Результат интеллектуальной деятельности: Приемник оптического излучения

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и других светолокационных устройств.

Известны приемники оптического излучения [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=cτ/2, где c - скорость света. Подобным образом построены оптические приемники [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 ФПУ, если энергия входного излучения превышает уровень лучевой прочности фоточувствительного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является приемник, 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 лазерного излучения для слабых входных сигналов.

Эта задача решается за счет того, что в известном приемнике лазерного излучения, 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, состоящий из источника тока и биморфного элемента в виде двухслойной плоской пружины, один из слоев биморфного элемента выполнен токопроводящим, противоположные концы которого через ключ соединены с выходом источника тока, а второй слой выполнен из оптически прозрачного материала, имеющего имеет более низкий коэффициент температурного расширения по сравнению с первым слоем, один конец биморфного элемента неподвижно закреплен на корпусе приемника, а второй конец скручен по отношению к нему на 90 градусов вокруг продольной оси биморфного элемента, причем токопроводящий слой нанесен только на нижнюю часть биморфного элемента до скрутки, а верхняя часть представляет собой шторку с полупрозрачным покрытием, размещенную так, чтобы в первом рабочем положении при отключенном источнике тока шторка перекрывала апертуру фоточувствительного элемента, а при деформации биморфного элемента под действием протекающего тока открывала фоточувствительный элемент, перемещаясь параллельно фоточувствительному элементу на расстояние

где r - радиус дуги, образуемой биморфным элементом во втором рабочем положении; L - длина биморфного элемента с токопроводящим покрытием; h длина верхнего участка биморфного элемента от конца токопроводящего покрытия до оси фоточувствительного элемента; d_фчэ - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; a - 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; b - толщина оправы шторки.

Коэффициент пропускания полупрозрачного покрытия шторки τ, может отвечать условию где E_фпу - энергетическая чувствительность оптического приемника; E_мин и Е_макс - нижняя и верхняя границы диапазона энергий перегрузочного сигнала; Е_пду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент оптического приемника.

Токопроводящий слой биморфного элемента может быть выполнен в виде цепи из двух и более параллельных полос, соединенных последовательно так, чтобы начало и конец токопроводящей цепи находились с неподвижно закрепленной стороны биморфного элемента.

На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема приемника. Фиг. 2 иллюстрирует устройство привода шторки в ее первом положении. Фиг. 3 поясняет расчетные соотношения для второго положения шторки. На фиг. 4 показаны варианты исполнения токопроводящего слоя.

Приемник лазерного излучения (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, а второй является его управляющим входом. Оптический приемник размещен в герметичном корпусе 9 с оптическим окном 10, через которое принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1. Привод шторки (фиг. 2) состоит из биморфного элемента 11 и источника тока 12, через ключ 13 подключенного к токопроводящему слою биморфного элемента. Биморфный элемент 11 представляет собой изогнутую плоскую пружину в виде композиции двух слоев - токопроводящего слоя 14 и второго слоя (подложки) 15 (фиг. 2).

Ход шторки ΔС между ее двумя фиксированными положениями (фиг. 3) определяется из условия полностью закрытого и полностью открытого фоточувствительного элемента в двух рабочих положениях шторки. Физическая модель деформации биморфного элемента - фиг. 3а). Геометрическая модель - фиг. 3б).

В зависимости от технологических особенностей производства токопроводящий слой может быть нанесен на подложку в виде одной полосы (фиг. 4а), двух полос (фиг. 4б) или четырех полос (фиг. 4в).

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии полупрозрачная шторка 6 с коэффициентом пропускания τ находится перед рабочей площадкой фоточувствительного элемента 1, ослабляя поступающие на нее сигналы в 1/τ раз. Если в поле зрения фоточувствительного элемента находится источник излучения, создающий на фоточувствительном элементе 1 засветку, превышающую порог чувствительности схемы обработки сигнала 2, то ключ 13 остается в разомкнутом состоянии, шторка остается в исходном положении, и оптический приемник работает в защищенном режиме.

При отсутствии сигнала на выходе устройства и на входе логического модуля 8 последний подает сигнал на замыкание ключа 13, и источник тока 12 подключается к токопроводящему слою биморфного элемента 11. Под действием протекающего тока этот слой нагревается и биморфный элемент изгибается. Под действием силы, создаваемой биморфным элементом, шторка перемещается на расстояние ΔС (фиг. 3).

При нагревании токопроводящего слоя протекающим через него током кривизна k биморфного элемента, то есть величина, обратная радиусу изгиба стержня, изменяется согласно зависимости [7]

где:

ε=(α₁-α₂)ΔТ;

E₁ и Е₂ - модули упругости материалов первого и второго слоев;

h₁ и h₂ - толщины слоев биморфного элемента (фиг. 3);

α₁ и α₂ - коэффициенты теплового расширения материалов слоев;

ΔТ - разность температур до и после нагревания биморфного элемента.

При быстром нагревании токопроводящего слоя импульсным током второй слой за время импульса не успевает прогреться, и кривизна биморфного элемента еще более увеличивается по сравнению с величиной, получаемой из выражения (1).

Стрелка дуги, образующейся при деформации биморфного элемента (фиг. 3б), определяется по формуле

где

r=1/k;

θ=kL;

L - длина токопроводящего слоя.

Дополнительное смещение шторки C_h обусловлено наклоном плеча h на угол α (фиг. 2б).

Ход шторки

Пример 1.

Биморфный элемент представляет собой металлостеклянную ленту (пирекс + нихром) с характеристиками.

В скобках - укороченный вариант L=5 мм, h=l мм.

Согласно (1) k=6,58(α₂-α₁)ΔT=98,6ΔТ⋅10^-6. r=1/k.

Если шторка выполнена полупрозрачной, в ее исходном положении приемник может принимать сигналы, превышающие уровень номинальной чувствительности приемника в 1/τ раз и более без ущерба для фоточувствительного элемента.

Из обозначений на фиг. 1 видно, что для перекрытия шторкой рабочей площадки фоточувствительного элемента должно выполняться условие

где d_шт - рабочий диаметр полупрозрачного участка шторки; d_фчэ - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - расстояние от шторки до поверхности фоточувствительного элемента; α - угол зрения фоточувствительного элемента; Δ - погрешность фиксации исходного положения шторки. В величину Δ входят как погрешности юстировки, так и температурный уход в диапазоне окружающих температур.

Рабочее смещение шторки ΔС должно быть не менее d_шт.

Пример 2.

Эквивалентные габариты перемещаемой части биморфного элемента 2×0,5×0,2=0,2 мм³=2⋅10^-4 см³. При плотности стекла 2,5 г/см³ масса составляет m ~ 5⋅10^-4 г=5⋅10^-7 кг.

Сила воздействия биморфного элемента на шторку F=0.001 Н.

Ускорение а=F/m=0.001/5⋅10^-7 ~ 2000 м/с².

Смещение S=0,3 мм=3⋅10^-4 м.

Время выведения шторки в рабочее положение

Пример 3.

Токопроводящий слой (нихром) длиной 20 мм сечением 0,1×0,1 мм (фиг. 4в).

Плотность ρ_т=7,94 г/см³; теплоемкость β=0,57 Дж/кгК.

Объем токопроводящего слоя V_Т=2⋅10^-4 см³. Его масса m=ρ_TV_T=1,6⋅10^-6 кг.

Энергия для нагрева токопроводящего слоя на 300°

Е_Т=βmΔТ=0,57⋅1,6⋅10^-6⋅300=0,000273 Дж=0,273 мДж.

Характеристики источника питания.

Потребляемая токопроводящим слоем мощность

Р_Т=Е_Т/t, где t - длительность импульса.

Для рассматриваемого примера

Р_Т=Е_Т/t=0,273 мДж/0,5 мс ~ 0,55 Вт.

Сопротивление токопроводящего слоя

R_T=ρ_RL_T/S_t ~ 10^-6⋅2⋅10^-2/(0,1⋅0,1)⋅10^-6=2 Ом,

где ρ_R ~ 1 мкОм⋅м - удельное сопротивление нихрома, L_Т=0,02 м - длина токопроводящего слоя; S_T - площадь поперечного сечения нити.

Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R_T

Р_T=I_T²⋅R_T, откуда потребляемый ток

I_T=(Р_T/R_T)^0,5=(0,55/2)^0,5=0,51 А.

Напряжение источника

U_T=P_T/I_T=0,55/0,51 ~ 1 В.

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 шторка может иметь вид прозрачной плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием, нанесенным, например, путем металлизации. Толщина этого покрытия определяет величину τ при сохранении габаритно-присоединительных параметров.

Описанное техническое решение обеспечивает безопасное применение приемника оптического излучения 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 №2 506 547.

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. USpatentNo6,548,807 - прототип.

7. Clyne T.W. Residual stresses in surface coatings and their effects on interfacial debonding.«KeyEngineeringMaterials» (Switzerland).Vol. 116-117, 1996, pp. 307-330.