координатный фотоприемник

Формула изобретения

Координатный фотоприемник, содержащий четыре фотоэлемента прямоугольной формы, расположенные на одинаковом расстоянии от двух пересекающихся координатных осей, и два вычитающих устройства, выходы которых являются выходами координатного фотоприемника, отличающийся тем, что дополнительно введены четыре вычитающих устройства, входы которых подключены к выходам фотоэлементов, расположенных по одну сторону каждой координатной оси, причем фотоэлементы, расположенные по диагонали к координатным осям, подключены к одноименным входам четырех вычитающих устройств, а входы первых двух вычитающих устройств соединены с выходами вычитающих устройств, подключенных к парам фотоэлементов, расположенным по разные стороны координатных осей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике сопровождения цели по направлению и дистанционной оценки параметров вибраций объектов по пространственным колебаниям отраженного от них оптического луча.

Известен координатный фотоприемник, состоящий из четырех фотоэлементов прямоугольной формы, расположенных на одинаковом расстоянии от двух пересекающихся координатных осей, четырех сумматоров, входы которых подключены к выходам фотоэлементов, расположенных по одну сторону каждой координатной оси, и двух вычитающих устройств, выходы которых являются выходами координатного фотоприемника, а входы соединены с выходами сумматоров, подключенных к парам фотоэлементов, расположенным по разные стороны координатных осей [М.С.Малашин, Р.П.Каминский, Ю.Б Борисов. Основы проектирования лазерных локационных систем. М.: Высшая школа, 1983, с.152-154].

Известный координатный фотоприемник функционирует следующим образом. В случае совпадения энергетического центра проецируемого на фотоприемник изображения или отраженного от исследуемой поверхности оптического луча с геометрическим центром фотоприемника (точкой пересечения координатных осей) сигналы на выходах фотоэлементов одинаковые, а на выходах вычитающих устройств равны нулю. При перемещении энергетического центра изображения перпендикулярно одной из координатных осей на выходах пары фотоэлементов, в сторону которых перемещается изображение, сигналы увеличиваются, а на выходах противоположной пары уменьшаются, в результате чего на выходе соответствующего вычитающего устройства появляется сигнал, зависящий от амплитуды перемещения изображения. Далее этот сигнал может использоваться для оценки направления на цель или параметров вибраций объектов.

Недостаток известного устройства состоит в том, что при небольших отклонениях энергетического центра изображения от геометрического центра фотоприемника на выходах фотоэлементов присутствует значительная постоянная составляющая сигнала. При сложении сигналов фотоэлементов в сумматоре их постоянные составляющие также складываются. На резисторе обратной связи сумматора при протекании через него тока возникает токовый шум, который проходит на выход сумматора [В.Д.Лихачев. Практические схемы на операционных усилителях. - М.: ДОСААФ, 1981. - 80 с.]. Мощность токового шума пропорциональна квадрату приложенного к резистору напряжения (протекающего через него тока) [Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ. / Н.Н.Акимов, Е.П.Ващуков, В.А.Прохоренко, Ю.П.Ходоренок. - Мн.: Беларусь, 1994 - 591 с.]. В данном случае этот шум в основном обусловлен постоянной составляющей сигналов фотоэлементов, которая при небольших А может на несколько порядков превышать его полезный сигнал. В результате на выходе каждого сумматора кроме полезного сигнала появляется удвоенная постоянная составляющая сигнала фотоэлемента и обусловленный ею шум, дисперсию (мощность) которого обозначим через D.

Далее сигналы с двух противоположных по отношению к координатной оси сумматоров поступают на входы соответствующего вычитающего устройства, в котором мощность шумов также складывается [Современная радиолокация./ Под ред. Ю.Б. Кобзарева. - М.: "Советское радио", 1969. - 704 с.]. В результате шум на выходе вычитающего устройства, обусловленный шумами на выходе сумматоров, будет равен 2D. Кроме этого, на каждый вход вычитающего устройства будет действовать удвоенная постоянная составляющая сигнала фотоэлемента, поэтому на резисторе обратной связи инвертирующего входа также сформируется шум мощностью D, такой же шум появится на неинвертирующем входе, на резисторе нагрузки [В.Д.Лихачев. Практические схемы на операционных усилителях. - М.: ДОСААФ, 1981. - 80 с.]. В вычитающем устройстве эти шумы также сложатся, в результате чего результирующий шум на его выходе составит 4D.

Еще один недостаток известного устройства обусловлен тем, что цепи между выходами фотоэлементов и входами вычитающих устройств, включающие, в том числе сумматоры, конструктивно разнесены, поэтому наводки на них из-за влияния других конструктивных элементов устройства могут отличаться. Вследствие этого в вычитающих устройствах они будут компенсироваться неполностью и пройдут на их выходы.

Перечисленные факторы приводят к снижению чувствительности известного координатного фотоприемника к перемещению изображения или оптического луча относительно фотоэлементов и, как следствие, - к увеличению погрешности оценки направления на цель и уменьшению чувствительности к вибрациям объектов.

Техническим результатом применения предлагаемого координатного фотоприемника является повышение его чувствительности к перемещению изображения или оптического луча относительно фотоэлементов, что обеспечивает повышение точности оценки направления на цель и чувствительности к вибрациям объектов.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом координатном фотоприемнике, состоящем из четырех фотоэлементов прямоугольной формы, расположенных на одинаковом расстоянии от двух пересекающихся координатных осей, и двух вычитающих устройств, выходы которых являются выходами координатного фотоприемника, сумматоры заменены вычитающими устройствами, причем фотоэлементы, расположенные по диагонали к координатным осям, подключены к одноименным входам этих вычитающих устройств.

Достижение технического результата обусловлено компенсацией постоянных составляющих сигналов в вычитающих устройствах, подключенных к фотоэлементам. В результате на входы двух вычитающих устройств, выходы которых являются выходами координатного фотоприемника, постоянные составляющие сигналов не поступают вовсе, что обеспечивает существенное снижение токового шума. Кроме того, в предлагаемом устройстве цепи, соединяющие фотоэлементы и вычитающее устройство, используемое вместо сумматора, не содержат активных элементов, значительно короче и могут располагаться значительно ближе друг к другу, чем в прототипе. Это обеспечивает более высокую синфазность наводок в указанных цепях и, соответственно, более высокую степень их компенсации.

Изобретение поясняется фиг.1-3, на которых представлены структурная схема прототипа, схемы сумматора и вычитающего устройства на базе дифференциального операционного усилителя и структурная схема заявленного координатного фотоприемника соответственно.

Координатный фотоприемник состоит из четырех фотоэлементов (1-4) прямоугольной формы, распложенных на одинаковом расстоянии от двух пересекающихся координатных осей (5, 6), и шести вычитающих устройств, входы четырех из которых (8-11) подключены к выходам фотоэлементов, расположенных по одну сторону каждой координатной оси (5, 6), причем фотоэлементы (1, 3) и (2, 4), расположенные по диагонали к координатным осям (5, 6), подключены к одноименным входам вычитающих устройств (8-11), выходы остальных вычитающих устройств (12, 13) являются выходами координатного фотоприемника, а их входы соединены с выходами вычитающих устройств (8, 10) и (9, 11), подключенных к парам фотоэлементов, расположенным по разные стороны каждой из координатных осей (5, 6).

При небольших перемещениях изображения (7) относительно центра сборки фотоэлементов (1-4) на выходе каждого из них будет присутствовать значительная постоянная составляющая сигнала, которая не содержит полезной информации. Вместе с полезным сигналом они поступают на входы вычитающих устройств (8-11), создавая на резисторах обратной связи R_oc и нагрузочных резисторах R_н шумы одинаковой мощности (фиг.2,б), которые на выходе вычитающего устройства суммируются. В отличие от прототипа (фиг.1), в котором сигналы с пар фотоэлементов поступают в сумматоры (8-11) на инвертирующие входы операционных усилителей (фиг.2,а), в изобретении (фиг.3) на каждый вход вычитающих устройств подается сигнал только с одного фотодиода. Поэтому ток через резисторы R_oc и R_н в вычитающих устройствах (фиг.2,б) изобретения в два раза меньше тока через резистор Roc в сумматорах прототипа (фиг.2,а). Так как мощность шума в резисторе пропорциональна квадрату протекающего через него постоянного тока, мощность шума на каждом входе вычитающих устройств (8-11) изобретения (фиг.3) в четыре раза меньше мощности шума на инвертирующих входах сумматоров прототипа и составляет 0,25D. Постоянные составляющие сигналов фотоэлементов в вычитающих устройствах (8-11) изобретения компенсируются, поэтому на их выходах кроме полезного сигнала присутствует созданный указанными постоянными составляющими суммарный шум, мощность которого равна 0,5D. В вычитающих устройствах (12, 13) изобретения шумы вычитающих устройств (8, 10) и (9, 11) суммируются, поэтому мощность токового шума на выходах предлагаемого координатного фотоприемника составляет D, что в четыре раза меньше мощности шума на выходах прототипа.

Кроме того, цепи, соединяющие пары фотодиодов с входами вычитающих устройств (8-11) могут быть расположены близко друг к другу и не содержат активных элементов (сумматоров на базе операционных усилителей), поэтому наводки в них будут идентичны и полностью компенсированы в вычитающих устройствах (8-11) изобретения.

Если произвести действия над полезными сигналами фотоэлементов U_i в соответствии со схемой прототипа, фиг.1, на выходе, например, его первого канала получим

_1П=(U₁+U₄)-(U₂ +U₃)=U₁-U₂+U₄-U ₃.

Производя аналогичные действия с сигналами фотоэлементов в изобретении, фиг.3, на выходе первого канала получим

_1И=(U₄-U₃)-(U₂ -U₁)=U₁-U₂+U₄-U ₃.

Из сравнения полученных выражений видно, что полезные сигналы на соответствующих выходах изобретения и прототипа одинаковы.

Таким образом, полезные сигналы на соответствующих выходах изобретения и прототипа одинаковы, при этом шум и наводки на выходах изобретения значительно меньше, чем на выходах прототипа, что способствует повышению его чувствительности к перемещению изображения или оптического луча относительно фотоэлементов и, как следствие, - к увеличению точности оценки направления на объект и повышению чувствительности к вибрациям объектов.