Оценка параметров лазера и фотодиода

В данном разделе необходимо оценить применимость в системе выбранных лазера и фотодиода, т.е. оценить параметры этих устройств. К параметрам лазера относится мощность и длительность импульса. К параметрам фотодиода относится обнаружительная способность, время нарастания и спада.

Для начала оценим пороговую мощность из обнаружительной способности:

, (5)

где A – площадь чувствительной площадки, см²;

Δf – ширина полосы измерительного тракта, Гц;

D* - обнаружительная способность, Вт^-1·см·Гц^1/2.

Из выше указанных таблиц, можно найти P_пор:

Также необходимо учесть фоновые помехи, которые также могут внести свой вклад по оценке минимальной мощности лазерного излучения. Мощность фонового излучения P_фλ [6]:

, (6)

где L_фλ – спектральная яркость излучения, Вт/(см²·ср·мкм);

Т_п – пропускание оптической системы доставки излучения к фотоприемнику;

Δλ – спектральная полоса пропускания фотоприемника, мкм;

r_п – радиус апертуры оптической системы доставки излучения к фотоприемнику, см;

Ω_п – телесный угол поля зрения, ср.

Спектральная яркость L_фλ типичных земных фонов представлена на рисунке 12.

Рисунок 12. Спектральная яркость типичных земных фонов при наблюдении днем: 1 – снег, 2 – АЧТ температурой 35 °С, 3 – почва, 4 – белый песок, 5 – трава [6].

Наибольшая яркость в области 2,2 мкм наблюдается при снеге. Примем относительно графика значение яркости L_фλ = 0,8*10^-3 Вт/(см²·ср·мкм).

Пропускание оптической системы из трех линз Т_п = (1 – ρ)³ = 0,84.

Теперь рассмотрим уровень мощности лазерного излучения, прошедшего через все потери на полной трассе 10 км:

где k – коэффициент запаса;

τ_атм – пропускание атмосферы;

R_ст – коэффициент отражения стали.

По значению P_пол можно судить, что полная мощность системы будет превышать значение фоновых помех и возможностей приемного устройства.

Теперь можно перейти к условиям самой задачи: максимальная дальность 5 км выполнена по уровню мощности; минимальная дальность 0,3 км дана для выявления минимальной периодичности и длительности импульсов лазера, чтобы при возможном отражении импульсы не накладывались друг на друга. Рассмотрим более подробно:

Время, необходимое для прохождения светом данной дистанции, определяется как:

Соответственно, максимальная частота следования импульсов будет составлять:

У выбранного мною лазера частота следования импульсов составляет 2 кГц, что вполне удовлетворяет выполнению выше указанного условия.

Теперь осталось разобраться с последним условием задачи: точность измерения дальности – не более 3,0 м. Это означает, что накладывается ограничение на время нарастания t_rise и спада t_fall, т.к. эти времена задержки построения импульса дают небольшое размытие в точности измерения дальности объекта. Конкретнее это будет выглядеть следующим образом:

максимальное время нарастания (спада) должно удовлетворять условию

,

что вполне удовлетворяет параметру t_rise = 200 пс выбранного мною фотодиода.

Теперь можно окончательно убедиться в том, что лазер и фотодиод подходят для выполнения данной задачи.

Полный КПД системы η_пол будет составлять

,

при учете квантового КПД полупроводникового лазера η_кв = 50 %. Т.к. комплекс в целом является маломощным, то дополнительного охлаждения он не требует.

Блок-схема системы

Блок – схема системы изображена на рисунке 13.

Рисунок 13. Блок-схема системы.

Лазер подает оптический сигнал в сторону предполагаемого слежения и одновременно с ним от него поступает электрический сигнал на систему обработки данных, означающий выход сигнала. Телескопическая система формирования выходного пучка формирует выходной пучок. Сигнал поступает на объект и от него отражается. Отраженный импульс доходит до объектива приемной системы, который формирует пучок таким образом, чтобы максимально доставить его до фотоприемника. Фотоприемник обрабатывает импульс и передает электрический сигнал в систему обработки данных, означающий прием отраженного сигнала. Система обработки данных сопоставляет полученные значения и выдает результат дальности объекта от лазера. Блок питания снабжает электрической энергией основные узлы системы: лазер, приемник, систему обработки данных.

Техника безопасности

При работе с данной лазерной системой необходимо учесть следующие параметры:

– излучение невидимо для глаза, мощность импульсов такова, что не может вызвать поражение глаз, но данная мощность выбрана с учетом того, что воздействие излучения на глаза происходит в течение короткого промежутка времени таким образом, персоналу запрещается находиться в зоне работы системы длительное время;

– в зону работы охранной системы запрещено вносить предметы с поверхностями, которые могут привести к отражению лазерного излучения, что создаст угрозу несанкционированного облучения излучением человека, находящегося рядом;

– материалы, из которых изготовлена данная система, не должны быть токсичными, не должны разлагаться под воздействием окружающей среды с выделением вредных веществ. В первую очередь это касается оптических материалов. Материалы, из которых изготовлены защитные кожухи, не должны проводить электрический ток;

– конструкция лазеров должна быть выполнена таким образом, чтобы исключить поражение электрическим током персонала;

– персонал должен быть ознакомлен с инструкцией по технике безопасности при работе с лазерным излучением.

Список литературы

1. Л. З. Криксунов. Справочник по основам инфракрасной техники.-М.: Сов. радио, 1978. – 400 с.

2. Handbook of Geophysics. United States Air Force, Macmillan Company, New York, 1960.

3. Справочник по лазерам. Под редакцией А. М Прохорова. В 2-х томах. Т. I. — М.: Сов., радио, 1978. — 504 с.

4. Каталог-справочник: лазерные источники излучения. Лазерная ассоциация, 2010 г.

5. http://www.elektrosteklo.ru

6. Козинцев В. И. Основы импульсной лазерной локации, 2006.