Способ приема оптических сигналов

Номер патента: 1649305

Авторы: Агишев, Михайлов

ZIP архив

Текст

(1) С О 11/ ОБР САНИЕ йДЕ ГЕЛЬС ВТОРСК т.д. Целью изоб вышение точност ние амплитудног повышение фонов соб приема опти тения являеизмерений,ся и асширетакже и. Спов вклюо диапазона,ой устойчивосческих сигнал Б.К чает преобразова налов в электрич ие ческих с ские и усилениеовкой, причем уст многокаскадно . временной регули ление осуществля независимо и без пересечения во в игналы с выходов 9СИГНА ени стробируют азличных каска енно и я апп и вз рощенимногока и без рес ование иосуществляю ения во врем троб вани е сумм веш умми лок 5 итель вания и весовой бот щий правления, сумми оконечное устр Приемоусилителство 7.ный блокк 8, свяадом 9, ко ключаанный то- уси с вы- жуточс усилительным едь, связа ом 1 О, Снг выходов пр рый, в св лительным хода блок л ас 10 о и 8 паралле локов 2-4 х каск овходы совой с даются вания и ции способа связаны сснлителя 6, н с одним ин ы с блоков Вых входа выход формаци суммирующеготорого соед оба, приемоусили 2-4 стробироГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(46) 1 5.05.91. Бюл, У 1 8 (71) Казанский авиационный институт им, А,Н.Туполева(56) Авторское свидетельство СССР 9 60037, кл. С 01 И 1/00, 1976.Авторское свидетельство СССР У 309338, кл. С 01 И 1/00, 196 (54) СПОСОБ ПРИЕМА ОПТИЧЕСКИХ ЛОВ(57) Изобретение относится к оптико Физическим измерениям и может быть использовано для приема и обработки оптических сигналов при исследованиях сред оптическими методами, в оптической локации, при Контроле уровня аэрозольных загрязнений и Изобретение относится к оптико- Физическим измерениям и может быть использовано для приема и обработки оптических сигналов при исследова-. ниях сред оптическими методами, в оптической локации, при контроле уров ня аэрозольных загрязнений и т.д,Цель изобретения - повышение точности измерений, расширение амплитудного диапазона, повышение фоновой устойчивости.На фиг.1 приведена блок в схе устройства для реализа 1 на фиг.2 - пример упрощения аппаратурной реализации спосУстройство содержиттельный блок 1, блоки 1649305 А 1 суммируют. С целью уратурной реализацииусиление, независимо тем фотоэлектронного умножения,Фроаналогового преобразования ирования. 2 з.п. Ф-лы, 2 ил. ет в себя отоприемни обработки соответст ным входом оконечного уст 1649305ройства 7, другие входы которого связаны с выходами блока 5 управленияеУстройство работает следующим образом.Оптический сигнал поступает на вход приемоусилительного блока 1, электрические сигналы с выходов разных каскадов которого подаются на входы блоков 2-4 стробирования и весовой обработки, выходные сигналы которых суммируются в суммирующем усилителе 6.Выходные сигвалц блоков 2"4 подаются в усилитель 6 в непересекающиеся интервалы времени и могут независимо регулироваться по амплитуде, Как стробирование, так и регулирование усиления в блоках 2-4 осуществля ется по управляющим сигналам, поступающим из блока 5 управления, На оконечное устройство 7 с суммирующего усилителя 6 поступает, таким образом, взвешенная сумма сигналов с 25 выходов разных каскадов приемоусилительного блока 1 в непересекающиеся интервалы времени.Поскольку стробы с блока 5 управления, отпирающие блоки 2-4, не пересекаются во времени, то на выходе суммирующего усилителя б Формируется сигнал, амплитуда которого в каждый момент времени соответствует заранее выбранному усилению (с уче.том усиления как в регулируемых, так и в иерегулируемых каскадах).Так как коэффициенты усиления в любые моменты времени установлены заранее и извести, то с учетом сигна 40 лов из блока 5 управления при последующей обработке легко восстановить амплитудно-временные соотношения измеряемого сигнала (учитывая также известное заранее соотношение между 45 усилением последовательно вклняенных каскадов). При реализации способа удается повысить точность измерения как слабых, так и сильных сигналов, обрабатывая первые из них в канале с максимальным усилением (используя наиболее удаленные от фотодетекфгора каскады блока 1 и - при необходимости - боль-55 шое значение кода усиления, подаваемое из блока 5 управления, авторые - с минимальным усилением соответственно. Слабые сигналы таким образом не"утонут" в шумах, а сильные - не претерпят нелинейных искажений при насыщении.Таким образом, при многокаскадномусилении принимаемых сигналов удается по сравнению с прототипом повысить точность измерений и расширитьамплитудный диапазон входных сигналов, измеряемых с заданной точностью.Поскольку обсуждаются такие ситуации, когда заранее известен (хотя быприблизительно) доминирующий временной закон изменения принимаемых сигналов (например, затухаяие принятогосигнала пропорционально квадрату времени (дальности, то формированиевременной регулировки усиления сповышенной точностью (поскольку впроизвольном интервале времени можнозадать произвольное усиление из болееширокого, чем в прототипе, амплитудного диапазона или в том же диапазоне с более высокой точностью) позволяет достичь повышение точности измерения.Конкретизировать способ можно, например, следующим образом,В указанном способе реализациюмногокаскадного усиления, независимого н без пересечения во времени стробирования и взвешенного суммированияможно осуществить путем фотоэлектронного умножения, цифроаналогового преобразования сигналов с выходов разныхкаскадов и их последующего суммирования.Устройство, реализующее болеепростой способ приема оптических сигналов, показано на фиг.2 и содержитФотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 11,выходные сигналы которого снимаютсяс промежуточных диодов и анода;цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)12-14, блок 15 управления, суммирующий усилитель 16, оконечное устройство 17, блок 18-20 совпадения, весовыесопротивления 21 -23, аналоговые ключи24-29, инверторы 30-32, резистор 33обратной связи, операционный усилитель34, задатчик 35 кодов усиления, шифратор 36, задатчик 37 номера канала,многорежимные буферные регистры 3840. счетчик 41 импульсов, демультиплексор 42, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 43 и 44, аналоговыйделитель 45 регистратор 46, инвертор 479305 5 164Каждый из ЦАП 12-14 включает в себя весовые сопротивления 21-23, наКо пРимеР К, = 2 Кбф КоО 2 ф гд К - выбирается заранее, одни вывооды которых соединены между собой, а другие - соединены с ключами 24- 25, 6-27, 28-29, соответственно. Вьиоды ключей 25, 27 и 29 соединены между собой и инвертирующим входом операционного усилителя 34, а также с одним выводом резистора 33 К обратной связи, другой вывод которого соединен с выходом операционного усилителя, являющимся выходом ЦАП 12, Выходы ключей 24, 26, 28 соединены с пЗемлей". Управляющие входы ключей 24, 26, 28 при помощи блока 18 совпадения связаны непосредственно с выходами блока 1 5 управления, а ключей 25, 27, 29 - через инверторы 30-32.Выходы ЦАП 12-14 связаны с входами суммирующего усилителя 16, выход которого соединен с одним входом оконечного устройства 1 7, другие входы которого связаны с выходами блока управления.Блок 15 управления включает в себя задатчик 35 кода, выходы которого соединены с соответствующими входами шифратора 36, выходы которого с помощью шины соединены с информационными входами многорежимных буферных регистров (МБР) 38-40. Выходы задатчика 37 номера канала соединены с входами расширения записи МБР 38-40. Выход внешнего генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом. счетчика 41, выходы которого при по,мощи шины связаны с входами демультиплексора 42. Выходы блока 42 соединены с входами разрешения считывания МБР 38-40 соответственно, а также с входами управления ЦАП 41, вход подключения опорного напряжения которого соединен с выходом ЦАП 43, входы управления которого связаны с выходами МБР 38-40, объединенных в одну шину.Один вход делительного устройства 45 соединен с вьглодом суммирующего усилителя 16, другой - с выходом ЦАП 44, а выход делителя 45 соединен с сигнальным входам регистратора 46, вход синхронизации которого соединен с выходом счетчика 4. Сброс счетчика 41 осуществляется внешним сигна-. 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 лом, приходящим перед счетными импульсами.Сигналы на выходах блока 15 управления формируются таким образом.Заранее, до приема полезных оптических сигналов с помощью задатчика 35кодов, построенном на галетном переключателе, набирается число, соответствующее выбранному усилениюЦАП 1 2, и подается на шифратор 36.С его выхода код усиления по шинепоступает на информационные входыМБР 38-40. Задатчик 37 номера канала прн нажатии соответствующей этомуканалу кнопки формирует импульс разрешения записи только на линии, связывающей его с входом разрешения записи МБР 38.Для осуществления приема и обработки оптического сигнала внешнийсинхронизатор вырабатывает импульсы,запускающие счетчик 41. Выходной кодсчетчика 41 управляет работой демультиплексора 42, который формируетимпульс считывания в каждый моментвремени только на одном своем выходе,.в данном случае - связанном с входомразрешения считывания МБР 38. Послеэтого с выхода МБР 38 по общей информационной шине через блок 1 8 совпадения на ЦАП 12 при наличии импульсаразрешения с блока 42 поступает циф"ровой код, соответствующий заданномуусилению (весу) этого блока и заданному временному интервалу,Выходы МБР 38-40 объединены в общую шину, по которой подается уграв-.ляющий код на оконечное устройство1 7. Одним из многих возможностей егореализации может быть узел восстановления амплитудно-временных соотношений входного оптического сигнала(блоки 43-45) и регистратор. Тогдакод от МБР 38 по общей шине .подаетсяна ЦАП 43, сигнал с выхода которогоподан на вход подачи опорного напряжения ЦАП 44. На управляющие цифровыевходы ЦАП 44 поданы сигналы с выхода демультиплексора 42, весовые резисторы ЦАП 44 выбираются обратнопропорционально номинальному усилению приемо-усилительного блока присъеме с разных каскадов, а с выходаблока 44 на блок 45 деления поступает аналоговый сигнал, амплитуда кото"рого в каждом временном интервалепропорциональна результирующему усилению на всем тракте от фотоприемии 1649305ка до выхода блока стробирования и " весовой обработки.В блоке 45 деления принятый и подвергнутый заданной временной регули 5 ,ровке усиления сигнал, поступающий из суммирующего усилителя 16, делится на сигнал, который приходит из блока 44. На регистратор 46 поступает восстановленный сигнал, амплитуда ко" 0 торого пропорциональна входному оптическому. На вход синхронизации регистратора поступает цифровой код с выхода счетчика 41, обеспечиваюжй стыковку принятых сигналов с времен ной шкалой.Устройство работает следующим; образом.ФЭУ - это один из частных случаев системы Фотоприемник + многокаскад ный усилитель, в который с помощью , динодной системы осуществляется внутреннее многокаскадное усиление принятого и преобразованного в электрический оптического сигнала. Сигналы с выходов его промежуточных динодов подаются на ЦАП 12-14. Внутренняя организация блоков 12- 14 - классичеикий ЦАП, с тем лишь отличием, что на вход подачи опорно го напряжения Еоп подается сигнал с динода ФЭУ. На управляющие входы ЦАП независимо поступают двоичные цифровые коды из блока 15 управления, причем управляющие коды их блока 15 З 5 поступают в блоки 12-14 в заранее выбранные и непересекающиеся интервалы времени (это показано в виде временных диаграмм на фиг.1) . Путем выбора разных динодов ФЭУ (выходные 40 сигналы которых могут существенно различаться по амплитуде), а также управляя усилением этих динодных сигналов с помощью цифрового кода на управляющих входах ЦАП, можно уста новить выходные сигналы разных каналов (с разных динодов) как близкими по амплитуде, так и сильно различающимися. Тогда на выходе сумматора 16(фиг.2) можно сформировать сигнал, 50 подверженный произвольной регулировке амплитуды во времени. Например, в системах лазерного зондирования атмосферы и оптической локации принимаемый сигнал уменьшается пропорционально 55 квадрату дальности (времени с момента посылки импульса). Поэтому для увеличения дальности зондирования бывает целесообразно повышать усиление оптического приемника со временм. С другой стороны, в этой ситуации оказывается возможным намыщение приемоусилительного тракта при мощных сигналахиз ближней зоны (область малых временпосле посылки зондирующего импульса),Уменьшением усиления (выбором болееблизкого к фотокатоду динода и/илималым значением управляющего кодаЦАП) можно устранить насыщение (нелинейные искажения), а значит повыситьточность измерения принимаемых оптических сигналов.На примере осуществления многокаскадного усиления путем фотоэлектронного умножения в ФЭУ (Фотодетектор +многокаскадное усиление в моноблоке)особенно хорошо иллюстрируется повышение фоновой устойчивости способа. Известно, что внешняя фоновая засветкаможет выступать и как аддитивная,и как мультицликативная помеха. Впервом случае фон арифметически складывается с полезным сигналом и вряде случаев его можно вычесть вдальнейшем или при приеме импульсныхсигналов разделить переменную и постоянную составляющие суммарного сигнала (чаще всего с помощью КС-цепиили трансформатора). Во втором случае Фон вызывает изменения коэффициента усиления фотоприемника, что искажает полезную информацию о входныхоптических сигналах на выходе фотоприемника. Это может иметь место приочень интенсивной фоновой засветке(таков, например, Фон неба в яркийсолнечный день) и упомянутые методыборьбы, которые применяют в аддитивном случае, неэффективны,Съем сигналов с промежуточных каскадов усиления (с динодов ФУ) позволяет устранить мультипликативную составляющую фоновой помехи, поскольку как фон, так и сигнал оказываются усиленными значительно меньше, чем при полном включении системы фотодетектор + усилитель (= ФЭУ). Поэтому всегда можно выбрать более близкий к оптическому входу каскад (динод ФЭУ), на усиление которого относительно входа протекающий Фоновый ток практически не влияет. И оказывается эффективным вычитание Фона и развязка по постоянной составляющей (последняя использована нами). Более того, после этого можно (это предусмотрено), 1649305усилив сигнал. скомпенсировать потерю в усилении, которая появилась за счет перехода к первым каскадам усиления (к более близким к фотокатоду динодам). В силу этого, фоновая5 устойчивость способа значительно выше, чем в прототипе,Таким образом, путем независимого стробирования без пересечения во вре О мени сигналов с выходов различных каскадов и взвешенного суммирования удается повысить точность измерения за счет формирования более точной временной регулировки усиления, расши" рить амплитудный диапазон и улучшить фоновую устойчивость известного способа приема оптических сигналов. Ана-. логичный положительный эффект достигается, если многокаскадное усиление, 2 О независимое стробирование без пересечения во времени н взвешенное суммирование осуществлять путем фотоэлектронного умножения, цифроаналогового преобразования и суммирования. 25 Формула изобретения.Способ приема оптических сигналов, включающий преобразование их в электрические сигналы и усиление с временной регулировкой, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, расширения амплитудного диапазона и повышения фоновой усойчивости, усиление осуществляется многокаскадно, независимо и беэ пересечения во времени стробируют сигналы с выходов различных каскадов и взвешенно их суммируют.2.Способ по п.1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью упрощения аппаратурной реализации, много- каскадное усиление осуществляют пу- тем фотоэлектронного умножения. З.Способ по пп.3 и 2, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения аппаратурной реализации, независимое и без пересечения во времени стробирование и взвешенное суммирование осуществляют путем цифроаналогового преобразования и суммирования.. Обруч р С.Лиси Заказ 1513 сноеВНИИПИ Государст открьггияи при ГКНТ СССРд. 4/5 Тираж 340 Подпи венного комитета па изобретениям и 113035, Москва, Ж, Раушская наб Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10

Смотреть

Заявка

4690899, 16.05.1989

КАЗАНСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ ИМ. А. Н. ТУПОЛЕВА

АГИШЕВ РАВИЛЬ РУСТЕМОВИЧ, МИХАЙЛОВ БОРИС КИРИЛЛОВИЧ

МПК / Метки

МПК: G01J 1/44

Метки: оптических, приема, сигналов

Опубликовано: 15.05.1991

Код ссылки

<a href="https://patents.su/6-1649305-sposob-priema-opticheskikh-signalov.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Способ приема оптических сигналов</a>

Похожие патенты