Приемник оптических сигналов
OPTICAL SIGNAL 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.
Эта задача решается за счет того, что в известном приемнике оптических сигналов, 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 плоскую пружину, замкнутую в виде кольца, диаметрально противоположные стороны которого стянуты растяжкой с усилием F, определяемым заданным быстродействием привода шторки, а шторка связана с пружиной с помощью передаточного звена таким образом, чтобы при изменении длины растяжки на величину Δс шторка перемещалась на заданное расстояние S 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 внешний источник управляющего электрического сигнала, при подаче которого температурное расширение растяжки от ее нагрева протекающим электрическим током составляет величину Δс.
Передаточное звено может представлять собой элемент жесткого крепления шторки к боковой стороне пружины перпендикулярно направлению растяжки, при этом противоположная от шторки сторона пружины прикреплена к корпусу приемника.
1
2
Передаточное звено может представлять собой качающееся коромысло, одно плечо которого длиной L связано с пружиной, а второе длиной L - со шторкой, при этом ход шторки
1
2
2
Плоская пружина может быть сформирована в виде овала, больший диаметр d которого сориентирован в направлении растяжки, а меньший d - в направлении хода шторки, которая прикреплена к пружине с одной из сторон диаметра d.
фпу
min
max
пду
Шторка может быть выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию  где Е - энергетическая чувствительность приемника; E - минимальная энергия высокоэнергетического сигнала поступающего на фоточувствительный элемент; E - максимальная энергия высокоэнергетического сигнала; Е - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент.
На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема приемника оптических сигналов. На фиг. 2 показаны варианты привода с жестким креплением шторки к боковой поверхности пружины. На фиг. 3 изображен вариант привода шторки с передаточным звеном в виде качающегося коромысла.
Приемник оптических сигналов (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 кольцеобразной пружины 7, стянутой растяжкой 8, подключенной к выходу формирователя импульса тока 9, включенного на выходе логического модуля 10, один из входов которого связан с выходом схемы обработки сигнала 2, а второй является его управляющим входом. Устройство размещено в герметичном корпусе 11, через оптическое окно которого принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1. Привод шторки состоит из овальной пружины 7 и растяжки 8 в виде токопроводящей нити, на которую подается управляющий сигнал с формирователя 9. Одной из своих сторон пружина 7 и растяжка прикреплены к корпусу 11. Противоположная сторона пружины жестко, но без электрического контакта связана со вторым концом растяжки, подключенным к выходу формирователя импульса тока 9. В одном конструктивном варианте шторка 6 прикреплена к боковой поверхности пружины 7 на равном удалении от концов растяжки (фиг. 1, 2). В другом варианте (фиг. 3) пружина со стороны крепления свободного конца растяжки оперта на короткое плечо коромысла 12, а шторка 6 прикреплена ко второму плечу коромысла. Растяжка своим фиксированным концом крепится непосредственно к корпусу 11, а пружина 7 - через изолирующую прокладку 13.
Устройство работает следующим образом.
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 9 растяжка под действием протекающего через нее тока нагревается, и ее исходная длина с увеличивается на величину Δс = αсΔТ, где α - коэффициент температурного расширения, ΔT - приращение температуры. В результате под действием силы , создаваемой плоской пружиной, шторка перемещается на расстояние Δs, открывая рабочую площадку фоточувствительного элемента. При отключении управляющего сигнала длина растяжки принимает первоначальное значение с, и шторка 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 Δ 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 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 3 высокоэнергетического сигнала. Тогда логический модуль 10 предотвращает прохождение управляющего сигнала на формирователь 9, и шторка остается в исходном состоянии.
Для плоской кольцевой пружины, нагруженной сосредоточенным растягивающим усилием, справедлива формула [7].
где
Δx - величина деформации (сжатие кольца) в направлении, перпендикулярном направлению растягивающего усилия, мм;
F - прилагаемая растяжкой нагрузка, Н;
- средний радиус кольца, мм;
1
d - внутренний диаметр кольца, мм;
2
d - наружный диаметр кольца, мм;
Е - модуль упругости материала кольца, Па;
- момент инерции сечения кольца;
b - ширина кольца, мм;
- толщина кольца, мм;
В
Предел прочности нихрома при растяжении - σ = 0,65-0,70 ГПа.
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 30 мм. Площадь сечения S = 0,00785 мм=7,85⋅10 м. Рабочая нагрузка F = σ⋅S = 0,1⋅7,85=0,8 Н.
Кольцевая пружина - бериллиевая бронза БрБ2, лента. Е = 12000 МПа.
2
1
d = 20,1 мм; d = 19,9 мм. r = 10 мм.  Ширина b = 2 мм.
Согласно формуле (1) начальное поперечное сужение кольца под действием продольной силы F
При температурном расширении нихромовой нити кольцо стремится восстановить прежнюю форму с силой F. Тогда, если суммарная эквивалентная масса кольца и шторки равна m, ускорение шторки (фиг. 2).
Пример 2.
к
к
3
-4
-4
Масса кольца в приведенных обозначениях m = 2πr⋅bh⋅ρ, где ρ - плотность материала кольца. Плотность бронзы БрБ2 ГОСТ 1789-70 ρ=8,8 кг/дм. При этих данных m = 2πr⋅bh⋅ρ = 2π⋅0,1⋅0,02⋅0,001⋅8,8 = 1,1-10 кг. Эквивалентная ускоряемая масса с учетом шторки и оправы m ~ 2⋅10 кг. Поперечная сила
Ускорение шторки
Перемещение шторки S = 0,3 мм.
Время перемещения
Примечание: шторка 2×2×0,2, стекло К8 ГОСТ 3514-76 с металлизацией.
3
-2
-5
Плотность ρ = 2,51 г/см. Масса 0,2⋅0,2⋅0,02⋅2,51 = 2⋅10 г = 2⋅10 кг.
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.
-6
эксп
эксп
эксп
Пример 3. Растяжка - нихромовая проволока длиной с = 20 мм. α = 18⋅10 1/град. Эксплуатационный температурный диапазон Т = 0 ± ΔТ. ΔТ = 40°С.
Перемещение шторки S = 0,3 мм (см. Пример 2). Соответствующее необходимое удлинение растяжки Δс зависит от исполнения передаточного звена 12 и пружины 7. Принято 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 - T = 1200°С >> ΔТ.
ΔT
Энергия, необходимая для повышения температуры растяжки, Е = βmΔТ, где β - теплоемкость материала растяжки; m - масса прогреваемого объема.
T
-4
3
Пример 4. Габариты токопроводящей растяжки  Объем V ~ 2⋅10 см.
T
T
T
3
-6
Плотность сплава Х20Н80 ρ = 7,94 г/см; m = ρ V=1,6⋅10 кг; теплоемкость нихрома β = 0,57 Дж/кгK.
T
-6
Е = βmΔТ = 0,57⋅1,6⋅10⋅420 = 0,00038 Дж = 0,38 мДж.
R
Сопротивление нихромовой проволоки  где ρ - удельное сопротивление;
с - длина растяжки; d - диаметр проволоки.
T
s
T
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⋅10 Ом⋅м (нихром Н20Х80); с = 0,02 м; d = 0,1⋅10 м.
T
R = 2,6 Ом.
T
s
T
-4
Прямоугольный импульс. R = 2,6 Ом; t = 5⋅10 с; Е = 0,38 мДж. Энергия  откуда  Ток через растяжку
C
s
max
0
T
Экспоненциальный импульс. Постоянная времени разряда τ ~ t /3 = 0,17 мс. Энергия  Максимальный ток I = U/R = l,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 фотоприемного устройства 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". - 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.
7. B.B. Данилевский Лабораторные работы по технологии машиностроения. М.: Высшая школа, 1971 г. - С. 85.