Приемник лазерного излучения

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

Известны приемники лазерного 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=сτ/2, где с - 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 прочностифоточувствительного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является оптический 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 плоской пружины, один из слоев биморфного элемента выполнен токопроводящим, противоположные концы которого через ключ соединены с выходом источника тока, а второй слой имеет более низкую токопроводность по сравнению с первым слоем, причем, шторка закреплена с боковой стороны биморфного элемента таким образом, 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 в поперечном к биморфному элементу направлении на расстояние

где r₁ и r₂ - радиусы дуги, образуемой биморфным элементом в первом и втором рабочих положениях; L - длина биморфного элемента; d_фчэ - диаметр рабочей площадки фоточувствительного элемента; а - 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.

Биморфный элемент может быть выполнен в виде консоли, один из концов которого закреплен на корпусе приемника лазерного излучения, а второй с закрепленной на нем шторкой имел возможность перемещения перед фоточувствительным элементом.

Биморфный элемент может быть выполнен в виде балки, опертой на два конца, а шторка закреплена в средней точке биморфного элемента.

Конец биморфного элемента может быть связан с корпусом через качающееся коромысло.

Второй слой биморфного элемента может иметь более высокую теплоемкость и более низкий коэффициент температурного расширения по сравнению с первым слоем.

Биморфный элемент может быть выполнен в виде металлостеклянной или металлокерамической ленты.

Шторка может быть выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию где E_фпу - энергетическая чувствительность оптического приемника; Е_ц - энергия сигнала, отраженного от ретрорефлектора, установленного на максимальной заданной дальности до цели; E_max - максимальная энергия сигнала, отраженного ретрорефлектором; Е_пду - предельно допустимый уровень энергии сигнала, поступающего на фоточувствительный элемент оптического приемника.

На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема приемника. Фиг. 2 иллюстрирует варианты взаимного положения шторки, и биморфного элемента - в виде консоли (фиг. 2а), в виде балки, опертой на два конца (фиг. 2б) и в виде балки, связанной с опорой через коромысло (фиг. 2в). Фиг. 3 поясняет расчетные соотношения.

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 фотоприемного устройства, 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 15 толщиной h₁ и второго слоя 16 толщиной h₂ (фиг. 3).

Ход шторки ΔС между ее двумя фиксированными положениями (фиг. 2) определяется из условия полностью закрытого и полностью открытого фоточувствительного элемента в двух рабочих положениях шторки.

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 его исходная длина L увеличивается на величину ΔL=αLΔТ, где α - коэффициент температурного расширения, ΔТ - приращение температуры. В результате биморфный элемент изгибается. Под действием силы, создаваемой биморфным элементом, шторка перемещается на расстояние ΔС (фиг. 2).

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. 3), определяется по формуле

где

r=1/k;

θ=kL.

Пример 1.

Биморфный элемент представляет собой металлостеклянную ленту (пирекс + нихром) длиной L=20 мм с характеристиками.

Ход шторки ΔС=v₁-v₂, где v₁ - стрелка биморфного элемента при начальной температуре Т₀, a v₂ - при рабочей температуре Т₀+ΔТ.

Результаты расчетов для перепада температур ΔТ=200° при разной начальной кривизне биморфного элемента.

Если шторка выполнена полупрозрачной, в ее исходном положении оптический приемник может принимать сигналы, превышающие уровень номинальной чувствительности ФПУ 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 ΔС=d_шт с учетом толщины ее оправы.

Пример 2.

Масса шторки m~0,1 г; С учетом оправы и биморфного элемента m~0,2 г=2⋅10^-4 кг.

Сила воздействия биморфного элемента на шторку F=0.45 Н.

Ускорение а=F/m=0.45/2⋅10^-4~2000 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 0,1×0,4 мм. Коэффициент температурного расширения α=18⋅10^-6 1/град; плотность ρ_T=7,94 г/см³; теплоемкость β=0,57 Дж/кгК.

Объем токопроводящего слоя V_T=8⋅10^-4 см³. Его масса m=ρ_TV_T=6,4⋅10^-6 кг.

Энергия для нагрева токопроводящего слоя на 200° E_T=βmΔТ=0,57⋅6,4⋅10^-6⋅200=0,00073 Дж=0,73 мДж.

Характеристики источника питания.

Потребляемая токопроводящим слоем мощность

P_T=E_T/t, где t - длительность импульса.

Для рассматриваемого примера

P_T=E_T/t=0,73 мДж/0,5 мс~1,5 Вт.

Сопротивление токопроводящего слоя

R_T=ρ_RL_T/S_T~10^-6⋅2⋅10^-2/(0,1⋅0,4)⋅10^-6=0,5 Ом,

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

Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением R_T

P_T=I_T²⋅R_T, откуда потребляемый ток

I_T=(P_T/R_T)^0,5=(1,5/0,5)^0,5=1,73 А.

Напряжение источника

U_T=P_T/I_T=1,5/1,73~0,87 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 лазерного 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. - 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 6,548,807 - прототип.

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