Лидарный фотоприемный модуль

Полезная модель, лидарный фотоприемный модуль для регистрации сигналов в ближней ИК-области спектра длин волн, относится к области технологий дистанционного лазерного контроля оптико-физических параметров атмосферы, в том числе параметров аэрозольных и облачных полей атмосферы, мониторинге процессов распределения дымовых шлейфов лесных пожаров и выбросов промышленных предприятий и т.д.
Известен фотомодуль для регистрации лидарных сигналов в ближней ИК-области спектра на длине волны 1,06 мкм, содержащий в качестве фотодетектора фотоумножитель с высокочастотным источником питания, аналогоцифровой преобразователь, преобразующий световой сигнал в цифровой код, посылаемый для дальнейшей обработки в ЭВМ [Монография «Сибирская лидарная станция: аппаратура и результаты» (под редакцией Матвиенко Г.Г.) // Томск. Изд-во ИОА СО РАН. 2016. 414 с. Гл.7.1.1.]
Основным недостатком этого фотомодуля, при его использовании в системе регистрации является низкая эффективность и малая дальность зондирования лидара, вследствие того, что квантовая эффективность фотоумножителя в области ближнего ИК-диапазона длин волн снижается до единиц процентов, по сравнению с видимой областью спектра.
Прототипом заявляемой полезной модели является лидарный фотоприемный модуль, включающий, расположенные в общем корпусе лавинный фотодиод с импульсным высоковольтным источником питания и усилителем, подключенным к аналого-цифровому преобразователю, блок управления, общий низковольтный блок питания, USB-коннектор для связи с внешним компьютером [Слесарь А.С., Чайковский А.П., Иванов А.П., Денисов С.В., Король М.М., Осипенко Ф.П., Балин Ю.С., Коханенко Г.П., Пеннер И.Э. Фотоприемные модули для лидарных станций в сети CIS-LiNet. // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 12. С. 1073–1081].
Недостатком прототипа является наличие электромагнитных и электрических помех, которые в широком частотном диапазоне генерируются импульсным высоковольтным источником. Высоковольтные помехи присутствуют всюду, оказывая воздействие на работу электромагнитных компонентов фотоприемного модуля, тем самым понижая отношение сигнал/шум и уменьшая эффективность работы лидара.
Предлагаемая полезная модель устраняет этот недостаток, благодаря тому, что на время регистрации сигнала на требуемой дальности зондирования источник высоковольтного излучения отключается. Это достигается тем, что источник высоковольтного питания снабжен блоком временного отключения, а параллельно высоковольтному источнику питания ко входу лавинного фотодиода подключен буферный конденсатор, емкость которого определяется величинами обратного тока лавинного фотодиода и времени, необходимого для регистрации лидарного сигнала с трассы зондирования атмосферы.
На фиг.1 изображена блок-схема фотоприемного модуля. Фотоприемный модуль состоит из лавинного фотодиода 1, электрический вход которого подключен к импульсному высоковольтному источнику питания 2 и параллельно к буферному конденсатору 4. Высоковольтный источник питания 2 снабжен блоком отключения 3, управление которым осуществляется блоком управления 8. Выход лавинного фотодиода соединен через усилитель 5 со входом аналого-цифрового преобразователя лидарных сигналов 6, выход которого через USB-коннектор 7 подключен к внешнему компьютеру. Блок управления 8 подключен к блоку отключения 3, усилителю 5 и аналого-цифровому преобразователю 6. Низковольтный источник питания 9 электрически связан со всеми электронными компонентами фотоприемного модуля.
Фотоприемный модуль работает следующим образом.
В начальный момент времени, когда осуществляется посылка лазерного излучения в атмосферу на вход блока управления 8 подается синхроимпульс. Блок управления 8 задает величину интервала времени (протяженности трассы) зондирования и вырабатывает старт-импульс для начала работы блока отключения 3, усилителя 5 и аналого-цифрового преобразователя 6. Лидарный сигнал поступает на оптический вход лавинного фотодиода 1, на электрический вход которого постоянно подано напряжение непосредственно от источника  высоковольтного питания 2, а также от параллельно подключенного буферного конденсатора 4. Усилитель 5 и аналого-цифровой преобразователь 6 постоянно подключены к источнику низковольтного напряжения 9.
Получив синхроимпульс блок 8 полностью отключает источник высоковольтного напряжения 2, тем самым исключая появление электромагнитных помех от источника, а напряжение на электрическом входе лавинного фотодиода 1 поступает от буферного конденсатора 4.
Лидарный световой сигнал преобразовывается лавинным фотодиодом 1 в электрический сигнал, который затем усиливается блоком 5 и оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 6. Оцифрованный сигнал через USB-коннектор 7 поступает для записи и обработки во внешний компьютер.
После окончания временного интервала зондирования, блок управления 8 выдает команду блоку 3 на включение источника высоковольтного питания 2, который заряжает конденсатор 4.
В дальнейшем этот цикл зондирования повторяется.
В реализуемой полезной модели в качестве лавинного фотодиода используется диод марки C30956EH-TC. Величина обратного тока этого фотодиода не превышает 0.2мА.
Если максимальная дальность зондирования составляет порядки 150 км, а емкость буферного конденсатора 10 мкФ, то за время зондирования (1мсек) при отключенном блоке высоковольтного питания изменения напряжения на буферной емкости будут меньше 0,01% от номинала, что не влияет на работу фотоприемного модуля.