ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к быстродействующим измерителям мощности оптического излучения и может быть использована в оптико-электронных системах, формирующих изображение. Результатом использования полезной модели является уменьшение искажений при формировании изображения в оптико-электронных системах с суммированием сигналов двух фотоприемных устройств.
Известно фотоприемное устройство на лавинном фотодиоде (Патент США №4015118, U.S.C1. 250/211J), содержащее последовательно соединенные лавинный фотодиод, усилитель, полосовой фильтр, компаратор, регулируемый источник питания, выход которого соединен с лавинным фотодиодом, а также источник опорного напряжения, выход которого соединен со вторым выходом компаратора, блок оценки сигнала, вход которого соединен с выходом усилителя, источник оптического излучения, оптически связанный с лавинным фотодиодом, и высокочастотный генератор, частота генерации которого лежит в полосе пропускания полосового фильтра, а выход соединен с источником оптического излучения. В данном устройстве лавинный фотодиод стабилизируется при постоянном коэффициенте лавинного умножения, что обусловливает узкий динамический диапазон принимаемых сигналов и ограничивает возможности использования фотоприемного устройства в оптико-электронных системах.
Наиболее близким к полезной модели является фотоприемное устройство (Патент России №1679212, МКИ G01J 1/44, Бюл. №35, 1991 г.), содержащее последовательно соединенный лавинный фотодиод, усилитель, фильтр нижних частот, компаратор, дискриминатор длительности импульсов, а также регулируемый источник питания, выход
которого соединен с лавинным фотодиодом, а первый и второй входы соединены соответственно с первым и вторым выходами дискриминатора длительности импульсов, блок оценки сигналов, вход которого соединен с выходом усилителя, источник опорного напряжения, выход которого соединен со вторым входом компаратора, высокочастотный генератор, выход которого соединен со вторым входом дискриминатора длительности импульсов, источник оптического излучения, оптически связанный с лавинным фотодиодом, блок синхронизации, первый выход которого соединен с источником оптического излучения и синхронизирующим входом блока оценки сигнала, а второй выход соединен с третьим входом дискриминатора длительности импульсов.
В этом устройстве осуществляется 10-20 кратная регулировка коэффициента умножения лавинного фотодиода за счет регулировки напряжения на лавинном фотодиоде, что позволяет увеличить верхний предел мощности регистрируемых оптических сигналов.
Фотоприемные устройства на кремневых лавинных фотодиодах являются наиболее чувствительными устройствами, принимающими излучение в ближнем инфракрасном диапазоне. Из всего многообразия оптико-электронных систем, формирующих изображение, наиболее интересные результаты дает использование фотоприемного устройства в лазерных системах с построчным сканированием (W.F.Matthews, R.F.Jung. Laser line scanning sensors. Optical Engineering, vol.14, №2, 1975).
Кремневые лавинные фотодиоды ФД-115Л(Б) являются одними из лучших отечественных приборов (Гулаков И.Р. Шуневич С.А. Счет фотонов лавинными фотодиодами. Приборы и техника эксперимента, №4, 1987 г.). Для увеличения размеров входного окна лавинные фотодиоды ФД-115Л(Б) выпускаются с фокусирующим конусом (фоконом) с входным диаметром 2,2 мм. Фокон - оптический световод, использует эффект полного внутреннего отражения и предназначен для уменьшения площади светового потока. Апертурный угол входа излучения в фокон ФД-115Л(Б)
около 30° и использовать их в лазерных системах с построчным сканированием возможно только в случае, если оптическое суммирование сигналов от двух внеосевых параболических зеркал заменено на электрическое суммирование сигналов двух фотоприемных устройств, каждое из которых принимает излучение от своего параболического зеркала (Патент России №2027202, МКИ G02B 26/10, Бюл. №2, 1995 г.).
Инфракрасное лазерное сканирующее устройство (Патент России №2027202) используется в ночных условиях для формирования изображения местности под летательным аппаратом. Развертка изображения перпендикулярно направлению полета осуществляется за счет оптико-механического сканирования, при котором формируются строки изображения. Развертка по второй координате, по направлению полета, осуществляется за счет полета летательного аппарата. Лазерный луч сканирующего устройства отражается различными участками местности под летательным аппаратом и после фокусирования внеосевыми параболическими зеркалами принимаемое излучение попадает на два фотоприемных устройства на лавинных фотодиодах. После обработки принимаемых сигналов в фотоприемных устройствах они складываются в аналоговом сумматоре и поступают в блок регистрации, который формирует изображение местности. При 10-кратном изменении высоты полета (принимаемый сигнал обратно пропорционален квадрату высоты полета), коэффициент пропускания атмосферы в двух направлениях хода лазерного излучения может изменяться в 2-3 раза. Таким образом принимаемый оптический сигнал от наиболее светлых участков местности (ρ=0,4-0,5), которые на изображении отображаются как белые участки, может изменяться в 200-300 раз. В каждом из фотоприемных устройств инфракрасного лазерного сканирующего устройства максимальный уровень сигнала в течение строки изображения изменяется не только в зависимости от высоты полета, но и в зависимости от угла сканирования, когда изменяется эффективная рабочая площадь внеосевых параболических
max
max
max
max
зеркал. При изменении угла сканирования от -φ до +φ (φ≈60°, угол обзора 2φ≈120°) эффективная площадь внеосевых параболических зеркал изменяется примерно в три раза.
1
2
2
1
2
1
1
1
0
В прототипе (патент России №1679212), при его использовании в инфракрасном лазерном сканирующем устройстве, (используются одновременно два фотоприемных устройства), строка изображения разделена на два интервала: T - прием отраженного лазерного излучения, Т - подстройка коэффициента умножения лавинного фотодиода. Синхронизация цикла приема осуществляется блоком синхронизации, на двух выходах которого в течение Т формируется первый импульс длительностью τ, и следующий за ним импульс τ. Во время первого импульса τ осуществляется засветка лавинного фотодиода эталонным излучением источником оптического излучения. Если во время T мощность принимаемого излучения меньше мощности эталонного излучения во время импульса τ, то в этом случае стабилизация коэффициента умножения лавинного фотодиода осуществляется по мощности эталонного излучения. В лавинном фотодиоде поддерживается коэффициент лавинного умножения М, равный
o
оп
и
o
вх
у
M=V/PSRK
оп
где V - напряжение на выходе источника опорного напряжения;
и
Р - мощность импульса засветки лавинного фотодиода источником оптического излучения;
o
S - токовая чувствительность лавинного фотодиода без лавинного умножения;
вx
R - входное сопротивление усилителя;
у
K - коэффициент усиления усилителя по напряжению.
2
2
1
1
Регулировка коэффициента лавинного умножения осуществляется во время импульса τ. Вне интервала τ на выходах дискриминатора длительности импульсом формируются логические состояния, которые поддерживают в течении (T+τ) неизменным коэффициент лавинного умножения лавинного фотодиода.
1
1
и
с
Если в течение интервала T на временном отрезке τ/2 мощность сигнала превышает мощность импульса засветки источником оптического излучения P и равна P, то напряжение на выходе регулируемого источника питания изменится таким образом, что у лавинного фотодиода коэффициент умножения М станет равным
оп
с
o
вx
у
М=V/PSRK
о
Таким образом, в прототипе коэффициент умножения лавинного фотодиода при малой мощности сигналов, принимаемых в течение строки, поддерживается при постоянном значении М - близком к оптимальному, обеспечивающему наилучшее значение отношения сигнал/шум. При большой мощности сигнала коэффициент умножения лавинного фотодиода регулируется в зависимости от мощности сигналов, принимаемых в течение строки.
с
Недостатком прототипа является то, что при использовании устройства в сканирующих системах с суммированием сигналов двух фотоприемных устройств могут возникать искажения при формировании изображения из-за различия чувствительности этих двух фотоприемных устройств. В сканирующей системе, с использованием суммирования сигналов двух фотоприемных устройств, эффективная площадь объектива каждого фотоприемника (внеосевых параболических зеркал), в зависимости от угла сканирования φ, может изменяться в 2-3 раза. Мощность сигнала от наиболее светлых участков местности P по которым осуществляется стабилизация М, также может различаться в 2-3 раза, если светлые участки
местности расположены на краю полосы обзора. То есть, когда стабилизация коэффициента умножения лавинного фотодиода М осуществляется по принимаемому сигналу, из-за различия эффективной площади объективов в течение строки изображения чувствительность двух фотоприемников может различаться в 2-3 раза, что приведет к искажению изображения.
Сущность технического решения в полезной модели направлена на уменьшение искажений при формировании изображений в сканирующих устройствах с суммированием сигналов двух фотоприемных устройств.
Поставленная цель достигается тем, что в фотоприемном устройстве (в инфракрасном лазерном сканирующем устройстве - Патент России №2027202 используются два фотоприемных устройства, описываемых в данной полезной модели), источник опорного напряжения выполнен регулируемым в течение строки изображения, а его управляющий вход соединен с третьим выходом блока синхронизации.
На фиг.1 приведена блок схема фотоприемного устройства, на фиг.2 приведена приемная часть оптической схемы инфракрасного лазерного сканирующего устройства с суммированием сигналов двух фотоприемных устройств, на фиг.3 приведена зависимость эффективной площади каждого из двух внеосевых параболических зеркал инфракрасного лазерного сканирующего устройства от угла сканирования.
Устройство содержит последовательно соединенный лавинный фотодиод 1, усилитель 2, фильтр 3 нижних частот, компаратор 4, дискриминатор длительности импульсов 5, а также регулируемый источник 6 питания, выход которого соединен с лавинным фотодиодом 1, а первый и второй входы соединены соответственно с первым и вторым выходами дискриминатора длительности импульсов 5, блок оценки сигналов 7, вход которого соединен с выходом усилителя 2, источник 8 опорного напряжения, выход которого соединен со вторым входом компаратора 4, высокочастотный генератор 9, выход которого соединен со вторым входом дискриминатора длительности импульсов 5, источник 10 оптического
излучения, оптически связанный с лавинным фотодиодом 1 и блок синхронизации 11, первый выход 12 которого соединен с источником 10 оптического излучения и синхронизирующим входом блока оценки сигнала 7, а второй выход 13 соединен с третьим входом дискриминатора длительности импульсов 5, причем источник 8 опорного напряжения выполнен регулируемым в течение строки изображения, а его управляющий вход соединен с третьим выходом 14 блока синхронизации 11.
Фотоприемное устройство работает следующим образом. При использовании в инфракрасных лазерных сканирующих системах (см. фиг.2) устройство принимает периодически повторяющиеся сигналы (строки изображения). В сканирующей системе используются два фотоприемных устройства - первое фотоприемное устройство 15 и второе фотоприемное устройство 16, которые принимают лазерные сигналы, отраженные боковыми гранями четырехгранного сканера 17, и сфокусированные первым 18 и вторым 19 внеосевыми параболическими зеркалами. После обработки принимаемых сигналов в фотоприемных устройствах они складываются в аналоговом сумматоре 20 и поступают в блок регистрации 21, формирующий изображение местности. По сути работы, каждое из фотоприемных устройств работает независимо от другого фотоприемного устройства.
1
2
2
1
2
1
1
Строка изображения (цикл приема) разделена на два интервала: T - прием оптического излучения, Т - подстройка коэффициента умножения лавинного фотодиода. Синхронизация цикла приема осуществляется блоком 11 синхронизации, на выходе 12 которого в интервале Т формируется первый импульс длительностью τ, и следующий за ним на выходе 13 второй импульс длительностью τ. Во время первого импульса осуществляется засветка лавинного фотодиода 1 эталонным излучением источника 10 оптического излучения. Если во время интервала T мощность принимаемого излучения значительно меньше мощности эталонного излучения во время импульса τ, то в этом случае стабилизация
1
2
оп
1
1
1
2
1
2
0
коэффициента умножения лавинного фотодиода осуществляется по мощности эталонного излучения. Этот световой импульс длительностью τ, преобразуется лавинным фотодиодом 1 в импульс тока, амплитуда которого пропорциональна коэффициенту умножения лавинного фотодиода 1. На входном сопротивлении усилителя 2 импульс тока преобразуется в импульс напряжения, который усиливается усилителем 2 и поступает через фильтр 3 нижних частот на компаратор 4. Сигнал на выходе компаратора 4 равен логической «1», если сигнал на его входе превышает опорное напряжение с источника 8 опорного напряжения. В течение Т опорное напряжение равно V. Дискриминатор длительности импульсов 5 проверяет, не превышает ли логическая «1» с компаратора 4 в течение τ длительности τ/2. Если длительность логической «1» с компаратора 4 превышает τ/2 то дискриминатор длительности импульсов 5 в течение τ уменьшает напряжение на выходе регулируемого источника 6 питания, и уменьшает коэффициент лавинного умножения. Если длительность логической «1» с компаратора 4 меньше τ/2, то дискриминатор длительности импульсов 5 в течение τ увеличивает напряжение на выходе регулируемого источника 6 питания и увеличивает коэффициент лавинного умножения. Таким образом в лавинном фотодиоде 1 поддерживается коэффициент лавинного умножения М, равный
o
оп
и
o
вx
у
M=V/PSRK
оп
где V - напряжение на выходе источника опорного напряжения;
и
Р - мощность импульса засветки лавинного фотодиода источником оптического излучения;
o
S - токовая чувствительность лавинного фотодиода без лавинного умножения;
вx
P - входное сопротивление усилителя;
у
K - коэффициент усиления усилителя по напряжению.
2
1
1
Вне интервала τ в устройстве в течение (T+τ) поддерживается неизменный коэффициент умножения лавинного фотодиода 1.
1
1
0
1
оп
2
оп
1
*
Если в течение интервала T, на выходе компаратора 4 в течение суммарного времени τ/2 формируется логическая «1», то коэффициент умножения лавинного фотодиода будет меньше М. В течение интервала T (в течение строки изображения) регулируется напряжение на выходе источника 8 опорного напряжения - оно равно V  (в течение Т оно равно V). В лазерной сканирующей системе с суммированием сигналов двух фотоприемных устройств (см. фиг.2) эффективная площадь внеосевых параболических зеркал 18, 19 зависит от угла сканирования. По сути эффективная площадь параболических зеркал 18, 19 определяется тем, какая часть зеркал эффективно работает - «засвечивается» принимаемыми световыми потоками, отраженными от боковых зеркальных граней четырехгранного сканера 17. В каждый момент времени t в течение T оба фотоприемных устройства 15, 16 принимают световые потоки от одного и того же участка местности. После сложения сигналов с выходов фотоприемных устройств 15, 16 в аналоговом сумматоре 20 происходит запись изображения подстилающей местности в блоке регистрации 21.
max
max
1
У первого параболического зеркала в начале строки эффективная площадь максимальна, а затем уменьшается (изменение угла сканирования от -φ до +φ), а у второго параболического зеркала в начале строки эффективная площадь минимальна, а затем увеличивается. Эффективные площади двух зеркал в середине строки T равны между собой (φ=0), а в течение строки изменяются в пределах одинаковых границ. Графики зависимости эффективных площадей первого и второго параболических зеркал от угла сканирования φ приведены на фиг.3 и имеют следующие математические зависимости:
перв
max
втор
max
S=S cos(45+φ/2) S=S cos(45-φ/2)
эф
1
эф
перв
эф
втор
оп
1
оп
*
Напряжение источника 8 повторяет зависимость эффективной площади параболических зеркал S от угла сканирования φ - времени в течение строки Т (у первого фотоприемного устройства S=S, у второго фотоприемного устройства S=S) Следует выбрать V  - напряжение на выходе источника 8 опорного напряжения таким, чтобы в течение T V было бы равно:
оп
оп
эф
max
*
V =VS/S
оп
1
2
оп
оп
1
*
*
V  регулируется в течение T, а в течение Т V =V. Синхронизация и управление регулируемых источников 8 опорного напряжения осуществляется за счет того, что его управляющий вход соединен с третьим выходом 14 блока синхронизации 11, причем в качестве выхода 14 может использоваться шина данных об угле сканирования φ (времени от начала строки - t в течение времени приема оптических сигналов T). Простейший вариант реализации регулируемого источника 8 опорного напряжения это последовательное соединение программируемого постоянного запоминающего устройства и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), при этом в качестве сигнала управления 14 используется шина угла сканирования φ.
Использование регулируемого источника 8 опорного напряжения позволяет сделать срабатывание компаратора 4 зависящим только от коэффициентов отражения лазерного излучения от местности, сбалансировать чувствительности двух фотоприемных устройств и таким образом уменьшить искажение при формировании изображений в устройствах с суммированием сигналов двух фотоприемных устройств.