УДК 621.396.99

РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО МИКРОФОНА

Мустафаев Руслан Айвазович
Воронежский государственный технический университет

Аннотация
В данной работе рассматривается принцип работы лазерного микрофона, разрабатывается его структурная и принципиальная схемы, а также проводится моделирование блоков передатчика и приемника устройства, для чего была подобрана элементная база.

Ключевые слова: лазерный микрофон, моделирование, расчет


THE CALCULATION AND SIMULATION OF LASER MICROPHONE

Mustafaev Ruslan Aivazovich
Voronezh State Technical University

Abstract
In this paper viewed the principle of the laser microphone, developed its structural and principal schemes, as well as modeling units held transmitter and a receiver unit, which was selected element base.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Мустафаев Р.А. Расчет и моделирование лазерного микрофона // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/04/65941 (дата обращения: 19.11.2016).

Лазерные микрофоны позволяют решать задачи получения информации от другого лица, при отсутствии в его распоряжении передатчика. Таким образом, получается симплексный канал связи [1, 2].

Так как лазерный микрофон подвержен влиянию изменения координаты зондируемой поверхности, то его можно применить, например, для детектирования сейсмической активности в земной коре. Вторым вариантом возможного применения данного вида связи является детектирование пульса, дыхания у человека, при условии, что к его телу будет прикреплена какая-либо отражающая поверхность. Плюсами таких систем являются скорость (так как информация передается оптическим излучением, а его скорость близка к скорости света и ограничена лишь скоростью обработки информации) и возможностью удаленного доступа от места сбора информации.

Принцип его действия изображен на рисунке 1.

Рисунок 1. Принцип действия лазерного микрофона

Луч света от лазерного источника направляется к способной его отразить поверхности (мембране). При колебании мембраны, изменяется угол отражения лазерного луча. Таким образом, световой поток модулируется. Отраженный луч принимается оптическим прием­ником, размещаемым в точке приема отраженного луча. Изменения направления отраженного луча при колебаниях мембраны вызывают соответствующие изменения положения пятна света на светочувс­твительном элементе оптического приемника.

Таким образом, лазерный микрофон должен включать в себя блоки, выполняющие определенные функции. Драйвер питания должен обеспечивать стабилизированный ток лазерного диода. Так как излучение лазера имеет довольно широкую диаграмму направленности, то  луч направляется через коллиматор для его фокусировки. Далее коллимированный пучок, отражаясь  от мембраны, попадет на блок приемника. На его входе стоит оптический полосовой фильтр с полосой пропускания, в которую входит длина волны излучения лазерного диода. Такой фильтр обеспечит избирательность от нежелательных фоновых источников света. Далее лишь излучение от лазера попадет на фотодиод [3]. В нем свет, попавший на его светочувствительную площадку, преобразуется в электрический ток. Затем ток фотодиода трансимпедансным усилителем преобразовывается в напряжение [4, 5], так как все усилители прежде всего усиливают именно его. Далее уже преобразованный сигнал идет на усилитель звуковой частоты, который усиливает напряжение до необходимого уровня. Исходя из вышеперечисленного, была составлена структурная схема лазерного микрофона, представленная на рисунок 2. 

Рисунок 2. Структурная схема лазерного микрофона

Электрической частью схемы является драйвер питания, обеспечивающий стабильное питание током лазерного диода (излучатель). Как известно, лазерный диод очень «капризный» и небольшое отклонение протекающего через него тока от нормы может его погубить.

Самым распространенным применением лазерного диода являются оптические приводы. В DVD-RW используются лазеры, испускающие длину волны 650 нм. Чем выше скорость записи в таких приводах, тем больший ток потребляет лазер и большую мощность имеет:

  •  16х – ток 250-260 мА, мощность 200 мВт;
  •  20х – ток 400-450 мА, мощность 270 мВт;
  •  22х – ток 450-500 мА, мощность 300 мВт.

Таким образом, лазерный диод достаточно высокой мощности можно извлечь из ненужного оптического привода.

Для лазерного микрофона был выбран лазер мощностью излучения 200 мВт, излучающий длину волны 650 нм. Но для большего срока службы не стоит на него подавать ток выше 200 мА, так как при нагреве, ток, протекающий через лазер, начинает увеличиваться, а это грозит его «перегоранием».

В качестве драйвера питания можно использовать стабилизатор напряжения с подключенным к нему резистором. А так как напряжение будет стабилизировано, то и ток (который как раз и ограничивается резистором) соответственно тоже.

Главными факторами, влияющими на дальность действия, являются мощность передатчика и чувствительность приемника. Но также, сильно влияет и фокусировка луча, то есть расходимость, минимальное значение которой должен обеспечивать коллиматор. Затухания в атмосфере также значительно влияет на дальность действия.

Для проверки работоспособности данной схемы использовались пакеты моделирующих программ Multisim и Micro-Cap.

На рисунке 3 представлена цепь передатчика смоделированная в программе Multisim в общем виде (сверху) и при проверке работоспособности (снизу). 

Рисунок 3. Модель передатчика в пакете Multisim

Амперметр U3 показывает стабилизированный ток 200 мА, протекающий через лазерный диод. Таким образом, было проверена работа стабилизатора тока для лазерного диода.

Для приемника главным критерием при выборе фотодиода является его спектральная чувствительность, а для трансимпедансного усилителя – коэффициент трансимпеданса (то есть отношение выходного напряжения к входному току). Для проверки работы спроектированного приемника излучения использовалась программа Micro-Cap. Собранная схема изображена на рисунке 4. 

Рисунок 4. Модель приемника в пакете Micro-Cap

На рисунке 5 представлен входной и выходной сигналы приемника. Вверху выходной ток фотодиода, а внизу выходное напряжение активного фильтра. 

Рисунок 5. Входной и выходной сигналы приемника

Таким образом, по результатам моделирования амплитуда выходного напряжения равна 0,788 В.

В проделанной работе была проанализирована работа лазерного микрофона, разработаны структурная и принципиальная схемы, а также было проведено моделирование работы блоков передатчика и приемника устройства.


Библиографический список
  1. Пратт Вильям К. Лазерные системы связи. Пер. с англ. под ред. А.Г. Шереметьева. М., «Связь», 1972.
  2. Шереметьев А.Г. Статистическая теория лазерной связи. М., «Связь», 1971.
  3. Шевцов Э.А., Белкин М.Е. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи. – М.: Радио и связь, 1992. – 224 с.: ил.
  4. Гребнев А.К. Оптоэлектронные элементы и устройства / А.К. Гребнев, В.Н. Гридин, В.П. Дмитриев; Под. ред. Ю.В. Гуляева. – М.: Радио и связь, 1998. 336 с.: ил.
  5. Игнатов А.Н. Оптоэлектронные приборы и устройства: Учеб. пособие. – М.: Эко-Трендз, 2006. – 272 с.: ил.


Все статьи автора «Руслан Мустафаев»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация