Приемник оптического излучения
OPTICAL RADIATION RECEIVER

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и других светолокационных устройств.
Известны приемники оптического излучения [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=cτ/2, где c - скорость света. Подобным образом построены оптические приемники [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 ФПУ, если энергия входного излучения превышает уровень лучевой прочности фоточувствительного элемента.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является приемник, 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 активного или пассивного противодействия.
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 устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности приемника лазерного излучения для слабых входных сигналов.
Эта задача решается за счет того, что в известном приемнике лазерного излучения, содержащем 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, состоящий из источника тока и биморфного элемента в виде двухслойной плоской пружины, один из слоев биморфного элемента выполнен токопроводящим, противоположные концы которого через ключ соединены с выходом источника тока, а второй слой выполнен из оптически прозрачного материала, имеющего имеет более низкий коэффициент температурного расширения по сравнению с первым слоем, один конец биморфного элемента неподвижно закреплен на корпусе приемника, а второй конец скручен по отношению к нему на 90 градусов вокруг продольной оси биморфного элемента, причем токопроводящий слой нанесен только на нижнюю часть биморфного элемента до скрутки, а верхняя часть представляет собой шторку с полупрозрачным покрытием, размещенную так, чтобы в первом рабочем положении при отключенном источнике тока шторка перекрывала апертуру фоточувствительного элемента, а при деформации биморфного элемента под действием протекающего тока открывала фоточувствительный элемент, перемещаясь параллельно фоточувствительному элементу на расстояние
фчэ
где r - радиус дуги, образуемой биморфным элементом во втором рабочем положении; L - длина биморфного элемента с токопроводящим покрытием; h длина верхнего участка биморфного элемента от конца токопроводящего покрытия до оси фоточувствительного элемента; d - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; a - 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; b - толщина оправы шторки.
фпу
мин
макс
пду
Коэффициент пропускания полупрозрачного покрытия шторки τ, может отвечать условию  где E - энергетическая чувствительность оптического приемника; E и Е - нижняя и верхняя границы диапазона энергий перегрузочного сигнала; Е - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент оптического приемника.
Токопроводящий слой биморфного элемента может быть выполнен в виде цепи из двух и более параллельных полос, соединенных последовательно так, чтобы начало и конец токопроводящей цепи находились с неподвижно закрепленной стороны биморфного элемента.
На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема приемника. Фиг. 2 иллюстрирует устройство привода шторки в ее первом положении. Фиг. 3 поясняет расчетные соотношения для второго положения шторки. На фиг. 4 показаны варианты исполнения токопроводящего слоя.
Приемник лазерного излучения (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 полупрозрачная шторка 6 с приводом 7, управляемым с выхода логического модуля 8, один из входов которого связан с выходом схемы обработки сигнала, а второй является его управляющим входом. Оптический приемник размещен в герметичном корпусе 9 с оптическим окном 10, через которое принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1. Привод шторки (фиг. 2) состоит из биморфного элемента 11 и источника тока 12, через ключ 13 подключенного к токопроводящему слою биморфного элемента. Биморфный элемент 11 представляет собой изогнутую плоскую пружину в виде композиции двух слоев - токопроводящего слоя 14 и второго слоя (подложки) 15 (фиг. 2).
Ход шторки ΔС между ее двумя фиксированными положениями (фиг. 3) определяется из условия полностью закрытого и полностью открытого фоточувствительного элемента в двух рабочих положениях шторки. Физическая модель деформации биморфного элемента - фиг. 3а). Геометрическая модель - фиг. 3б).
В зависимости от технологических особенностей производства токопроводящий слой может быть нанесен на подложку в виде одной полосы (фиг. 4а), двух полос (фиг. 4б) или четырех полос (фиг. 4в).
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии полупрозрачная шторка 6 с коэффициентом пропускания τ находится перед рабочей площадкой фоточувствительного элемента 1, ослабляя поступающие на нее сигналы в 1/τ раз. Если в поле зрения фоточувствительного элемента находится источник излучения, создающий на фоточувствительном элементе 1 засветку, превышающую порог чувствительности схемы обработки сигнала 2, то ключ 13 остается в разомкнутом состоянии, шторка остается в исходном положении, и оптический приемник работает в защищенном режиме.
При отсутствии сигнала на выходе устройства и на входе логического модуля 8 последний подает сигнал на замыкание ключа 13, и источник тока 12 подключается к токопроводящему слою биморфного элемента 11. Под действием протекающего тока этот слой нагревается и биморфный элемент изгибается. Под действием силы, создаваемой биморфным элементом, шторка перемещается на расстояние ΔС (фиг. 3).
При нагревании токопроводящего слоя протекающим через него током кривизна k биморфного элемента, то есть величина, обратная радиусу изгиба стержня, изменяется согласно зависимости [7]
где:
1
2
ε=(α-α)ΔТ;
1
2
E и Е - модули упругости материалов первого и второго слоев;
1
2
h и h - толщины слоев биморфного элемента (фиг. 3);
1
2
α и α - коэффициенты теплового расширения материалов слоев;
ΔТ - разность температур до и после нагревания биморфного элемента.
При быстром нагревании токопроводящего слоя импульсным током второй слой за время импульса не успевает прогреться, и кривизна биморфного элемента еще более увеличивается по сравнению с величиной, получаемой из выражения (1).
Стрелка дуги, образующейся при деформации биморфного элемента (фиг. 3б), определяется по формуле
где
r=1/k;
θ=kL;
L - длина токопроводящего слоя.
h
Дополнительное смещение шторки C обусловлено наклоном плеча h на угол α (фиг. 2б).
Ход шторки
Пример 1.
Биморфный элемент представляет собой металлостеклянную ленту (пирекс + нихром) с характеристиками.
В скобках - укороченный вариант L=5 мм, h=l мм.
2
1
-6
Согласно (1) k=6,58(α-α)ΔT=98,6ΔТ⋅10. r=1/k.
Если шторка выполнена полупрозрачной, в ее исходном положении приемник может принимать сигналы, превышающие уровень номинальной чувствительности приемника в 1/τ раз и более без ущерба для фоточувствительного элемента.
Из обозначений на фиг. 1 видно, что для перекрытия шторкой рабочей площадки фоточувствительного элемента должно выполняться условие
шт
фчэ
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 исходного положения шторки. В величину Δ входят как погрешности юстировки, так и температурный уход в диапазоне окружающих температур.
шт
Рабочее смещение шторки ΔС должно быть не менее d.
Пример 2.
3
-4
3
3
-4
-7
Эквивалентные габариты перемещаемой части биморфного элемента 2×0,5×0,2=0,2 мм=2⋅10 см. При плотности стекла 2,5 г/см масса составляет m ~ 5⋅10 г=5⋅10 кг.
Сила воздействия биморфного элемента на шторку F=0.001 Н.
-7
2
Ускорение а=F/m=0.001/5⋅10 ~ 2000 м/с.
-4
Смещение S=0,3 мм=3⋅10 м.
Время выведения шторки в рабочее положение
Пример 3.
Токопроводящий слой (нихром) длиной 20 мм сечением 0,1×0,1 мм (фиг. 4в).
т
3
Плотность ρ=7,94 г/см; теплоемкость β=0,57 Дж/кгК.
Т
T
T
-4
3
-6
Объем токопроводящего слоя V=2⋅10 см. Его масса m=ρV=1,6⋅10 кг.
Энергия для нагрева токопроводящего слоя на 300°
Т
-6
Е=βmΔТ=0,57⋅1,6⋅10⋅300=0,000273 Дж=0,273 мДж.
Характеристики источника питания.
Потребляемая токопроводящим слоем мощность
Т
Т
Р=Е/t, где t - длительность импульса.
Для рассматриваемого примера
Т
Т
Р=Е/t=0,273 мДж/0,5 мс ~ 0,55 Вт.
Сопротивление токопроводящего слоя
T
R
T
t
-6
-2
-6
R=ρL/S ~ 10⋅2⋅10/(0,1⋅0,1)⋅10=2 Ом,
R
Т
T
где ρ ~ 1 мкОм⋅м - удельное сопротивление нихрома, L=0,02 м - длина токопроводящего слоя; S - площадь поперечного сечения нити.
T
Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R
T
T
T
2
Р=I⋅R, откуда потребляемый ток
T
T
T
0,5
0,5
I=(Р/R)=(0,55/2)=0,51 А.
Напряжение источника
T
T
T
U=P/I=0,55/0,51 ~ 1 В.
Коэффициент ослабления шторки τ определяется ожидаемым уровнем лазерной засветки от внешнего источника, представляющего опасность для фоточувствительного элемента в заданных условиях эксплуатации приемника импульсных оптических сигналов в составе аппаратуры, для которой предназначен данный приемник. При этом шторка может иметь вид прозрачной плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием, нанесенным, например, путем металлизации. Толщина этого покрытия определяет величину τ при сохранении габаритно-присоединительных параметров.
Описанное техническое решение обеспечивает безопасное применение приемника оптического излучения 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 устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности приемника импульсных оптических сигналов при малом уровне сигналов.
Источники информации
1. В.А. Волохатюк и др. "Вопросы оптической локации". - М.: 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 №2 506 547.
5. П.М. Боровков и др. Особенности схемотехники импульсных пороговых ФПУ с малым временем восстановления чувствительности после воздействия импульса перегрузки. «Прикладная физика», №1, 2015 г. - с. 61-65.
6. Radiation receiver with active optical protection system. USpatentNo6,548,807 - прототип.
7. Clyne T.W. Residual stresses in surface coatings and their effects on interfacial debonding.«KeyEngineeringMaterials» (Switzerland).Vol. 116-117, 1996, pp. 307-330.