Лазерный импульсный дальномер
LASER PULSE RANGEFINDER

Изобретение относится к лазерной технике, а именно, к аппаратуре лазерной дальнометрии.
Известен лазерный импульсный дальномер, содержащий лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения и измеритель временного интервала между зондирующим и отраженным целью импульсами, определяемого путем подсчета хронирующих импульсов, заполняющих измеряемый временной интервал [1].
В [2] рассмотрены особенности построения импульсных локаторов, содержащих лазерный передатчик и последовательно включенные фотодетектор, усилитель, пороговую схему и измеритель задержки.
Наибольшей дальностью действия, минимальными габаритами и возможностью работать в режиме накопления обладает лазерный импульсный дальномер [3] (прототип изобретения) с лавинным фотодиодом в качестве приемника отраженного сигнала, Этот дальномер содержит импульсный полупроводниковый лазер с оптической системой и схемой накачки лазера, лавинный фотодиод с оптической системой и управляемым источником питания, последовательно соединенный с усилителем фотодетектированных сигналов, на выходе которого включена пороговая схема (аналого-цифровой преобразователь) и измеритель задержки сигнала с индикатором дальности. Существует оптимальный режим лавинного умножения фотодиода, в котором отношение сигнал/шум максимально [4], благодаря чему обеспечивается максимальная дальность действия дальномера.
Недостатком этого технического решения является возможность возникновения в оптимальном лавинном режиме неконтролируемых микроплазменных пробоев (микроплазм) полупроводникового перехода фотодиода [5, 6]. При этом на выходе приемного тракта появляются импульсы, вызывающие ложные отсчеты дальности. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения напряжения смещения фотодиода. Увеличение амплитуды импульсных помех сопровождается увеличением их длительности и уменьшением скважности [5].
Задача изобретения - обеспечить работу в оптимальном лавинном режиме при наличии микроплазм без ухудшения обнаружительных характеристик лазерного дальномера.
Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном импульсном дальномере, содержащем импульсный лазер со схемой накачки лазера, лавинный фотодиод с источником смещения, последовательно связанный через усилитель принятых сигналов с пороговой схемой и измерителем задержки сигнала, между выходом усилителя и входом пороговой схемы введен ключ, а на выходе усилителя введены вторая и третья пороговые схемы, выходы пороговой схемы и третьей пороговой схемы соединены параллельно, а выход второй пороговой схемы подключен к запрещающему входу ключа, причем порог срабатывания пороговой схемы установлен пропорционально уровню флуктуационного шума на выходе усилителя в режиме оптимального лавинного усиления, а пороги срабатывания второй и третьей пороговых схем установлены соответственно минимальной и максимальной амплитуде микроплазменных импульсов на выходе усилителя в том же режиме.
Пороговые схемы могут быть снабжены схемами автоматической регулировки порога.
пор1
пор3
На фиг. 1 представлена блок-схема лазерного дальномера. На фиг. 2 - эпюры сигналов и помех, а также порогов I-I в случае коротких (фиг. 2а) и длинных (фиг. 2б) микроплазм.
Дальномер содержит импульсный лазер 1, последовательно включенные лавинный фотодиод 2 со схемой смещения 3, усилитель 4, ключ 5, первую пороговую схему 6 и измеритель задержки сигнала 7. На выходе усилителя включены вторая 8 и третья 9 пороговые схемы. Выход схемы 9 соединен с выходом первой пороговой схемы 6, а выход второй пороговой схемы 8 подключен к запрещающему входу ключа 5. Управление работой дальномера осуществляется блоком управления и синхронизации 10. Источник смещения может быть снабжен схемой временной автоматической регулировки лавины (ВАРЛ) 11.
Дальномер работает следующим образом.
пор2
пор3
По команде с блока управления лазер 1 излучает в направлении цели короткий световой импульс. Одновременно запускается тактовый генератор и счетчик тактовых импульсов в составе измерителя задержки 7. Отраженный целью сигнал принимается лавинным фотодиодом 2, усиливается усилителем 4 и поступает на входы пороговых схем 6, 8, 9, причем на пороговую схему 6 сигнал поступает через открытый ключ 5. Если сигнал превышает порог срабатывания I схемы 8, то ключ запирается, и на пороговую схему 6 сигнал не поступает. Если сигнал превышает порог I третьей пороговой схемы 9, то с выхода схемы 9 он поступает непосредственно на вход измерителя задержки 7.
пор2
пор3
23
23
23
мин
макс
пор2
пор3
мин
макс
23
I
23
м
м
м
м
Благодаря такому построению дальномера блокируются все импульсы с амплитудой I<I<I (фиг. 2) в их числе все импульсы микроплазм и часть сигнальных импульсов с амплитудой из диапазона ΔI (такой сигнал обозначен пунктиром на фиг. 2). Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения на фотодиоде [5]. Вероятность потери сигнальных импульсов, попавших в интервал ΔI тем меньше, чем меньше ширина этого интервала. Для обеспечения минимальной ширины межпорогового интервала ΔI предварительно устанавливают оптимальный режим лавинного умножения, затем в этом режиме определяют минимальную I и максимальную I амплитуду микроплазм, после чего устанавливают пороги I и I с минимальным отклонением от соответственно I и I, так, чтобы на выходе ключа не было микроплазм. При таком порядке подготовки к измерениям вероятность попадания сигналов в интервал ΔI близка к нулю, поскольку отношение , где D - амплитудный диапазон принимаемых сигналов. При повторных измерениях вероятность пропуска еще более уменьшается вследствие флуктуаций сигнала из-за случайных отклонений энергии и распределения зондирующего пучка в плоскости цели; изменений эффективной отражающей способности цели; флуктуаций прозрачности атмосферы; отклонения оси наведения зондирующего пучка. В результате воздействия этих факторов амплитуда отраженного сигнала «размывается», и вероятность его попадания в узкий интервал ΔI становится пренебрежимо малой.
Схема смещения 3 обеспечивает установку режима смещения близко к оптимальному режиму без учета микроплазм, при котором соблюдается зависимость [4]
где М - коэффициент лавинного умножения;
опт
М - значение М, при котором отношение сигнал/шум [7] максимально;
0
2
I - квадрат неумножаемого шумового тока на выходе фотодиода;
M
1
2
J=2eIΔf;
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [7];
е - заряд электрона;
1
I - первичный умножаемый ток фотодиода в безлавинном режиме.
Δf - полоса пропускания приемного тракта.
Оптимальное значение коэффициента лавинного умножения М можно определить следующим образом [4]. На выходе лавинного фотодиода действует эквивалентный квадрат шумового тока:
0
2
где I - квадрат неумножаемого шумового тока;
е - заряд электрона;
1
I - первичный обратный ток фотодиода;
Δf - полоса пропускания приемного тракта до входа порогового устройства;
М - коэффициент лавинного умножения;
α
М - шум-фактор лавинного умножения [7];
α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода.
Квадрат W отношения шум/сигнал:
m
1
2
где J=2eIΔf.
Условие нуля производной:
или
откуда
Как видно из графиков фиг 2. предлагаемое техническое решение эффективно подавляет «телеграфные» помехи, вызванные микроплазменными пробоями с малой длительностью микроплазм (фиг. 2а) и длинными микроплазмами (фиг. 2б). Поскольку микроплазмы аддитивно смешиваются с шумовым процессом, сигнальные импульсы накладываются на импульсы помех и, как видно из фиг. 2, не маскируются помехами, а выделяются на их фоне, причем сами помехи полностью подавляются.
Предлагаемая структура обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум при сохранении заданной вероятности ложных тревог - благодаря блокированию микроплазменных помех. При этом вероятность пропуска сигнала практически не увеличивается, поскольку сигнальные импульсы изолируются только при несовпадении с микроплазмой и при попадании амплитуды сигналов в узкий интервал между вторым и третьим порогами, пренебрежимо малый по сравнению с амплитудным диапазоном принимаемых сигналов.
Благодаря указанному построению дальномера обеспечивается решение поставленной задачи - работу в оптимальном лавинном режиме при наличии микроплазм без ухудшения обнаружительных характеристик лазерного дальномера.
Источники информации
1 В.А. Смирнов «Введение в оптическую радиоэлектронику». Изд. «Советское радио», Москва, 1973 г., с. 189.
2 В.А. Волохатюк и др. «Вопросы оптической локации». Под ред. Р.Р. Красовского. Изд. «Советское радио», М., 1971 г. - с. 176.
3 Патент РФ №2551700. Лазерный импульсный дальномер. - Прототип.
4 Патент РФ №2 750 443. Способ приема сигналов.
5 A.M. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007.
6 А.В. Верховцева. Статистическая теория нестационарных лавинно-пробойных процессов в кремниевых планарных фото диодных структурах. Диссертация на соискание ученой степени физико-математических наук, Москва, 2011 г.
7 Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9 - с. 59.