Приемник оптических импульсов
OPTICAL PULSE RECEIVER

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и других светолокационных устройств.
Известны приемники оптических импульсов [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 импульсов [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 импульсов, 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 оптических импульсов для слабых входных сигналов.
1
2
ш
2
1
1
2
шт
фчэ
Эта задача решается за счет того, что в известном приемнике оптических импульсов, 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, включающий коромысло, в средней части шарнирно закрепленное на корпусе приемника, упругий элемент и две параллельных растяжки в плоскости качания коромысла, первая растяжка закреплена между одним плечом коромысла и корпусом, а вторая растяжка - между вторым плечом коромысла и упругим элементом, другой конец которого закреплен на корпусе, шторка установлена в месте соединения второй растяжки с упругим элементом так, чтобы в первом рабочем положении закрывать фоточувствительный элемент, причем, упругий элемент находится в напряженном состоянии, создавая в точке крепления второй растяжки усилие величиной F, а растяжки представляют собой электрически последовательно связанные между собой токопроводящие нити, к концам которых подведен внешний источник управляющего электрического сигнала, при подаче которого температурное расширение растяжек от их нагрева протекающим электрическим током составляет величины соответственно ΔL и ΔL, а смещение шторки ΔL=ΔL+ξΔL, где  s и s - длины плеч коромысла, соединенных, соответственно, с первой и второй растяжками, при этом должно выполняться условие  где d - размер 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.
фпу
ц
max
пду
Шторка может быть выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию  где E - энергетическая чувствительность фотоприемного устройства; Е - энергия сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности до цели; E - максимальная энергия сигнала, отраженного ретрорефлектором; E - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства.
На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. Фиг. 2 иллюстрирует взаимное положение шторки, растяжки и упругого элемента в первом (фиг. 2а) и втором (фиг. 2б) рабочих положениях.
упр
ш
шт
фчэ
Приемник оптических 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 полупрозрачная шторка 6 с приводом 7, управляемым с выхода логического модуля 8, один из входов которого связан с выходом схемы обработки сигнала 2, а второй является его управляющим входом. Устройство размещено в герметичном корпусе 9 с оптическим окном 10, через которое принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1. Привод шторки (фиг. 2) состоит из упругого элемента 11 и двух растяжек 12 и 13 виде токопроводящей нити, на концы которой подается управляющий сигнал U (фиг. 2а). Растяжки электрически соединены последовательно через коромысло 14, закрепленное на корпусе через шарнир 15 с возможностью качания в плоскости растяжек. Ход шторки ΔL между ее двумя рабочими положениями (фиг. 2) определяется из условия закрытого (фиг. 2а) и открытого (фиг. 2б) фоточувствительного элемента, то есть в соответствии с условием  где d - размер шторки; d - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; α - апертурный угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации поперечного положения шторки при отсутствии управляющего сигнала на входе привода.
Устройство работает следующим образом.
упр
1
2
1
1
1
2
2
2
ш
2
1
2
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 U под действием тока, последовательно протекающего через обе растяжки 12 и 13 и коромысло 14, растяжки нагреваются и их исходная длина L и L увеличивается на величину ΔL=αLΔT и ΔL=αLΔТ, где α - коэффициент температурного расширения, ΔT - приращение температуры. В результате под действием силы F, создаваемой упругим элементом, шторка перемещается на расстояние ΔL=ΔL+ξΔL (фиг. 2б), где ξ=s/s, s и s - длины плеч коромысла,
упр
1
2
После отключения сигнала U длины растяжек принимают первоначальные значения L и L и шторка возвращается в исходное положение, закрывая рабочую площадку фоточувствительного элемента. Если шторка выполнена полупрозрачной, в ее исходном положении фотоприемное устройство может принимать сигналы, превышающие уровень номинальной чувствительности ФПУ в 1/τ раз и более без ущерба для фоточувствительного элемента.
шт
фчэ
Из обозначений на фиг. 1 видно, что 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 Δ входят как погрешности юстировки, так и температурный уход в диапазоне окружающих температур.
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 конструкция полупрозрачной шторки остается унифицированной для всех применений при ее исполнении в виде прозрачной плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием, нанесенным, например, путем металлизации. Толщина этого покрытия определяет величину τ при сохранении габаритно-присоединительных параметров.
Пример конструктивного исполнения
Упругий элемент - стандартная пружина растяжения 2×10.
Dt - Диаметр проволоки: 0,20 мм.
Dy - Наружный диаметр: 2,00 мм.
Lo - Свободная длина: 10,00 мм.
nv - Количество рабочих витков: 30,00
Ln - Допустимая (максимально) длина расширения для динамической нагрузки: 19.00
с - Жесткость: 0.09 Н/мм.
2
1
При исходной длине L=15 мм сила натяжения F=c(L-L)=0,09(15-10)=0,45Н.
п
Масса пружины М=0,005 г.
-4
Масса шторки ~ 0,1 г; С оправой ~ 0,2 г=2⋅10 кг.
Массой пружины, коромысла и растяжек можно пренебречь.
-4
2
Ускорение а=F/m=0.45/2⋅10 ~ 2000 м/с.
-4
Смещение S=0,3 мм=3⋅10 м.
Время выведения шторки
-6
ш
Две растяжки - нихромовая проволока суммарной длиной 30 мм. α=18⋅10 1/град. L=30 мм; ΔL=0,3 мм.
о
о
Погрешность фиксации шторки определяется не только конструкцией устройства, но и колебаниями ±ΔТ окружающей температуры, поэтому необходимо, чтобы ΔТ>>ΔТ.
ш
о
-6
ΔТ=ΔL/αL=0,3/(18⋅10⋅30)=10000/18 ~ 555°>>ΔТ ~ 50°.
T
-4
3
Пусть габариты токопроводящей нити 0,01×0,01×3 см. Объем V=3⋅10 см.
T
3
-6
Плотность нихрома ρ=7,94 г/см; масса 0,0024 г=2,4⋅10 кг.
Теплоемкость β=0,57 Дж/кгK.
Т
-6
Е=βmΔТ=0,57⋅2,4⋅10⋅555=0,00076 Дж=0,76 мДж.
Характеристики источника питания.
Потребляемая токопроводящей нитью мощность
Т
T
Р=E/t.
Для рассматриваемого примера
Т
Т
Р=Е/t=0,76 мДж/0,5 мс=1,5 Вт.
T
R
T
T
-6
-2
-6
Сопротивление нити R=ρL/S ~ 10⋅3⋅10/(0,1⋅0,1)⋅10=3 Ом,
R
T
T
где ρ ~ 1 мкОм⋅м - удельное сопротивление нихрома, L=0,03 м - длина токопроводящей нити; S - поперечное сечение нити.
T
Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R
Т
T
T
2
Р=I⋅R, откуда потребляемый ток
T
Т
T
0,5
0,5
I=(Р/R)=(1,5/3)=0,71 А.
Напряжение источника
T
Т
T
U=Р/I=1,5/0,71 ~ 2,1 В.
1
2
При соотношении плеч коромысла  существует возможность манипулировать за счет этого параметра статическими и динамическими характеристиками устройства. Например, при  ход шторки 0,3 мм обеспечивается при ΔL=ΔL=0,1 мм и, соответственно, может быть уменьшена температура ΔТ или укорочены растяжки. Однако при том же усилии упругого элемента несколько увеличивается время перемещения шторки из первой позиции во вторую.
Описанное техническое решение обеспечивает безопасное применение приемника оптических импульсов 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 №2506547.
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. US patent No 6,548,807 – прототип.