Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 63
Текст из файла (страница 63)
может доходить до 5...10 %, что вполне допустимо для инженерных расчетов. В целом, пользуясь номограммой, до разработки технического проекта прибора можно рассмотреть несколько различных вариантов набора исходных параметров н в короткое время достаточно точно выбрать оптимальное решение.
Применение уголкового отражателя (триппль-призмы) для отражения зондирующего излучения позволяет упростить методику работы о фазовым дальномером. Уголковый отражатель изготавливают из кварцевого стекла К-108 (ГОСТ 35!4 — 67), качество материала и изготовления высокое 123). В том случае, если конфигурация триппль-призмы идеальна, малые наклоны и смещения ее не приводят к изменению направления отраженного излучения, что соответствует Лгрл ж Лй При наклонах призмы до ь1', угловой погрешности изготовления ее граней Л! = ~10 рад и вибрациях прибора с амплитудой до 30' изменение суммарной погрешности Лгра не наблюдается и она распределяется в заданном поле допуска.
В этом заключается замечательное свойство уголкового отражателя. "Смл Аснис Л. Н., Верещака А. И., Попов Ю, В. Фазовый дальномер с ОКГ иа СОа11 Оптино-мех. рпом-сть.— 1973.— № 1.— С. 63 — 66. 264 м ттатд! 106 тд' МО' Рис. 13.6. Номограмма для приблингенного расчета дальности действия Фазового лазерного дальномера Одной из основных характеристик взаимодействия оптического поля с приемником излучения является распределение вероятностей попадания фотонов поля на фоточувствительный слой и появление дискретного числа фотоэлектронов за определенный интервал времени измерения Т „. В ряде практических применений очень важно обнаружить и выделить из случайных шумов полезный сигнал.
Теоретические нсследования, подтвержденные экспериментальными работами, показали, что в лазерной связи и локации предпочтение отдается физическим и статистическим свойствам и характеристикам сигнального и внешнего шумового полей, распределение вероятностей попадания фотонов которых подчиняется закону Пуассона (6, 23, 281 где а — среднее число фотонов. Это позволяет использовать одномодовое излучение газовых лазеров (или полупроводниковых и твердотельных лазеров), когда интервал измерения много больше времени когерентности сигнала: т„„>) !чу(с1ьд).
Тепловые и спонтанные шумы, отраженное от объекта солнечное излучение, рассеянное излучение атмосферы и т. д. создают хаотическое шумовое поле, распределение которого подчиняетия закону Гаусса. На практике часто возникает задача достоверного обнаружения полезного сигнала на фоне случайных помех. Допустим, что на входе локатора действует оптический сигнал„ являющийся суперпозицией детерминированного полезного сигнала и, и случайной помехи и (см. рис.
13.7, а). Основным параметром такого сигнала являетая 26$ ожидаемое для приема количептво фотонов во временнбм интервале измерения Т„,м. Приемник излучения дальномера имеет порог обнаружения п„,р и постоянную времени 1е„. В результате решения задачи обнаружения должен быть получен альтернативный ответ: в поле зрения дальномера на определенной дальности есть переизлучающий объект или его нет е. Теоретически возможны три ситуации: полное обнаружение 7) (п„Т„), пропуск аигнала Н (п„Тя,м) н вероятностьложной тревоги Р (и, Т„). При наличии сигнала на входе приемника излучения, когда среднее количеотво фотоэлектронов, эмиттируемое фото- катодом, равно или больше п„„, вероятнооть обнаружения ы я ел(пв, Тв»м) = ч — е лы п) (13.4) я При наличии на входе полезного сигнала и шума возможна и вероятность пропуска полезного аигнала О(й, Т ) = 1 — с (й,.
Т, ). Вели и — среднее значение числа фотоэлектронов, обусловленное шумами внешнего фона н внутренними шумами приемника излучения при отсутствии или малом уровне полезного сигнала, когда уровень шумов превышает порог срабатывания схемы, т. е. пш и п„р, возможна ложная тревога, оцениваемая вероятностью (ншгя м)" Г(п, Ткем) = ~~~' "'" е "ш "'" и) яш»р Выбор порога обнаружения пяо имеет важное значение для доетоверного приема и последующей обработки полезного сигнала (8).
43.в. Характеристики оптоэлектронного канала Кратко рассмотрим три основных метода оптимального приема н обработки оптического сигнала: прямое фотодетектирование, гетеродиннрование и счет фотонов. Прямое фотодетектироваиие. Методика расчета схемы прямого фотодетектнрования в основном сводится к выбору схемы включения фотодиода, расчету параметров схемы и расчету полной дисперсии уровня шумов, определяющей пороговую чувствительность фотодетектирования.
Структурная схема оптоэлектронного канала представляет собой последовательное включение трех преобразователей: оптического, фотоэлектрического и электронного. Функциональное назначение, параметры и шумовые характеристики каждого нз них показаны на рис. 13.7, б (21). Фотодиоды включаются в ехемы как а внешним источником питания (фотодиодиый режим включения), так и без него (вентильный 'Смл Дерюгин И. А., Курашов В.
Н., Мащенко А. И. Оптимальныя прием оптических сигналов в каналах с мультнпликативными помехами// Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника.— 1976.— Т. !9, )чь 1.— С 24 — 33. 266 ем Н л 59 м гр ж»р га ба уа ее д.и а Рис. 13.7. Зависимости среднего числа сшумовых» фотоэлектронов лш, среднего числа ссигиальных» фотоэлектронов и от дальности обнаружения /) при различ.
ных мощностях излучения лазера Ри (а) и функциональная схема оптоэлектронного канала прямого детектирования (б): 1 — ОвтЯЧЕСКИВ ПРЕОбРаЗОВатЕЛЬ С ХЕРЕКтЕРИС»ИКЕМИ Н )Ы„; М ), аем Г»; 1 фстс»ЛЕК. »Рическва оРеобРввоввтель с хеР»ктеРистккеми еы 1Е Ь Фор) а влек»Ронина ЯРе. ОбРЯВОВВтЕЛЬ С КЕРЕКтЕРИС»ИИЕМИ К, ад Рш е (МОШИОСтв ШУМ» фОНВ), Рш обр (МОШНОС»Ь ШУ. У' МВ.'ОбнятнОГО РВССЕЯИИЯ), гшп — ЕЕЛЛОВМЕ, )ш — ДРОбОВМЕ, 1ш РВДИЕЯИОННЫЕ. »ш)— ТОКОВЫЕ. 1шл вх, 1 „— ЕЕОЛОВОВ И ДРОбОВОВ ШУМЫ ТОКЕ ВетВОРВ, ЯРИВЕДЕННЫЕ КО ВХОДУ влек»ровного преобразователя режим).
Максимальная чувствительность кремниевых фотоднодов приходится на 0,85...0,1 мкм прн работе нх в диапазоне длин волн от 0,5 до 1,2 мкм и достигает значения 0,2...0,5 А . Вт-'. Постоянная времени /ф„ 10 с. У германиевых фотодиодов указанные характеристики значительно хуже, а спектральная область простирается от 0,4 до 1,9 мкм.
При вентильном включении (рис. 13.8, а) фотодиод не потребляет энергию, а работает сам как источник тока. В этом случае постоянный фототок гф через фотодиод не протекает и, следовательно, отсутствует составляющая радиационного шума) . В результате пороговая чувствительность системы практически определяется не шумами фото- диода, а шумами схемы включения и последующего электронного тракта. Применение трансформаторной схемы включения фотодиода (рнс. 13.8, б) предусматривает снижение уровня внешних фоновых засветок. При этом создается режим короткого замыкания по постоянному току н сигнал нагрузки практически не зависит от засветки. Одновременно повышается напряжение на входе схемы и устраняется гальваническая связь между источником питания и фотоднодом.
Яап 1) дт пв п,в ол оп Рис. 18.8. Эквивалентная схема включения фотодиода в вентильном режиме (а), трансформаторная схема включения фотолнода (6) н ее подключение к операцион- ному усилителю (и) Напряжение на выходе операционного усилителя ОУ (Рис. 13 8 и) при известном выходном токе короткого замыкания сэ — — Фовх будет (/еых всп/ О е (13.5) где /т,,, — сопротивление обратной связи. Преимуществом выбора такой схемы включения фотодиода является линейность напряжения во всем диапазоне выходных сигналов Кроме того, в этой схеме отсутствует составляющая шума сопротивления нагрузки.
Если применить импульсный трансформатор о коэффициентом трансформации й, = 1 и пренебречь потерями в его сердечнике, то можно записать: /э — — со. Емкость разделяющего конденсатора Ср выбирается с таким расчетом, чтобы отфильтровать нижние частоты. Это дает возможность избавиться от шумов операционного усилителя. На входе последнего обычно устанавливают полевые транзисторы, поскольку приходится работать с большими входными сопротивлениями фотодиода. Запишем общее уравнение тока фотодиода в виде (15! в = с, (еп"с" ' — 1] + Ур„/йю где /, — темновой ток (ток насыщения Р— п перехода), А; е = = 1,6 10 'э — заряд электрона, Кл; й = 1,38 10 ~ — постоянная Больцмана, Дж К '; А = 1...4 — постоянный коэффициент; Т вЂ” абсолютная температура, К; У „— напряжение на р — п переходе, В; с„= Ур„//с„— ток в нагрузке /т„, А.
Решение этого уравнения представлено номограммой с„/в, = /(с,/с,) (риа. 13.9), построенной при /тс„//тс = й„ехр (с',)Ц(АмТ)) = = сопзЕ Расчет фототока проводят графоаналитическим методом. Задаются темновым током с'„ значение которого выбирают вдвое меньшим темпового тока, приводимого в паспорте фотодиода. Затем, используя паспортные параметры приемника — пороговый ток фотодиода Ф, и спектральную чувствительность вы рассчитывают ток фотодиода во —— = Феех и сопротивление р — п перехода /се при напряжении У,„ = = О. Из практических целей рекомендуется значение Фп выбирать на порядок больше, указанного в паспорте.
Зная со, находят отношение сэ//,. Затем по графику р, определяют отношение р, =/с„Иа и сопротивление нагрузки /ти = /сер, . 268 о г о о в в го оо им во гпп спп ппо спопсвсс, Рис. !3.9. Номограмма для расчета фототока фотолиодов Зная отношение Ия//т„по номограмме с,/с, = / (сф/с,) находят отношение с„/с, и определяют ток нагрузки с„, который равен значению с„/с,, найденному по номограмме, но умноженному иа выбранное значение счл Использование номограммы с'„/с', = /(сэ/с,) ссри расчете /ч'„и с'„ обеспечивает достаточную точность результатов и дает значительный выигрыш во времени. Выходное напряжение У,„„ связано о отношением средней мощности сигнала к средней мощности шума (Р,/Рм), важнейшей характеристикой всех оптоэлектронных измерительных схем, и полной дисперсией шума У соотношением Уг /Уи Р Р Полная дисперсия шума У~, для каждого конкретного фотодиода и для каждой конкретной схемы включения его зависит от шумов источников.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
