СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ВХОДНОМ ОПТИЧЕСКОМ СИГНАЛЕ, ОСНОВАННЫЙ НА ПРЕОБРАЗОВАНИИ МОДЕЛИРОВАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ГЕТЕРОДИННОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF OBTAINING INFORMATION ON INPUT OPTICAL SIGNAL, BASED ON CONVERSION OF SIMULATED OPTICAL SIGNALS USING HETERODYNE OF THE PHOTODETECTOR, AND DEVICE THEREFOR

Группа изобретений относится к фотонике, в частности оптической измерительной технике, и может быть использована в лазерных системах трехмерного технического зрения, дальнометрии, системах оптической передачи информации, лазерной локации и лазерной дифференциально-фазовой сканирующей микроскопии.
Технической задачей, стоящей в данной области техники, на решение которой направлено изобретение, является создание устройств, обладающих высокой чувствительностью, избирательностью и селективностью и способных получить информацию о слабом оптическом сигнале при интенсивной фоновой оптической засветке.
Известны аналогичные способы и устройства, позволяющие решить представленную задачу.
Например, известен метод псевдосинхронного обнаружения света для фотоэлектронного умножителя с синусоидально-модулированным коэффициентом усиления (T. Iwata, T. Inoue, T. Araki, «Pseudo-Lock-in Light Detection Method for a Sinusoidally-Gain-Modulated Photomultiplier Tube», Optical Review Vol. 11, No. 1, pp. 19-23, 2004), в котором представлен способ получения информации о входном оптическом сигнале, основанный на преобразовании модулированных оптических сигналов с помощью гетеродинного фотоприемного устройства, образованного гетеродинным генератором с размещенным в нем фазовращателем, фотодетектором, фильтром нижних частот и усилителем. Способ заключается в том, что формируют оптическое излучение, модулируют его по частоте с помощью гетеродинного генератора и подают на вход фотодетектора фотоприемного устройства, затем на фильтр нижних частот и усилитель. При этом в качестве фотодетектора использован фотоэлектронный умножитель, который запитывают электрическими импульсами той же частоты с синхронизацией по фазовой задержке с помощью ручной подстройки фазовращателя. После чего с выхода фотоприемного устройства снимают электрический полезный сигнал, по которому получают информацию об амплитуде входного оптического сигнала.
Недостатком аналога является:
- низкая информативность за счет отсутствия возможности получения информации о фазовой задержке входного оптического сигнала в силу использования одного информационного канала;
- для синхронизации гетеродинного генератора требуется ручная подстройка фазовращателя, что ведет к недостаточно высокой чувствительности, избирательности, селективности и отношению сигнал/шум;
- невозможность разнесения передающего и гетеродинного фотоприемного устройств на большие расстояния за счет использования электрических связей между ними.
Предложена схема псевдосинхронного детектирования света с помощью синусоидальной модуляции напряжения смещения, прикладываемого к двум динодам в фотоэлектронном умножителе (Т. Iwata, Н. Ochi, Т. Araki, «А proposal of a pseudo-lock-in light-detection scheme by sinusoidal modulation of bias voltages applied to two dynodes in a photomultiplier tube», Measurement Science and Technology, 20, pp. 1-7, 2009), и конструкция системы псевдосинхронного обнаружения света на основе кремниевого лавинного фотодиода в режиме стробирования (T. Miyata, T. Iwata, T. Araki, Construction of a pseudo-Lock-in light-detection system using a gain-enhanced gated silicon avalanche photodiode», Measurement Science and Technology, Vol. 16, No. 12, pp. 2453-2458, 2005), где в каждом из них представлено устройство преобразования модулированных оптических сигналов на основе гетеродинного фотоприемного устройства, которое содержит источник модулированного оптического излучения с передающей оптикой, гетеродинный генератор с размещенным в нем фазовращателем и фотоприемное устройство в виде последовательно подключенных фотодетектора с блоком питания, фильтра нижних частот и усилителя. В первом источнике информации в качестве фотодетектора применен фотоэлектронный умножитель, а во втором - кремниевый лавинный фотодиод (ЛФД).
Недостатком известных устройств является невозможность получения полной информации о входном оптическом сигнале, что обусловлено применением одного фотоприемного устройства, а также за счет отсутствия блока фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с отдельным гетеродином, недостаточно высокая чувствительность, избирательность, селективность и отношение сигнал/шум устройства преобразования. Присутствие электрических связей между передающим и фотоприемным устройствами исключает возможность их разнесения на большие расстояния.
Наиболее близкими по технической сущности и назначению к заявленному изобретению являются способ получения информации о входном оптическом сигнале, основанный на преобразовании модулированных оптических сигналов с помощью гетеродинного фотоприемного устройства, и устройство для его осуществления, которые изложены в статье «Кремниевый лавинный фотодиод, работающий в режиме стробирования импульсами наносекундной длительности, и его использование для измерения кривой распада флуоресценции керамики из алюмоиттриевого граната легированного церием» (Т. Miyata, Т. Iwata, S. Nakayama, Т. Araki, «А nanosecond gate-mode-driven silicon avalanche photodiode and its application to measuring fluorescence lifetimes of Ce-doped YAG ceramics», Measurement Science and Technology, 23, pp.1-7, 2012). Способ заключается в том, что формируют оптическое излучение, модулируют его по частоте и подают на вход фотодетектора фотоприемного устройства, который запитывают модулированными электрическими импульсами наносекундной длительности от гетеродинного генератора той же частоты с синхронизацией по фазовой задержке с помощью ручной подстройки фазовращателя, после чего с выхода фотоприемного устройства снимают электрический полезный сигнал, по которому получают информацию об амплитуде входного оптического сигнала. Устройство преобразования модулированных оптических сигналов на основе гетеродинного фотоприемного устройства содержит источник модулированного оптического излучения с передающей оптикой, гетеродин с размещенным в нем фазовращателем и фотоприемное устройство в виде последовательно подключенных фотодетектора с блоком питания, фильтра нижних частот и усилителя. В качестве фотодетектора использован кремниевый лавинный фотодиод. Причем амплитуда электрических импульсов наносекундной длительности, которыми запитывают кремниевый лавинный фотодиод, меньше напряжения пробоя.
Представленные способ и устройство обладают низкой информативностью, так как снимают один электрический полезный сигнал, по которому получают информацию только об амплитуде входного оптического сигнала, а также недостаточно высокой чувствительностью, избирательностью, селективностью и отношением сигнал/шума, так как для синхронизации гетеродинного генератора требуется ручная подстройка фазовращателя. Другим недостатком является отсутствие возможности разнесения передающего и фотоприемного устройств на большие расстояния, так как используются электрические связи между ними.
Достигаемый технический результат заключается в повышении информативности за счет использования еще одного информационного канала, а также повышении чувствительности, избирательности, селективности и отношения сигнал/шум.
Дополнительным техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей за счет разнесения передающего и фотоприемного устройств на большие расстояния.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения информации о входном оптическом сигнале, основанном на преобразовании модулированных оптических сигналов с помощью гетеродинного фотоприемного устройства, заключающемся в том, что формируют оптическое излучение, модулируют его по частоте и подают на вход фотодетектора фотоприемного устройства, который запитывают модулированными электрическими импульсами той же частоты с синхронизацией по фазовой задержке, после чего с выхода фотоприемного устройства снимают электрический полезный сигнал, по которому получают информацию об амплитуде входного оптического сигнала, новым является то, что модулированное оптическое излучение одновременно подают на вход фотодетектора дополнительного фотоприемного устройства, который запитывают электрическими импульсами от гетеродина с частотой модулированного оптического излучения квадратурно относительно запитывающих импульсов основного фотоприемного устройства, при этом с выхода дополнительного фотоприемного устройства снимают дополнительный электрический полезный сигнал, по которому получают информацию о фазовой задержке входного оптического сигнала, которую также используют для синхронизации гетеродина.
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство преобразования модулированных оптических сигналов на основе гетеродинного фотоприемного устройства содержит источник модулированного оптического излучения с передающей оптикой, гетеродин, фазовращатель и фотоприемное устройство в виде последовательно подключенных фотодетектора с блоком питания, фильтра нижних частот и усилителя, новым является то, что оно снабжено дополнительным фотоприемным устройством и блоком фазовой автоподстройки частоты, при этом дополнительное фотоприемное устройство выполнено по аналогии с первым, оптически связано с основным фотоприемным устройством и источником модулированного оптического излучения, причем выход дополнительного фотоприемного устройства через блок фазовой автоподстройки частоты подключен к гетеродину, выход которого подключен к входу фазовращателя, выполненного с фазовым сдвигом на 90°, а первый выход фазовращателя подключен к электрическому входу фотодетектора основного фотоприемного устройства, второй выход - к электрическому входу фотодетектора дополнительного фотоприемного устройства.
Кроме того, устройство дополнительно содержит блок автоматической регулировки усиления, вход которого подключен к выходу основного фотоприемного устройства, а выход - к блоку питания фото детекторов, который выполнен регулируемым.
Влияние отличительных признаков патентной формулы способа на технический результат.
Одновременная подача на вход фотодетектора дополнительного фотоприемного устройства модулированного оптического излучения позволяет получить информацию о фазовой задержке входного оптического сигнала и тем самым повысить информативность.
Запитывание дополнительного фотоприемного устройства электрическими импульсами от гетеродина частотой модулированного оптического излучения квадратурно относительно запитывающих импульсов основного фотоприемного устройства способствует «надежному» выделению слабого модулированного оптического сигнала, что ведет к повышению чувствительности, избирательности, селективности и отношения сигнал/шум.
Снятие с выхода дополнительного фотоприемного устройства дополнительного электрического полезного сигнала, по которому получают информацию о фазовой задержке входного оптического сигнала, обеспечивает синхронизацию гетеродина, что также позволяет повысить информативность.
Использование информации с дополнительного фотоприемного устройства для синхронизации гетеродина позволяет преобразовать более слабый оптический сигнал на фоне более мощной засветке, т.е. повысить чувствительность, избирательность, селективность и отношение сигнал/шум.
Влияние отличительных признаков патентной формулы устройства на технический результат.
Снабжение устройства дополнительным фотоприемным устройством, выполненным по аналогии с основным фотоприемным устройством и оптически связанным с ним и источником модулированного оптического излучения, позволяет получить еще один выходной информационный канал, по которому можно снять дополнительный электрический полезный сигнал с информацией о фазовой задержке входного оптического сигнала, что ведет к повышению информативности.
Снабжение устройства блоком фазовой автоподстройки частоты обеспечивает точную синхронизацию частоты и фазы гетеродина, которая также влияет на повышение информативности.
Подключение выхода дополнительного фотоприемного устройства через блок фазовой автоподстройки частоты к гетеродину, выход которого подключен к входу фазовращателя, позволяет отказаться от электрических связей между источником модулированного оптического излучения и гетеродинным фотоприемным устройством, вследствие чего появляется возможность их разнесения на большие расстояния, что расширяет эксплуатационные возможности устройства в целом.
Выполнение фазовращателя с фазовым сдвигом на 90° обеспечивает синхронизацию гетеродина с источником модулированного оптического излучения, что позволяет получить два информационных канала, которые влияют на повышение информативности.
Подключение первого выхода фазовращателя к электрическому входу фотодетектора основного фотоприемного устройства реализует амплитудный информационный канал.
Подключение второго выхода фазовращателя к электрическому входу фотодетектора дополнительного фотоприемного устройства реализует фазовый информационный канал.
Дополнительное содержание блока автоматической регулировки усиления, вход которого подключен к выходу основного фотоприемного устройства, а выход - к регулируемому блоку питания фотодетекторов, позволяет надежно преобразовать полезный оптический сигнал в условиях быстро меняющейся внешней засветки и расширить динамический диапазон гетеродинного фотоприемного устройства, что повышает информативность.
На чертеже представлена схема заявляемого устройства, где позициями обозначены:
1 - источник модулированного оптического излучения с передающей оптикой;
2 (а, б) - фотодетектор;
3 - фазовращатель;
4 (а, б) - фильтр нижних частот (ФНЧ);
5 - гетеродин;
6 (а, б) - усилитель;
7 - блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);
8 - блок автоматической регулировки усиления (АРУ);
9 - регулируемый блок питания фотодетекторов (РБП);
10 - основное фотоприемное устройство;
11 - дополнительное фотоприемное устройство.
Устройство содержит источник модулированного оптического излучения 1 с длинной волны λ и передающей оптикой, два фотоприемных устройства 10, 11, которые оптически связаны между собой и источником модулированного оптического излучения 1. При этом каждое из фотоприемных устройств состоит из последовательно соединенных фотодетектора 2 с блоком питания 9, фильтра нижних частот 4 и усилителя 6. Фильтры нижних частот 4 и усилители 6 выполнены на основе операционных усилителей ADA4805-1 Analog Device. Дополнительное фотоприемное устройство 11 содержит обратную связь из фазовращателя 3 с фазовым сдвигом на 90° (квадратурно), гетеродина 5 и блока ФАПЧ 7, вход которого подключен к выходу дополнительного фотоприемного устройства 11, а выход - к входу гетеродина 5, выход гетеродина 5 подключен к входу фазовращателя 3. Источник модулированного оптического излучения 1 модулирует постоянной частотой либо частотой, меняющейся по произвольному закону. Гетеродин выполнен на микросхеме МАХ2607 Maxim Dallas, а фазовращатель выполнен на двух D-ттригерах SN74AUC1G74 Texas Instruments. При этом первый выход фазовращателя 3 подключен к электрическому входу фотодетектора 2а основного фотоприемного устройства 10, а второй выход - к электрическому входу фотодетектора 26 дополнительного фотоприемного устройства 11. Источник оптического модулированного излучения 1 работает с модуляцией по амплитуде или по частоте. В качестве источника оптического излучения использован полупроводниковый лазер с рабочей длиной волны 890 нм. Фотодетекторы 2 (а, б) электрически модулируются (стробируются по времени) с гетеродином 5 и могут работать в аналоговом режиме и в режиме счета фотонов. При этом частота гетеродина 5 равна или кратна частоте модулированного источника оптического излучения 1. В качестве фотодетекторов 2 (а, б) могут быть использованы лавинный фотодиод типа ЛФД 2 либо фотоэлектронный умножитель типа ФЭУ-153. Устройство также содержит блок автоматической регулировки усиления 8, вход которого подключен к выходу основного фотоприемного устройства 10, а выход - к блоку питания фотодетекторов 9, который выполнен регулируемым. Блок ФАПЧ 7 выполнен на основе варикапа, входящего в состав микросхемы МАХ2607. Блок АРУ 8 выполнен на операционных усилителях типа ADA4805-1 Analog Device. При использовании фотодетектора ЛФД2 блок питания выполнен на основе THV 12-180N TracoPower.
w
g
r
g
b
r
b
Устройство работает следующим образом. Формируют оптическое излучение, модулируют его с фиксированной частотой или меняющейся по произвольному закону. После чего модулированное оптическое излучение одновременно подают на оптические входы двух фотодетекторов 2 (а, б) основного и дополнительного фотоприемных устройств 10, 11, далее на фильтры нижних частот 4 (а, б) и усилители 6 (а, б). Причем фотодетектор основного фотоприемного устройства 10 запитывают модулированными электрическими импульсами частотой модулированного оптического излучения частотой модулированного оптического излучения сдвинутыми по фазе, а фотодетектор дополнительного фотоприемного устройства 11 запитывают электрическими импульсами от гетеродина 5 через фазовращатель 3 квадратурно относительно запитывающих импульсов основного фотоприемного устройства. При этом фотодетекторы 2 а, б модулируются (стробируются по времени) гетеродином 5 импульсами длительностью t. Причем в случае использования фотодетектора на основе лавинного фотодиода, амплитуда питающих импульсов V выбрана из соотношения: V+V<V, где V - постоянное напряжение смещения на ЛФД от блока питания 9, V - напряжение пробоя лавинного фотодиода. После чего с выхода основного фотоприемного устройства снимают электрический полезный сигнал, по которому получают информацию об амплитуде входного оптического сигнала, после чего с помощью блока АРУ 8 и РБП 9 поддерживают фотодетектор 2а основного фотоприемного устройства 10 в линейной области преобразования оптического излучения в электрический сигнал. Одновременно с выхода дополнительного фотоприемного устройства снимают электрический полезный сигнал, по которому получают информацию о фазовой задержке входного оптического сигнала, по которому осуществляют синхронизацию гетеродина 5 с помощью блока ФАПЧ 7.
К настоящему времени в РФЯЦ-ВНИИЭФ проведена конструкторская проработка и создан макет устройства преобразования модулированных оптических сигналов на основе гетеродинного фотоприемного устройства. Разработанное устройство может успешно применяться в дальномерах, устройствах дистанционного измерения скорости, а также устройствах дистанционной регистрации акустических колебаний диффузно отражающих поверхностей.