Код документа: RU2688906C1
Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и других светолокационных устройств.
Известны приемники оптических импульсов [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 приемники оптических импульсов [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 оптических импульсов, 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 оптических импульсов для слабых входных сигналов.
Эта задача решается за счет того, что в известном приемнике оптических импульсов, 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, включающий коромысло, в средней части шарнирно закрепленное на корпусе приемника, упругий элемент и две параллельных растяжки в плоскости качания коромысла, первая растяжка закреплена между одним плечом коромысла и корпусом, а вторая растяжка - между вторым плечом коромысла и упругим элементом, другой конец которого закреплен на корпусе, шторка установлена в месте соединения второй растяжки с упругим элементом так, чтобы в первом рабочем положении закрывать фоточувствительный элемент, причем, упругий элемент находится в напряженном состоянии, создавая в точке крепления второй растяжки усилие величиной F, а растяжки представляют собой электрически последовательно связанные между собой токопроводящие нити, к концам которых подведен внешний источник управляющего электрического сигнала, при подаче которого температурное расширение растяжек от их нагрева протекающим электрическим током составляет величины соответственно ΔL1 и ΔL2, а смещение шторки ΔLш=ΔL2+ξΔL1, где
Шторка может быть выполнена полупрозрачной с коэффициентом пропускания τ, отвечающим условию
На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. Фиг. 2 иллюстрирует взаимное положение шторки, растяжки и упругого элемента в первом (фиг. 2а) и втором (фиг. 2б) рабочих положениях.
Приемник оптических импульсов (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 2, а второй является его управляющим входом. Устройство размещено в герметичном корпусе 9 с оптическим окном 10, через которое принимаемое излучение поступает на фоточувствительный элемент 1. Привод шторки (фиг. 2) состоит из упругого элемента 11 и двух растяжек 12 и 13 виде токопроводящей нити, на концы которой подается управляющий сигнал Uупр (фиг. 2а). Растяжки электрически соединены последовательно через коромысло 14, закрепленное на корпусе через шарнир 15 с возможностью качания в плоскости растяжек. Ход шторки ΔLш между ее двумя рабочими положениями (фиг. 2) определяется из условия закрытого (фиг. 2а) и открытого (фиг. 2б) фоточувствительного элемента, то есть в соответствии с условием
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии полупрозрачная шторка 6 находится перед рабочей площадкой фоточувствительного элемента 1, ослабляя поступающие на нее сигналы в 1/τ раз. При подаче на растяжку управляющего сигнала Uупр под действием тока, последовательно протекающего через обе растяжки 12 и 13 и коромысло 14, растяжки нагреваются и их исходная длина L1 и L2 увеличивается на величину ΔL1=αL1ΔT1 и ΔL2=αL2ΔТ2, где α - коэффициент температурного расширения, ΔT - приращение температуры. В результате под действием силы F, создаваемой упругим элементом, шторка перемещается на расстояние ΔLш=ΔL2+ξΔL1 (фиг. 2б), где ξ=s2/s1, s1 и s2 - длины плеч коромысла,
После отключения сигнала Uупр длины растяжек принимают первоначальные значения L1 и L2 и шторка возвращается в исходное положение, закрывая рабочую площадку фоточувствительного элемента. Если шторка выполнена полупрозрачной, в ее исходном положении фотоприемное устройство 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
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 конструкция полупрозрачной шторки остается унифицированной для всех применений при ее исполнении в виде прозрачной плоскопараллельной пластины с полупрозрачным покрытием, нанесенным, например, путем металлизации. Толщина этого покрытия определяет величину τ при сохранении габаритно-присоединительных параметров.
Пример конструктивного исполнения
Упругий элемент - стандартная пружина растяжения 2×10.
Dt - Диаметр проволоки: 0,20 мм.
Dy - Наружный диаметр: 2,00 мм.
Lo - Свободная длина: 10,00 мм.
nv - Количество рабочих витков: 30,00
Ln - Допустимая (максимально) длина расширения для динамической нагрузки: 19.00
с - Жесткость: 0.09 Н/мм.
При исходной длине L=15 мм сила натяжения F=c(L2-L1)=0,09(15-10)=0,45Н.
Масса пружины Мп=0,005 г.
Масса шторки ~ 0,1 г; С оправой ~ 0,2 г=2⋅10-4 кг.
Массой пружины, коромысла и растяжек можно пренебречь.
Ускорение а=F/m=0.45/2⋅10-4 ~ 2000 м/с2.
Смещение S=0,3 мм=3⋅10-4 м.
Время выведения шторки
Две растяжки - нихромовая проволока суммарной длиной 30 мм. α=18⋅10-6 1/град. L=30 мм; ΔLш=0,3 мм.
Погрешность фиксации шторки определяется не только конструкцией устройства, но и колебаниями ±ΔТо окружающей температуры, поэтому необходимо, чтобы ΔТ>>ΔТо.
ΔТ=ΔLш/αL=0,3/(18⋅10-6⋅30)=10000/18 ~ 555°>>ΔТо ~ 50°.
Пусть габариты токопроводящей нити 0,01×0,01×3 см. Объем VT=3⋅10-4 см3.
Плотность нихрома ρT=7,94 г/см3; масса 0,0024 г=2,4⋅10-6 кг.
Теплоемкость β=0,57 Дж/кгK.
ЕТ=βmΔТ=0,57⋅2,4⋅10-6⋅555=0,00076 Дж=0,76 мДж.
Характеристики источника питания.
Потребляемая токопроводящей нитью мощность
РТ=ET/t.
Для рассматриваемого примера
РТ=ЕТ/t=0,76 мДж/0,5 мс=1,5 Вт.
Сопротивление нити RT=ρRLT/ST ~ 10-6⋅3⋅10-2/(0,1⋅0,1)⋅10-6=3 Ом,
где ρR ~ 1 мкОм⋅м - удельное сопротивление нихрома, LT=0,03 м - длина токопроводящей нити; ST - поперечное сечение нити.
Мощность, выделяемая в проводнике сопротивлением RT
РТ=IT2⋅RT, откуда потребляемый ток
IT=(РТ/RT)0,5=(1,5/3)0,5=0,71 А.
Напряжение источника
UT=РТ/IT=1,5/0,71 ~ 2,1 В.
При соотношении плеч коромысла
Описанное техническое решение обеспечивает безопасное применение приемника оптических импульсов 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 №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.
Изобретение относится к области приема оптического излучения и касается приемника оптических импульсов. Приемник включает в себя фоточувствительный элемент, схему обработки сигнала и оптический затвор, установленный перед фоточувствительным элементом. Оптический затвор выполнен в виде шторки с двумя рабочими положениями. В состав устройства введен привод шторки, включающий коромысло, в средней части шарнирно закрепленное на корпусе приемника, упругий элемент и две параллельных растяжки в плоскости качания коромысла. Первая растяжка закреплена между одним плечом коромысла и корпусом, а вторая растяжка между вторым плечом коромысла и упругим элементом, другой конец которого закреплен на корпусе. Шторка установлена в месте соединения второй растяжки с упругим элементом. Упругий элемент находится в напряженном состоянии, а растяжки представляют собой электрически последовательно связанные между собой токопроводящие нити, к концам которых подведен внешний источник управляющего электрического сигнала. Технический результат заключается в обеспечении работоспособности устройства в условиях активного и пассивного лазерного противодействия при минимальных габаритах и максимальной чувствительности при малом уровне сигналов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Комментарии