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

1ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТПЕТРА ВЕЛИКОГО»На правах рукописиКУПЦОВ Владимир ДмитриевичРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИЁМНО-ПРЕОБРАЗУЮЩИЕУСТРОЙСТВА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМСпециальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы иустройства телевиденияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степенидоктора технических наукНаучный консультант:д.т.н., профессор Валюхов В.П.Санкт-Петербург20182Оглавлениестр.Список используемых сокращений ………………………………………………...……..6Введение ……………………………………………………………………………...……..8Глава 1.

Существующие тенденции в создании современных радиотехническихприемно-преобразующих устройств оптико-электронных систем …………………..…19Методики проектирования и создания приемно-преобразующих устройствволоконно-оптических систем передачи информации ……………………….20Методики расчета чувствительности фотоприемных устройстврадиотехнических ППУ на основе интегратора фототока ……………………28Радиотехнические приемно-преобразующие устройства регистрациимолекулярных ядер конденсации ………………………………………...……..311.3.2 Технические требования к радиотехническому приемнопреобразующему устройству оптико-электронной системы,определяемые спецификой метода МоЯК …………………………..….33Коэффициент шума радиотехнических приемно-преобразующих трактов сиспользованием акустоэлектронных устройств на поверхностныхакустических волнах …………………………………………………………….35Радиотехнические приемно-преобразующие устройства регистрацииэлектромагнитных волн рентгеновского диапазона в рентгеноабсорбционных сепараторах ………………………………………………….…381.5.1 Прохождение электромагнитных волн рентгеновского диапазоначерез среды ……………………………………………………………….391.5.2 Детекторы рентгеновского излучения в составе радиотехническихППУ ……………………………………………………………………….431.6Системы передачи видеосигналов по волоконно-оптическому кабелю ….….461.7Микросборки управления акустооптическими устройствами ВОСПИ ….…..491.8Выводы и постановка задачи ……………………………………………..……..52Глава 2.

Радиотехнические приемно-преобразующие устройства волоконнооптических систем передачи информации ……………………………………….……….54Методика расчета спектральной чувствительности фотоприемныхустройств методом эквивалентных канонических шумовых схем ….………..542.1.1 Метод канонических шумовых эквивалентных схем ………………….542.1.2 Коэффициент шума каскадных широкополосных усилителей сотрицательными обратными связями …………………………………60Методика расчета интегральной чувствительности ФПУ ………….…………702.2.1 Амплитудно-частотные характеристики ФПУ …………….………..702.2.2 Методика расчета интегральной чувствительностифотоприемных устройств …………………………………..………….741.11.21.31.41.52.12.23Сравнение результатов расчета чувствительности ФПУ по различнымметодикам с экспериментом …………………………………………………….782.4Радиотехнические ППУ фазомодулированных оптических сигналов ……….842.5Выводы по Главе 2 ………………………………………………………………97Глава 3.

Радиотехнические приемно-преобразующие устройства на основеинтеграторов фототока ……………………………………………………………………..993.1Передаточная характеристика фотоинтегратора ……………………..………..993.2Амплитудно-частотные характеристики фотоинтегратора ……..…………….1013.3Импульсная характеристика фотоинтегратора ………………….……………..1033.4Шумовая модель фотоинтегратора ……………………………….…………….1053.4.1 Шумовые источники тока фотоинтегратора ………….…………….1052.33.4.2 Шумовой источник э. д.

с. фотоинтегратора …………..……………. 1083.5Пороговая чувствительность ФПУ на основе фотодиода …………………….1123.6Чувствительность фотоинтегратора газоанализатора на основе эффектапроявления МоЯК ……………………………………………………………….115Пороговая чувствительность фотоинтегратора на основе фотоэлектронногоумножителя ……………………………………………………………………....1173.8Сравнение пороговой чувствительности ФПУ на основе ФЭУ и фотодиода1213.9Выводы по Главе 3 ………………………………………………………………1223.7Глава 4.

Радиотехнические приемно-преобразующие устройства газоанализаторов наоснове эффекта проявления молекулярных ядер конденсации ………………………… 1234.1Фотометр ППУ газоанализатора на основе эффекта проявления МоЯК ……1234.2Расчет светорассеяния аэрозольными частицами на основе теории Ми …….1264.3Расчет светорассеяния воздухом на основе теории Релея …………………….1354.4Сравнение светорассеяния аэрозольными частицами и воздухом ……..…….1404.5Сравнение экспериментальных и расчетных значений оптико-электронныхпараметров ППУ детектора МоЯК …………………………………………….147Программно-аппаратный блок управления, регистрации и обработкиинформации ППУ газоанализатора на МоЯК ………………………………...1504.6.1 Автоматическое управление в радиотехническом приемнопреобразующем устройстве газоанализатора на основе эффектапроявления МоЯК ……………………………………………………….1504.6.2 Устройство блока УРОИ радиотехнического приемнопреобразующего устройства и принцип его работы ………….…….1534.6.3 Алгоритм работы газоанализатора на основе эффекта проявленияМоЯК ……………………………………………………………….……1564.6.4 Блок УРОИ радиотехнического ППУ газоанализатора на основеэффекта проявления МоЯК универсального назначения ……….……1574.644.7Выводы по Главе 4 ……………………………………………………………..159Глава 5.

Шумовое согласование приборов на поверхностных акустических волнах врадиотехнических приемно-преобразующих устройствах ……………………………… 1625.1Эквивалентная шумовая схема приборов на ПАВ …………………………….1625.2Коэффициент шума приборов на ПАВ, работающих совместно сусилителем ……………………………………………………………………….170Оптимизация параметров пьезоплаты и усилителя по критериюмаксимального отношения сигнала к шуму ……………………………….…..172Шумовое согласование фильтров на поверхностных акустических волнах врадиоэлектронных трактах ……………………………………………………..181Применение фильтров на поверхностных акустических волнах вмногоканальных волоконно-оптических системах передачивысококачественного телевизионного изображения …………………….……191Выводы по Главе 5 ………………………………………………………………194Глава 6.

Радиотехнические приемно-преобразующие устройства рентгеноабсорбционных сепараторов извлечения природных алмазов в кусках кимберлита …195Расчет чувствительности фотоинтегратора ППУ рентгено-абсорбционногосепаратора ………………………………………………………………………..196Расчет спектрального состава электромагнитных волн рентгеновскогодиапазона, прошедшего через среды …………………………………….…….1976.3Расчет выходного напряжения сцинтилляционного детектора ………….…..2126.4Двуэнергетический метод регистрации алмазов в кусках кимберлита ...……2196.5Система управления, регистрации и обработки информации (УРОИ)радиотехнического ППУ рентгено-абсорбционного сепаратора …………….224Выводы по Главе 6 ………………………………………………………………226Глава 7.

Реализация результатов диссертационной работы в промышленных иэкспериментальных изделиях и системах …………………………………………..…….228Разработка волоконно-оптических радиотехнических приёмнопреобразующих устройств ………………………………………………..……..2287.1.1 Разработка фотоприемных модулей для использования в волоконнооптических ППУ …………………………………………………..……..2287.1.2 Разработка волоконно-оптического телевизионного модемастудийного качества ………………………………………………...…..2317.1.3 Разработка миниатюрного телевизионного волоконно-оптическогомодема ……………………………………………………………….……2337.1.4 Разработка и внедрение волоконно-оптических телевизионныхсетей промышленной безопасности и управления производством ….2365.35.45.55.66.16.26.67.157.1.5 Разработка волоконно-оптического регистратора временныхзадержек моментов срабатывания источников ударных волн всейсморазведке …………………………………………………………...237Газоанализаторы на основе эффекта проявления МоЯК, использующиеразработанные радиотехнические приемно-преобразующие устройства …...2427.2.1 Газоанализаторы люизита «Каскад-Г» и иприта «Каскад-5» ………2437.2.2 Газоанализаторы на карбонилы металлов ………………………….…2447.2.3 Медицинская установка диагностики выдыхаемого воздуха …….…..246Внедрение разработанных радиотехнических ППУ в рентгеноабсорбционную технологию обогащения полезных ископаемых ……………248Разработка микросхем управления акустооптическими устройствамиВОСПИ …………………………………………………………………………...251Выводы по Главе 7 ………………………………………………………………260Заключение ………………………………………………………………………………...2627.27.37.47.5Приложение 1Шумовые характеристики однокаскадных фотоприемныхустройств ……………………………………………………………269Шумовые характеристики двухкаскадных фотоприемныхустройств ……………………………………………………………270Расчет частотной зависимости чувствительности сиспользованием П-образной эквивалентной шумовой схемытранзистора …………………………………………………………271Чувствительность ФПУ с предусилителем на биполярномтранзисторе с гетеропереходом ……………………………………272Чувствительность ФПУ с предусилителем на полевомтранзисторе в микроволновом диапазоне ………………………...275Литература ………………………………………………………………………………….277Приложение 2Приложение 3Приложение 4Приложение 5Акты об использовании и внедрении результатов исследования иразработок новых устройств ……………………………………………………………….

293Копии дипломов Международных выставок о награждении экспонатовзолотыми и серебряными медалями …………………………………………………....3076Список используемых сокращенийBiTr – биполярный транзистор (Bipolar Transistor)CDS – двойная коррелированная выборка (Correlated Double Sampling)FET – полевой транзистор (Field-Effect Transistor)HBT – биполярный транзистор с гетеропереходом (Heterojunction Bipolar Transistor)HEMT – транзистор с высокой подвижностью электронов (High Electrons Mobility Transistor)MESFET – полевой транзистор с затвором Шоттки (MEtall – Shottky gate Field-EffectTransistor)NEP – эквивалентная шумовая мощность (noise equivalent power)PHEMT – псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов (PseudomorphousHigh Electrons Mobility Transistor)SNR – отношение сигнал/шум (signal to noise ratio)SPI – последовательный периферийный интерфейс (serial peripheral interface)АМ – амплитудный модуляторАОМ – акустооптический модуляторАРУ – автоматическая регулировка усиленияАЧХ – амплитудно-частотная характеристикаАЦП – аналого-цифровой преобразовательБФСД – блок формирования сигнала датчикаВОСПИ – волоконно-оптическая система передачи информацииВШП – встречно-штыревой преобразовательГА – газоанализаторГИС – гибридная интегральная микросхемаГУН – генератор, управляемый напряжениемДД – динамический диапазонИМС – интегральная микросхемаКИ – компенсирующий интерферометрКМОП – комплементарная структура металл-оксид-полупроводникКУСТ – конденсационное устройствоЛФД – лавинный фотодиодЛШУ – линейный широкополосный усилительМоЯК – молекулярные ядра конденсацииМОГТ – метод общей глубинной точкиМОС – металлоорганическое соединениеОБ – общая база7ОК – общий коллекторООС – отрицательная обратная связьОС – обратная связьОУ – операционный усилительОЭ – общий эмиттерОЭС – оптико-электронные системыПАВ – поверхностные акустические волныПДК – предельно-допустимая концентрацияПЛИС – программируемая логическая интегральная микросхемаППУ – приёмно-преобразующие устройстваПЧ – промежуточная частотаРЭА – радиоэлектронная аппаратураРЛЗ – радиочастотная линия задержкиСВЧ – сверхвысокая частота, сверхвысокочастотныйСД – светодиодСЦ - сцинтилляторУО – усилитель-ограничительУНЧ – усилитель низкой частотыУПЧ – усилитель промежуточной частотыУРОИ – управление, регистрация и обработка информацииФД – фотодиодФПУ – фотоприёмное устройствоФЧХ – фазо-частотная характеристикаФЭУ – фотоэлектронный умножительЧИМ – частотно-импульсно модулированныйЧЭ – чувствительный элемент8ВведениеАктуальность темы исследования: В оптико-электронных системах одним из важнейшихэлементов является радиотехническое приемно-преобразующее устройство (ППУ).