0,3 мм.
Время перемещения
Рабочая температура растяжки должна существенно превышать эксплуатационный температурный диапазон, чтобы температурные условия внешней среды не оказывали заметного влияния на положение шторки. С другой стороны, температура растяжки не должна быть слишком высокой, чтобы не подвергать растяжку пластическим деформациям при рабочей нагрузке.
Пример 3.
-6
эксп
эксп
эксп
Растяжка - нихромовая проволока длиной с = 20 мм. α = 18⋅101/град. Эксплуатационный температурный диапазон Т = 0 ± ΔТ. - ΔТ = 40°С.
2
1
2
1
Перемещение шторки S = 0,3 мм (см. Пример 2). Соответствующее необходимое удлинение растяжки Δс зависит от исполнения коромысла 9, а именно - от соотношения плеч L/L. Например, при L/L = 2 удлинение Δс = S/2 = 0,15 мм.
Температурное приращение растяжки
-6
эксп
ΔТ = Δс/αс = 0,15/(18⋅10⋅20) ~ 420°>>ΔТ.
пл
Температура плавления сплава Х20Н80 - Т = 1200°С >> ΔТ.
ΔТ
Энергия, необходимая для повышения температуры растяжки, Е = βmΔТ, где β -теплоемкость материала растяжки; m - масса прогреваемого объема.
∅
T
Т
T
T
-4
3
3
-6
Пример 4. Габариты токопроводящей растяжки 0,01×2 см. Объем V ~ 2⋅10 см. Плотность сплава Х20Н80 ρ = 7,94 г/см; m = ρV= 1,6⋅10 кг; теплоемкость нихрома β = 0,57 Дж/кгК.
т
-6⋅
Е = βmΔТ = 0,57⋅1,6⋅10420 = 0,00038 Дж = 0,38 мДж.
R
Сопротивление нихромовой проволоки  где ρ - удельное сопротивление; с - длина растяжки; d - диаметр проволоки.
Т
s
Т
0
Импульс тока энергией Е через растяжку может быть прямоугольным длительностью t или экспоненциальным при разряде через растяжку накопительного конденсатора емкостью С, заряженного до напряжения U.
Пример 5.
R
-6
-3
ρ = 1,01⋅10Ом⋅м (нихром Н20Х80); с = 0,02 м; d = 0,1⋅10м.
T
R = 2,6 Ом.
T
s
Т
-4
Прямоугольный импульс. R = 2,6 Ом; t = 5⋅10 с; Е = 0,38 мДж. Энергия  откуда  Ток через растяжку
С
s
max
0
T
Экспоненциальный импульс. Постоянная времени разряда конденсатора емкостью С τ~t/3 = 0,17 мс. Энергия  Максимальный ток I = U/R = 1,3 А.
Описанное техническое решение обеспечивает безопасное применение фотоприемного устройства в составе любой аппаратуры и в любых условиях эксплуатации. При этом габариты и масса шторки с приводом, а также объем логического модуля позволяют встраивать эти узлы в существующие миниатюрные приемники без изменения их типоразмеров. Размещение элементов защиты приемника в составе его герметизированного корпуса обеспечивает их надежность, долговечность и максимальный ресурс работы.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает работоспособность приемника лазерных импульсов для высокоэнергетических входных сигналов и наивысшую чувствительность для слабых входных сигналов при минимальных габаритах устройства и его максимальном быстродействии и надежности.
Источники информации
1. В.А. Волохатюк и др. "Вопросы оптической локации". - Советское радио, М., 1971.-с. 213.
2. В.Г. Вильнер и др. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. «Оптико-механическая промышленность». №9,1981 г. -с. 593.
3. В.А. Афанасьев и др. Порог чувствительности приемника импульсного оптического излучения с большим входным импедансом. Электронная техника. Серия 11. «Лазерная техника и оптоэлектроника». 1988, в.3. - с. 78-83.
4. В.Г. Вильнер и др. Приемник импульсных оптических сигналов. Патент РФ № 2506547.
5. П.М. Боровков и др. Особенности схемотехники импульсных пороговых ФПУ с малым временем восстановления чувствительности после воздействия импульса перегрузки.«Прикладнаяфизика», № 1, 2015 г. - с. 61-65.
6. Radiation receiver with active optical protection system. USpatentNo6,548,807 - прототип.
7. В.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. «Справочник по элементарной физике». - Наука. М., 1972. - с. 29.
8. Каталог ООО «Виброна».
http://vibrona.ru/wp-content/uploads/2014/04/kruchenie.pdf