Приемник импульсных лазерных сигналов

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

Известны приемники импульсного 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 t_з относительно момента излучения лазерного зондирующего импульса. По этой задержке судят о дальности R до отражающего объекта по формуле R=сt_з/2, где c - скорость света. Подобным образом построены приемники импульсного излучения [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 импульсных лазерных 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 устройстве 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 для слабых входных сигналов.

Эта задача решается за счет того, что в известном приемнике импульсных лазерных сигналов, содержащем фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом, оптический затвор выполнен в виде полупрозрачной шторки, а в состав приемника введены привод шторки и логический модуль, причем шторка, механически связанная с приводом, расположена перед рабочей площадкой фоточувствительного элемента при отсутствии управляющего сигнала на входе привода и расположена за пределами апертурного угла рабочей площадки при наличии управляющего сигнала на входе привода, вход привода шторки связан с выходом логического модуля, один из входов которого соединен с выходом схемы обработки, а второй является управляющим входом приемника, коэффициент пропускания шторки τ удовлетворяет условию где E_фпу - энергетическая чувствительность приемника импульсных оптических сигналов; E_ц - энергия лазерного сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности; E_max - максимальная энергия лазерного сигнала, отраженного ретрорефлектором; E_пду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на чувствительную площадку фоточувствительного элемента, при этом рабочий диаметр полупрозрачного участка шторки d_шт определяется выражением где 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.

Шторка может быть выполнена в виде прозрачной пластины с нанесенным на ее поверхность полупрозрачным покрытием.

В состав приемника может быть введена отрицательная линза, установленная между оптическим окном и шторкой.

В состав приемника перед фоточувствительным элементом может быть введена положительная линза так, что один из ее фокусов расположен в плоскости фоточувствительного элемента, а второй совпадает с плоскостью, в которой установлена шторка.

На фиг. 1 представлена функциональная схема приемника импульсных лазерных сигналов. Фиг. 2 иллюстрирует варианты оптической схемы с отрицательной линзой (фиг. 2а) и с положительной линзой (фиг. 2б). На фиг. 3 показана конструкция приемника.

Приемник импульсных лазерных 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 полупрозрачная шторка 6 с приводом 7, управляемым с выхода логического модуля 8, один из входов которого связан с выходом приемника, а второй является управляющим входом устройства. Приемник размещен в герметичном корпусе 9 с оптическим окном 10, через которое принимаемое излучение поступает на рабочую площадку фоточувствительного элемента 1. На фиг. 2а) показан вариант приемника с отрицательной линзой 11, введенной между оптическим окном и шторкой 6. На фиг. 2б) представлен вариант с положительной линзой 12, введенной между шторкой 6 и фоточувствительным элементом 1. На фиг. 3 изображен общий вид платы 13 приемника с установленными на ней фоточувствительным элементом 1 и шторкой 6, укрепленной на якоре 14 электромагнита 15, совместно с якорем являющегося приводом 7 шторки.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии шторка 6 находится перед рабочей площадкой фоточувствительного элемента 1, ослабляя поступающие на нее сигналы в 1/τ раз. При подаче управляющего сигнала на вход 1 логического модуля приемник включается в защищенный режим приема сигналов - при шторке в исходном положении. Если уровень принимаемого сигнала на выходе усилителя 4 превышает порог срабатывания формирователя 5, на его выходе формируется стандартный выходной импульс, подача которого на вход 2 логического модуля оставляет последний в исходном состоянии, и приемник остается в защищенном режиме. Если очередной принимаемый сигнал не превышает порога срабатывания формирователя 5, то на «Вход 2» логического модуля управляющий сигнал с выхода формирователя 5 не поступает и логический модуль 8 формирует управляющий сигнал, вызывающий срабатывание привода 7 шторки 6. Под действием привода шторка выводится из поля зрения фоточувствительного элемента 1. Тем самым приемник переводится в режим максимальной чувствительности и в этом режиме принимает поступающие на него оптические сигналы до тех пор, пока на входе 1 логического модуля присутствует управляющий сигнал. При отключении этого сигнала привод переводит шторку в исходное состояние и приемник снова переходит в защищенный режим.

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; 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.

Для уменьшения размеров шторки в состав приемника могут быть введены дополнительные оптические элементы - отрицательная линза, сужающая апертурный угол (фиг. 2а), или положительная линза (фиг. 2б). В последнем случае шторка располагается в плоскости промежуточного изображения, создаваемого внешним объективом, и ее размеры могут быть меньше размеров рабочей площадки фоточувствительного элемента при соответствующем выборе переднего и заднего фокальных отрезков линзы 12.

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 и в составе аппаратуры, для которой предназначен данный приемник. При этом конструкция полупрозрачной шторки остается унифицированной для всех применений при ее исполнении в виде прозрачной плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием, нанесенным, например, путем металлизации.

Описанное техническое решение обеспечивает безопасное применение приемника оптических сигналов 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.

В соответствии с предлагаемым изобретением был разработан макетный образец фотоприемного устройства, испытанный в составе лазерного дальномера.

Проведенные исследования подтвердили выполнение заданных технических требований - как в одиночном, так и в частотном режиме работы.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает работоспособность устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности приемника для слабых входных сигналов.

Источники информации

1. В.А. Волохатюк и др. "Вопросы оптической локации". - М.: Советское радио, М., 1971. - c. 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 6548807 – прототип.