Методика выбора узлов оптоэлектронного преобразователя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 623.593 Афанасьев В.А.

ФГБОУ ВО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова», Ижевск, Россия

МЕТОДИКА ВЫБОРА УЗЛОВ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

В статье рассмотрена структурная схема, выполнен выбор и определены характеристики основных узлов оптоэлектронного преобразователя информационно-измерительной системы для определения внешнебаллистических параметров. Найдены критерии качества фотоприемника оптического датчика, по которым приведено обоснование и сделан выбор фотоприемника. Основным критерием качества оптоэлектронного преобразователя является минимальная ошибка измерения времени прихода сигнала на вход фотоприемника. В качестве фотоприемника используется фотодиод ФД-24К. Приведена схема включения фотодиода в фотодиодном режиме. Проведен расчет и получена логарифмическая амплитудная частотная характеристика усилителя-фильтра фототока. Полученная характеристика говорит о том, в усилителе-фильтре используется полосовая фильтрация сигналов. Результаты исследований используются для разработки оптоэлектронного преобразователя в составе информационно-измерительной системы для определения внешнебаллистических параметров стрелкового оружия.

Ключевые слова:

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ФОТОПРИЕМНИК, ФОТОДИОД, СВЕТОВАЯ МИШЕНЬ, УСИЛИТЕЛЬ-ФИЛЬТР

Оптоэлектронный преобразователь входит в состав информационно-измерительной системы (ИИС) на основе световой мишени для измерения тра-екторных параметров изделий стрелкового оружия. Для повышения точности измерения траекторных параметров необходимо повышать точность определения времен пересечения метательным элементом оптоэлектронного блокирующего устройства, которое образует световой экран. Оптоэлектронный

преобразователь (ОЭП) для регистрации момента времени пересечения объектом светового экрана мишени (рисунок 1) включает оптическую систему ОС, содержащую источник излучения И, объект и оптику О, фотоприемник ФП для преобразования светового сигнала в электрический и решающее устройство РУ, содержащее усилитель фототока с фильтром и пороговое устройство ПУ [10, 15,].

1_.

Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема ОЭП ОС - оптическая система, И - излучатель, О - оптика, Ф - усилитель- фильтр, ПУ - пороговое устройство, РУ - решающее устройство, ФП - фотоприемник

ОЭП работает на отрицательный контраст. Объект при перемещении затеняет часть светового потока от излучателя к фотоприемнику, что вызывает уменьшение его фототока, связанное по времени с пространственным положением объекта. В случае небольших расстояний между объектом и оптикой, поглощением и искажениями оптического сигнала в среде можно пренебречь.

Кроме полезного сигнала на блоки измерителя поступают возмущающие воздействия: флюктуация фо-

Для решения задачи, которая заключается в обеспечении минимальной ошибки при измерении времени прихода видеосигнала на фотоприемник, рассмотрим оптимизацию отдельных узлов ОЭП.

В дальнейшем не учитываются флюктуации напряжения порогового устройства. Вопросы выбора зна-

и„,

стабильности и_,

его влияния на

нового потока

излучателя Ф

Ф,

шфон '

пульсации светового потока

шумы фотоприемника иш

шфп

шумы

усилителя-фильтра фототока ишу , порогового устройства и„.

дрейф напряжения

пор

Исходя из обеспечения наилучшей точности фиксации положения объекта, т.е. временного положения видеосигнала на выходе фотоприемника, наилучшим следует считать ОЭП, обеспечивающий минимальную ошибку измерения времени прихода видеосигнала на фотоприемник. Оценка временного положения сигнала на выходе усилителя-фильтра производится фиксацией точки пересечения сигнала с уровнем порога. Точностный критерий оптимизации измерителя можно представить в виде минимума дисперсии ошибки измерения времени [7, 10, 13] 2

а, , т.е.

(1)

где аш

дисперсия шума на выходе усилителя-

фильтра, и^

максимальная крутизна сигнала

пор ' пор

точность оценки координат полета пули, рассмотрены в работе [6]. В этой работе показано, что стабильные результаты работы ИИС получаются при выборе ипор = Штах , где 0,3 < к < 0,7 .

Не принимаются во внимание также и флюктуации фонового потока Фшфон , так как в условиях тира

ими можно пренебречь. На открытой местности флюктуации фона достаточно медленные и легко отфильтровываются при последующей обработке. Во внимание принимаются шумы фотоприемника, шумы усилителя и пульсации светового потока излучателя.

Пульсации светового потока излучателя могут быть подавлены с помощью методов цифровой фильтрации даже при питании излучателя нестабилизи-рованным источником питания [6].

Исходя из расчета оптической схемы, чувствительная площадка фотоприемника в идеальном случае должна иметь, не только заданные габариты, но и оптимальную конфигурацию. Для схемы ОЭП на рисунке 1 чувствительная площадка должна представлять собой прямоугольник размерами ахЬ , где Ь >> а .

Большинство фотоприемников являются инерционными звеньями с весовой и передаточной функциями соответственно равными [7, 10, 14]

выходе усилителя-фильтра, достигаемая

№фп (О = ^ ^

(2)

уровне ипо

2

а

а2 =

на

на

^ (ру

¿л (Р) 5„

(3)

Т - по-

Ф (р) Тр +1

где 50 - интегральная чувствительность, стоянная времени фотоприемника.

Принимая шум фотоприемника в рабочей полосе белым с интенсивностью №0 , для дисперсии шума фотоприемника получим [15]

ш.фп

.N0

2Т

0 _ ^0-^Поргф

2иТ

(4)

где -по

пороговый поток на единицу полосы ча-

стот без фоновой засветки;

темновой ток

фотоприемника, ¿ф - постоянная составляющая фототока.

Дисперсия ошибок измерений времени прихода сигнала на фотоприемник определим в виде

/фп "

т2

' ш.фп

(5)

(у'(1))2

где у'(/) - производная по переднему фронту, полученная как производная от реакции фотоприемника на линеаризированный передний фронт энергетического сигнала после ее разложения в ряд с сохранением младших членов ряда в виде

у(/) и !£. = '± т , / < Т ;

/фТ Т

(6)

где ¿ф - длительность переднего фронта сигнала;

т =

относительное время срабатывания порого-

ф

вого устройства найдем

Обозначим

С учетом (5) и (6)

2 _ ^0 -ПорТ

ш.фп

2¥фт

2Тф

тогда (7) примет вид

ш.фп

(7)

(8)

(9)

Рисунок 2 - Эквивалентная схема включения фотодиода по переменному току в фотодиодном режиме

Эквивалентная схема (рисунок 2) включения фотодиода в фотодиодном режиме с учетом паразитных составляющих содержит генератор тока гт , темно-

Аналогично получим дисперсию шума усилителя, приведенную к входу:

(у' (/))2

где

Т

ц=— •

¿фп

(10)

(11)

г'фп - максимальный ток (ток насыщения) фотоприемника ¿ф.нас •

Считая шумы усилителя и фотоприемника независимыми, для дисперсии ошибки измерения времени получим [13]

СТ /.фп +СТ/У , (12)

Очевидно, что чем меньше X и ц , тем меньше погрешности измерения времени из-за флюктуаци-онных шумов фотоприемника и усилителя, что можно использовать как критерии качества фотоприемника. Кроме рассмотренных критериев, большое значение имеют эксплуатационные параметры, такие как стоимость, сложность конструкции и надежность функционирования в сложных климатических условиях, при больших фоновых засветках, ударных воздействиях и вибрациях. Этим требованиям удовлетворяют только неохлаждаемые фотоприемники: фотоумножители, вакуумные фотоэлементы и фотодиоды. Основные параметры фотоприемников и значения X и ц по (8) и (11) приведены в [1, 5, 8, 9, 11, 15].

Параметр X изменяется в диапазоне от 10

с.

до 10-

с. ,

а

ц - от 0,5 -10-2 с/А до 4 с/А.

Интегральная чувствительность, мА/лм -Напряжение шума, мкВ, не более -Пороговая чувствительность, лм -Постоянная времени, мкс -

Диапазон спектральной чувствительности, мкм -Предельная освещенность, лк -Темновой ток, мкА, при Т°С мах -Фоточувствительная площадь, мм2 -Форма фоточувствительной площадки -Диапазон рабочих температур, °С -Допустимое обратное напряжение, В -При работе на отрицательный контраст при большом уровне фоновой засветки целесообразно использовать фотодиод в фотодиодном режиме включения, как имеющий большой динамический диапазон изменения сигнала .

Наименьшее значение X имеют фотодиоды, наибольшее - фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Наименьшее значение ц имеют фотоумножители, а наибольшее - фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Отдельные фотодиоды имеют значение ц , соизмеримое с лучшими ФЭУ. Так как к тому же фотодиоды обладают лучшими эксплуатационными характеристиками, не требуют как ФЭУ высоковольтных источников питания и могут работать при больших фоновых засветках, то целесообразно применение фотодиодов. Одним из лучших фотодиодов по критериям (8) и (11) является ФД-24К. который и выбран для дальнейших исследований. Фотодиод ФД-24К имеет следующие характеристики: 6,0 7,0 5 -10-8 10

0,47. 1100 30 78

круг -60..

27

вое сопротивление фотодиода — , объемное сопротивление фотодиода , емкость р-п перехода Сф , сопротивление — и емкость Сн нагрузки.

Если Сн мала, и ею можно пренебречь, то передаточная функция схемы (рисунок 2) равна

.1,12

70

^н (Р) =

ин(Р)_

где кН

¿Т ( Р) ТН Р +1 -н-т . т - -т (— + — ) г

(13)

н —т + «Ф +— Ф

—т + «Ф + —

При выполнении условия

— >> — + — (14)

имеем кн ~ —н ;

Тн «Сф • (— + -ф) • (15)

Из формулы (15) видно, что при увеличении — постоянная времени Т увеличивается пропорцио-

2

Т

13

С = 'пор )

X

2

Г

нально Дн . При уменьшении Дн коэффициент усиления пропорционально уменьшается, а постоянная времени стремится к величине .

Если диод не насыщен, то точностные характеристики диода улучшаются с ростом фототока.

Для установки фотодиода в фотодиодный режим его необходимо сместить в обратном направлении так, как показано на рисунке 3.

Для увеличения выходного напряжения схемы надо увеличить сопротивление нагрузки. Увеличение йи ограничено сверху явлением насыщения схемы. Имеем

(16)

ивых = 'фп ДН - ип ином ,

откуда Дн -и" ином

где Пп - напряжение источ-

'фп

ника питания; Пном - рекомендованное заводом-изготовителем напряжения смещения. С другой стороны, при отсутствии фоновой засветки фотодиод не должен выходить из строя по причине превышения допустимой величины напряжения смещения, т.е.

исм = ип -'фпДН - идоп •

Откуда

ип -идоп ифп

(17)

(18)

'фп

'фп

ТТ

ТТ

нужно уменьшать Йн или увеличивать 1фп. С другой стороны, для увеличения амплитуды выходного напряжения сопротивление нагрузки йи надо увеличивать. Так как фототок насыщения и сопротивление нагрузки связаны обратно-пропорциональной зависимостью, то приходим к выводу, что выгоднее увеличивать фототок за счет уменьшения сопротивления нагрузки.

С точки зрения оптимального приема при низких соотношениях сигнал/шум согласованный усилитель-фильтр должен иметь импульсную характеристику, инверсную по времени форме сигнала [7, 10]. Для снижения погрешности, возникающей в случае оценки времени прихода сигнала, применяют дифференцирование. В общем случае усилитель-фильтр фототока имеет ограниченную полосу пропускания для подавления низкочастотных помех из-за изменений фона и пульсаций источника тока излучателей. Для подавления высокочастотных шумов измерительного тракта полоса усилителя должна быть ограничена сверху.

Нами разработана логарифмическая амплитудная характеристика усилителя-фильтра оптического датчика, которая показана на рисунке 4 [4].

ж (щ)

20 дБ/дек

и

Рисунок 3 - Установка фотодиода в фотодиодный режим

Для реальных схем, в частности с фотодиодом ФД-24К, характерен случай Тн >>Т . В формуле (11)

Рисунок 4 - ЛАЧХ усилителя-фильтра

Спад на высоких частотах обеспечивается частотной характеристикой усилителя. Специальных действий по выбору частоты щ не предпринималось. Увеличение числа каскадов фильтра признано нецелесообразным из-за увеличения стоимости фильтра. Частота щ выбрана равной щ = 2л-1000 Гц.

заменим Т на Т

Видно, что для уменьшения ц

ЛИТЕРАТУРА

1. Аксененко, М. Д. Приемники оптического излучения. Справочник / М. Д. Аксененко, М. Л. Бараночников. - М.: Радио и связь, 1987. - 296 с.

2. Афанасьев В.А., Казаков В.С., Коробейников В.В., Лялин В.Е. Исследование возможности уменьшения погрешности световой мишени из-за нутации и прецессии пули / В.А. Афанасьев, В.С. Казаков, В.В. Коробейников, В.Е. Лялин. Надежность и качество. Статьи Междунар. симпозиума. В 2-х томах / Под. ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. ГУ, 2013. - Т. 2. - С. 250-251.

3. Афанасьев В.А., Казаков В.С., Коробейников В.В., Лялин В.Е. Экспериментальное исследование эффективности использования взвешенных моментов времени в световой мишени / В.А. Афанасьев, В.С. Казаков, В.В. Коробейников, В.Е. Лялин. Надежность и качество. Статьи Междунар. симпозиума. В 2-х томах / Под. ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. ГУ, 2013. - Т. 2. - С. 251-255

4. Бесекерский, Н. А. Теория систем автоматического регулирования / Н А. Бесекерский, Е. П. Попов. - М.: Наука, 1974. - 720 с.

5. Богданов, Э. О. Фоторезисторы и их применение / Э. О. Богданов - Л.: Энергия, 1978. - 244 с.

6. Вдовин, А. Ю. Разработка системы определения внешнебаллистических параметров на основе световых экранов: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.01 / Вдовин Алексей Юрьевич. - Ижевск, 2010. - 157

7. Гоноровский, И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / И. С. Гоноровский. - М. : Сов. Радио, 1967. - 399 с.

8. Корндорф, С.Ф. Расчет фотоэлектрических цепей / С. Ф. Корндорф, А. М. Дубиновский, Н. С. Муромова, Н. И. Перова, Е. Я. Сурова. М., Энергия, 1967. - 209 с.

9. Павлов, А. В. Оптико-электронные приборы (основы теории и расчета) / А. В. Павлов. М., Энергия, 1971. - 359 с.

10. Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радионавигационных системах / под ред. Ю. М.Казаринова. - М.: Сов.радио, 1975. - 296с.

11. Полупроводниковые фотоприемники / И. Д. Анисимова, И. М. Викулин, Ф. А. Заитов, Ш. Д. Курмашев. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

12. Порфирьев, Л. Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем / Л. Ф. Порфирьев. Л.: Машиностроение, 1980. - 272 с.

13. Солодовников, В.В. Статистическая динамика линейных систем автоматического управления / В.В. Солодовников.-М.: Физматгиз, 1960.-655 с.

14. Удалов, Н. П. Полупроводниковые датчики / Н. П. Удалов. - Л.: Энергия, 1965. - 239 с.

15. Якушенков, Ю. Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов / Ю. Г. Якушенков. -М., Сов.радио, 1971. - 336 с.