Автореферат (Радиотехнические приёмно-преобразующие устройства оптико-электронных систем)

1На правах рукописиКУПЦОВ Владимир ДмитриевичРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИЕМНО-ПРЕОБРАЗУЮЩИЕУСТРОЙСТВА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМСпециальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы иустройства телевиденияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукСанкт-Петербург20182Работа выполнена в Высшей школе прикладной физики и космических технологий Институтафизики, нанотехнологий и телекоммуникаций Федерального государственного автономногоучреждения высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет ПетраВеликого» (ФГАОУ ВО СПбПУ), г. Санкт-Петербург, Россия.Научный консультант:Владимир Петрович Валюхов, доктор технических наук, доцент, профессор Высшей школыприкладной физики и космических технологий Института физики, нанотехнологий ителекоммуникаций Федерального государственного автономного учреждения высшегообразования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (ФГАОУ ВОСПбПУ), г.

Санкт-Петербург, Россия.Официальные оппоненты:Кривошейкин Анатолий Валентинович, доктор технических наук, профессор кафедры«Радиотехники и информационных технологий» Федерального государственного бюджетногообразовательного учреждения высшего образования Санкт-Петербургский государственныйинститут кино и телевидения, г. Санкт-Петербург;Шакин Олег Васильевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник Физикотехнического института им.

А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург;Дудкин Валентин Иванович, доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры «Фотоники и линийсвязи» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшегообразования Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф.М.А. Бонч-Бруевича, г. Санкт-Петербург.Ведущая организация:Акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Вектор» (АО «НИИ«Вектор»), г.

Санкт-Петербург.Защита состоится 01 ноября 2018 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.01,созданного на базе ФГАОУ ВО СПбПУ, по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29, IV учебный корпус, ауд. 305.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Федеральногогосударственного автономного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого» и на сайте университета http://www.spbstu.ruАвтореферат разослан «___» __________ 2018 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.229.01доктор технических наук, профессорА.С. Коротков3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования: В оптико-электронных системах одним из важнейшихэлементов является радиотехническое приемно-преобразующее устройство (ППУ).

В ВОСПИприемно-преобразующее устройство включает фотоприемное устройство, устройство выделениясинхросигнала, декодер данных [1]. В волоконно-оптических устройствах передачи видеосигналак радиотехническим ППУ относятся приемно-передающие модемы [2]. В случае многоканальныхволоконно-оптических телевизионных систем для выделения ТВ-каналов используются фильтрына поверхностных акустических волнах (ПАВ) [3]. Радиотехнические ППУ демодуляторовсенсорных фазомодулированных оптических сигналов включают фотоприемное устройство(ФПУ), усилители амплитудного и фазового модулятора и блок управления, регистрации иобработки информации (УРОИ) [4]. В газоанализаторах на основе эффекта проявлениямолекулярных ядер конденсации (МоЯК) в состав ППУ входит фотометр, блок управления,регистрации и обработки информации (УРОИ) [5]. В рентгено-абсорбционных сепараторахрадиотехническое ППУ включает позиционно-чувствительный сцинтилляционный детектор,фотоинтегратор, блок управления, регистрации и обработки информации (УРОИ) [6].

В системахсинхронизации источников ударных волн в сейсморазведке радиотехническое ППУ включаетволоконно-оптический приемно-передающий тракт (источник, волоконный кабель, фотоприемноеустройство) и устройство обработки информации.В волоконно-оптических системах ППУ должны обеспечивать высокую чувствительность коптическому сигналу при высоких скоростях передачи информации.

В газоанализаторах,основанных на эффекте проявления молекулярных ядер конденсации (МоЯК), полезным сигналомявляется фототок, пропорциональный интенсивности рассеянной электромагнитной волныоптическогодиапазона(светорассеянию)аэрозольнымичастицами,получаемымивконденсационных устройствах. В рентгено-абсорбционных сепараторах сигнал представляетсобой преобразованный сцинтиллятором свет, регистрируемый фотоприёмным устройством.

Вовсех перечисленных и во многих других радиотехнических ППУ принципиальным является приемслабых сигналов на фоне шумов. Поэтому параметры ППУ определяют технические возможностивсей оптико-электронной системы. Вместе с тем, специфические требования к параметрам ППУопределяютсяпринципиальнымиособенностямифункционированияоптико-электроннойсистемы. Во многих практических случаях технические требования к параметрам ППУ не вполнеудовлетворяются, что вызывает необходимость разработки научных и технических основпроектирования и конструирования ППУ.Технические характеристики фотоприемного устройства ППУ волоконно-оптическойоптико-электронной системы являются основными при проектировании всей системы связи [1].Фотоприёмное устройство, входящее в состав ППУ, в волоконно-оптических линиях связи должно4обладать рядом повышенных технических характеристик: широким динамическим диапазоном,оптимальнойамплитудно-частотнойхарактеристикой,малымэнергопотреблением,технологичностью при серийном производстве и т.д.

Основной характеристикой являетсячувствительность, так как именно она непосредственно влияет на дальность передачи информациив системе при заданной мощности оптического излучения в передатчике. Фундаментальноеограничение на чувствительность ФПУ накладывают внутренние шумы входящих в его составэлементов.Исследованию вопросов построения и расчета характеристик фотоприёмных устройств ППУпосвящены работы Персоника (Personic S.D.) [7, 8], в которых разработана методика расчёта ианализа чувствительности ФПУ, амплитудно-частотная характеристика которого имеет видфильтра Найквиста. Исследуются варианты выбора амплитудно-частотных характеристикфотоприемных устройств в зависимости от формы импульсов, приходящих по волоконнооптическому кабелю различной длины, при этом форма выходных импульсов формируется в виде«приподнятого косинуса».

Мурадян А.Г. и Гинзбург С.А. [9] расширили расчеты для других формвыходных импульсов, включая гауссову. В работах Крупиной В.Л. [10, 11] исследованачувствительность ФПУ при аппроксимации импульсной характеристики ФПУ гауссовойфункцией. Существенный вклад в исследования фотоприемных устройств ППУ внесли такжеGoell J.E. [12], Smith R.G.

[13], Muoi T.V. [14], Зайцев Д.Ф. [15, 16], Шевцов Э.А., Белкин М.Е. [17].Волоконно-оптические системы передачи видеосигнала находят применение в аппаратуретелевизионныхдистанционногостудийителецентров,управлениястудияхтехнологическиминелинейногомонтажателепрограмм,процессами,передачимедицинскихвидеоизображений с высоким разрешением, а также в системах промышленной безопасностипредприятий. Специфика применения накладывает требования, предъявляемые к ППУ волоконнооптических систем передачи видеосигнала – студийные системы должны вносить минимальныеискажения и шумы в передаваемый сигнал.

В системах безопасности технические требования куровню искажений несколько снижены по сравнению со студийными, однако повышаютсятребования по энергопотреблению, миниатюризации и стоимости. Специфика перечисленныхтребований определяет целесообразность применения цифровых методов преобразованиявидеосигнала для студийного оборудования и методов частотно-импульсной модуляции длясистем видеонаблюдения. Достигнутые уровни (1,5÷2,0 %) нелинейных искажений сигналаяркости и цветности, а также значение отношения уровня видеосигнала к уровню флуктуационнойпомехи (60÷65 дБ) сегодня уже не удовлетворяют требованиям студийной аппаратурытелецентров, так что необходимо дальнейшее совершенствование ППУ волоконно-оптическихсистем передачи видеосигнала по этим показателям.Для наиболее перспективного акустооптического способа управления световыми потоками5в оптических коммутационных приборах (пространственных, временных, спектральныхмультиплексорах-демультиплексорах, оптических переключателях, коммутационных матрицах,циркуляторах, вентилях, модуляторах и т.п.) особую важность приобретают энергоэффективныедрайверы акустооптических модуляторов на современной микроэлементной базе.

Достигнутыеуровни (40 ÷ 50 дБ) подавления модулирующего сигнала в интервалах нулевых значенийцифровых управляющих сигналов сегодня уже не удовлетворяют требованиям, предъявляемым кППУ оптических коммутационных приборов (60 ÷ 70 дБ).Вместе с тем, как показывает анализ литературных источников, совершенствование ППУВОСПИ требует разработки: 1) методики расчета параметров ППУ на основеиспользованияболее полных эквивалентных шумовых схем усилительных элементов и шумов лавинныхфотодиодов, 2) методики применения канонических эквивалентных шумовых схем для расчетачувствительности фотоприемных устройств ППУ с использованием выражений для коэффициенташума усилителей, 3) высококачественных волоконно-оптических ППУ передачи видеосигнала вцифровой форме и ППУ передачи видеосигналов с высокими техническими характеристиками длятелевизионных применений на основе частотно-импульсной модуляции, 4) энергоэффективныхвысокочастотных усилителей мощности и формирователей радиоимпульсов, пригодных дляприменения в ППУ акустооптических коммутационных приборов.Интеграторы фототока составляют основу оптических фотометров, входящих в составППУ и позволяющих прецизионно измерять чрезвычайно малые световые потоки.

ППУ на основеинтеграторов фототока используются в физическом эксперименте в том случае, если необходимополучить предельно достижимую чувствительность оптической измерительной системы приотносительно невысоких скоростях протекания физического процесса. Актуальной проблемойсоздания высокочувствительных ППУ на основе интеграторов фототока является снижениепорогового значения оптической мощности до уровней 10-15 Вт. Методика расчетачувствительности интеграторов фототока впервые предложена Черновым Е.И. [18].

Этонаправление получило развитие в работах Pittet P. [19]. Вместе с тем, как показывает анализлитературных источников, в оптико-электронных системах на основе ППУ с интегрированиемфототокатребуетсяразработкаисовершенствование:1)методикиточногорасчетачувствительности фотоинтеграторов с учетом реальных импульсных характеристик усилителейзаряда и эквивалентных шумовых источников, 2) методики расчета чувствительностифотоинтеграторов с использованием фотоэлектронных умножителей.Интеграторы фототока используются в ППУ газоанализаторов на основе эффектапроявления МоЯК и в ППУ рентгено-абсорбционных сепараторов.Технологические принципы метода МоЯК заключаются в превращении молекул примесей вядра конденсации молекулярного размера, последующему двухступенчатому их укрупнению в6пересыщенных в парах специально подобранных труднолетучих органических веществ до размера0.25÷0.3 мкм и измерению рассеяния электромагнитных волн оптического диапазона(светорассеяния) на полученном аэрозоле.

Принципиальное отличие газоанализаторов на основеэффекта проявления МоЯК от других аэрозольных газоанализаторов заключается в том, что вгазоанализаторе МоЯК каждая аэрозольная частица образуется из одной молекулы примеси, тогдакак в других приборах требуется коагуляция нескольких молекул примеси. Следствием этогоявляется уникальная способность регистрировать малые концентрации вредной примеси,определяемая самим конденсационным принципом метода МоЯК.

Реализация столь высокихпотенциальных возможностей метода МоЯК происходит в ППУ газоанализатора. Пределобнаружения целевого компонента газоанализатора, иначе именуемый чувствительностью кдетектируемомувеществу,вомногомопределяетсяконструкциейитехническимихарактеристиками ППУ газоанализатора на основе эффекта проявления МоЯК. Принциппроявления МоЯК задает технические требования к ППУ оптико-электронной системыгазоанализатора на основе эффекта проявления МоЯК, сводящиеся к необходимости: 1)обеспечениявысокой пороговой чувствительности фотоприемного устройства ППУ коптическому сигналу на уровне фемто-Ватт, 2) осознанного выбора спектрального составаоптического источника облучения аэрозоля, основанного на расчете светорассеяния аэрозольнымичастицами и воздухом в фотометрируемом объеме на основе теории рассеяния электромагнитныхволн (метод Ми), 3) создания конструкции оптической части фотометра с малыми уровнямифоновой засветки и эффективной фокусировкой рассеянного оптического излучения нафотоприемном устройстве ППУ, 4) разработки блока УРОИ, реализующего алгоритм регистрацииоптического излучения в ППУ газоанализатора.