Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 73
Текст из файла (страница 73)
Конструктивно прямой прием в случае регистрации потока достаточно прост. Несколько сложнее прямой метод, основанный на подсчете числа фотонов, поскольку здесь требуются высокочувстви- Глава 12. Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов тельные и малоинерционные приемники излучении. Прием оптического сигнала в виде электромагнитного колебания Е,(т), содержащего информацию о наблюдаемом объекте, сопровождающийся сложением этого колебания со вспомогательным синусоидальным колебанием Е,(т), создаваемым специальным генератором (гетеродином), называется аетеродинирозаниелт. Структурная схема гетеродинного приемника приведена на рис.
12. 1. Рис.12.1. Структурная схема гетеродинного приемника:  — полупрозрачное зеркало; Вх.зр — входной зрачок (входная апертура); ПИ вЂ” приемник излучения; У вЂ” усилитель; ФИЧ вЂ” фильтр ниаких частот; и(т)-Е Е соа ((ш;а)т' фгф,) Как будет показано ниже, при гетеродинном приеме составляющую спектра модулированного сигнала, несущую полезную информацию, из высокочастотной области спектра смещают в область сравнительно низких частот, например из оптической части спектра электромагнитных колебаний в радиодиапазон, где фильтрация, усиление и детектирование (демодуляция) сигнала современными техническими средствами осуществляются проще, чем в оптическом диапазоне.
Гетеродинный прием в ОЭП может быть использован для преобразования не самих оптических сигналов, а модулирующих их колебаний. В том случае, когда частоты колебаний информационного ш, и вспомогательного оэ„сигналов одинаковы, а фазы совпадают, прием сигнала часто называют голтодинньтм. В $ 9.2 было показано 1см. формулу (9Л)), что при детектировании таких колебаний (синхронном детектировании) выходной сигнал максимален при равенстве фаз информационного и вспомогательного сигналов. Если наряду с основной гармоникой оэ„сигнал гетеродина содержит и другие гармоники (шумы), то качество приема может заметно ухудшиться. Уменьшить влияние шумов гетеродина можно путем использования балансных методов приема, схема одного из которых приведена на рис. 12,2.
Полупрозрачное зеркало 3 сдвигает фазу проходящего через него колебании на -нтг4, а фазу отраженного колебания на Ю.Г. Якушенков. Творил и расчет оптико-электронных приборов +л/4. В результате на приемники ПИ1 и ПИ2 поступают сумма и раз ность информационного и вспомогательного (опорного) сигналов вме- сте с шумами. Выходные сигна- лы приемников смешиваются. В электронном тракте ЭТ могут быть отфильтрованы составляюМк щие разностной частоты (ш,-в,).
Сигнал ивм (С) на выходе всей системы (балансного детектора) пропорционален разности (Е + Е )'- Ег(8 Ег Ег ГЕ 3 Ег Гв ЯЕг 12.2. Гетеродинный прием оптических сигналов Рассмотрим простейшую схему гетеродинного метода приема (см. рис. 12.1), где оптическая система представлена в виде входного зрачка с пропусканием т(х), равным единице внутри зрачка и нулю вне его, причем х — двумерный вектор, определяющий координаты в плоскости чувствительного слоя приемника, Пусть опорное колебание, создаваемое гетеродином, имеет вид плоской волны с амплитудой Е„, постоянной по всему входному зрачку, т.е. Е„(т) = Е с ехР[1(ш„к+ гР,)].
Информационный сигнал в идеальном случае может быть также представлен в виде плоской однородной волны Е,(С)=Е, ехр[1(ш,у нтр,)]. На выходе приемника излучения ПИ сигнал и(т)-[Е,(с)+Е„(т)] . (12.1) Если амплитуда сигнала Еим создаваемого гетеродином, заметно больше, чем амплитуда информационного сигнала Е,р, и квадратичной составляющей Ев, в разложении (12.1) можно пренебречь, эф- 380 е;а) *яа(Е;Е)~, где значение постоянРис.12.2. Структурная схема ной /тв выбирается близким к едибалаисиого метода приема нице.
Если входной информационный и опорный сигналы представить в виде суммы полезной и шумовой составляющих, то в результате анализа выражения для выходного сигнала и„можно убедиться, что шумы гетеродина на выходе уменьшаются в 2/(1-)тв) раз. При равенстве частот ш, и от„отношение сигнал/шум на выходе может в 2 раза превышать это же отношение при несинхронном балансном детектировании. Глава 12. Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов и(1)-Ел+Ел )Е„(х)т(х)соэ[Мот<-тр,(х)-тр„]т(х. (12.3) к Формула (12. 3) может быть использована для оценки возможности или целесообразности использования гетеродинного метода приема в случаях, когда функции т(х) и тр,(х) меняются по сечению пучка лучей в плоскости приема, например, при прохождении информационного сигнала через случайно-неоднородную среду (турбулентную атмосферу) В том случае, когда фронты информационного и опорного сигналов, падающих на приемник с размером чувствительной площадки сг, различаются на угол ту = тр,- тр„, переменный выходной сигнал ш,4э1п ят и(с) - Е, Егв соэ(Асов) 2со ш,т(э1пят 2со Здесь сл — скорость распространения излучения.
Зависимость и от угла ку накладывает весьма жесткие требовании на конструкцию и юстировку гетеродинной системы. Так, при 10%- ном допуске на изменение сигнала, обусловленное разностью фаз, значение ш,т( э(п ту/(2сл) должно быть менее 0,8 рад. Отсюда вытекает тре- 381 фективное значение низкочастотной составляющей сигнала имеет вид "(1) Е,он ЕхоЕглсоэ(бш(+тр,— тр„), (12.2) где 11ш = ш,- а„, (Близкое к этому выражение для суммы двух гармонических колебаний было получено ранее, см. 2 9,2а Второе слагаемое правой части (12.2) определяет мгновенное значение переменной низкочастотной составляющей сигнала на выходе приемника излучения, Условием оптимального гетеродинного приема является строгая синфазность колебаний, приходящих на приемник.
Для этого фронты Е,(т) и Е„(к) должны иметь постоянные фазы по всему чувствительному слою приемника. В том случае, когда фаза и амплитуда информационного сигнала изменяются по входному зрачку системы или площадке приемника как функция х, можно записать, что Е,(х,т) = Ес(х,()ехр[1[ш,(ттр,(х) — тр,]]. Эффективное значение выходного сигнала при сделанных допу- щениях Ю.Г. Якушвнков.
Теория и расчет оптико-электронных приборов бование: тр < Х)(4Н). Из (12.1) следует, что для увеличения выходного сигнала необходимо увеличивать мощность гетеродина. Но при наличии в спектре гетеродина побочных гармоник (кроме основной с частотой в,) возникают биения между атнми гармониками и входным информационным сигналом, которые могут пройти через низкочастотный фильтр, установленный после детектора. Эти биения являются помехами, поэтому увеличение мощности гетеродина, создающего колебания нескольких частот, целесообразно лишь до некоторого предела.
Такие же биения возникают при взаимодействии гармоник опорного сигнала с шумовыми сигналами от окружающего фона. Если эти шумовые сигналы некогерентны, т.е. их фазы случайны по отношению к фазе гетеродина, то биения весьма незначительны. Дисперсия шума и я, обусловленного паразитными биениями, определяется как сумма мощностей отдельных гармоник, т.е. и Остальные шумы при гетеродинном приеме те же, что и при прямом приеме „т.е. шумы приемника излучения, флуктуационные шумы полезного сигнала и фона, шумы электронного тракта. В отдельных случаях приходится учитывать некоторые шумы, возникающие в цепи приемника и вызванные действием побочных гармоник гетеродина, например дробовый шум.
Основные преимущества гетеродинного приема, заключающиеся в возможности получить большее отношение сигнал/шум, чем при прямом приеме, выявляются лишь при достаточно хороших монохроматичности гетеродина и стабильности его параметров. Отношение сигнал/шум в случае гетеродинного приема можно представить как отношение мощности сигнала Р, на выходе фильтра низких частот, выделяющего разностную частоту, к мощности шума Р в той же полосе частот. В случае идеальной синфазности информационного и опорного сигналов мощность сигнала на выходе электронного тракта (на выходе фильтра низких частот) в полосе частот бГ' = Лв/2л в соответствии с (12.2) Р, - (Е, Е„) или Р, - Ф,Ф„, где Ф, и Ԅ— потоки излучения, создаваемые источником информационного сигнала и гетеродином на приемнике.
Это подтверждает принципиальное достоинство гетеродинного метода приема — возможность увеличения мощности полезного сигнала путем увеличения потока, создаваемого гетероднном. В то же время мощность шума также пропорциональна уровням информационного и опорного сигналов. Так, если основными состав- 382 Глава 12.
Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов ляющими шума являются дробовый и тепловой шумы приемника (см. б 6.2), то дисперсия шума может быть опрвделена как и =и +и, = 2есрсхгВ +41ТВ сх(= = 2е [в, (Ф, + Ф„+ ф,) + с 1~)йг + ~)вТВнЕт где а, — токовая чувствительность приемника; Ф вЂ” среднее значение потока от фона, поступающего на приемник; т, — темновой ток приемника, а остальные обозначения те же, что в исходных формулах (см.
з 6,2). Поскольку в формулу для отношения сигнал/шум Р = Р,/Рян где Р - иг, поток Ф„, создаваемый гетеродином, будет входить как в числитель, так и в знаменатель, то даже в идеализированном случае синфазных колебаний и при отсутствии паразнтных биений получить значительное увеличение и за счет роста мощности гетеродина Ф„не удается.
Для обеспечения надежной фильтрации разностной частоты в,-со„ в системах с гетеродинным приемом предусматривается контроль частоты гетеродина с ее подстройкой для компенсации уходов и нестабильностей частоты информационного сигнала. Особенно часто это используют в системах с гомодинным методом приема, когда со,= в„. Опорный гетеродин управляется сигналом, получаемым с выхода приемника излучения и обеспечивающим синхронном колебаний. При активном методе работы ОЭП опорным сигналом может служить часть потока, посылаемого к наблюдаемому объакту, выводимая из передающей оптической системы и направляемая непосредственно на приемник.
Нужно указать, что при значительном уровне фоновых шумов гетеродинный прием далеко не всегда имеет преимущества перед прямым методом приема. Уровень превышения опорного сигнала Ф„над информационным Ф, часто ограничен, так как многие приемники излучения (особенно ФЭУ) имеют небольшую допустимую мощность засветки. К приемникам, используемым в гетеродинных системах, предъявляется ряд специфических требований: низкая инерционность, малый Разброс времени пролета носителей, от которого зависит инерционность приемника и верхний граничный предел его частотной характеРистики, высокая квантовая чувствительность в рабочем участке спектра. Необходимо, чтобы фаза детектируемого приемником сигнала не зависела от амплитуды этого сигнала. 383 Кт.Г.
Якуцгенков. Теория и расчет олтико-электронных приборов Глава 12. Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов В качестве приемников в гетеродинных системах используютс„ малоинерционные фотоумножители и фотодиоды, фотоприемники СВЧ-диапазона и некоторые другие [9, 12, 22]. Реально достигнутые пороги чувствительности для гетеродинных фотоприемников составляют 10 Вт Гц (энергия кванта около 10 во Дж). Принципиально возможно регистрировать один-два кванта в единичной полосе частот при квантовой эффективности, равной единице.
Качество гетеродинного приема ухудшается также при наруше нии пространственной когерентности излучения, вызываемом как несовершенством излучателей, так и влиянием среды, через которую проходит сигнал. Зто можно наблюдать, например, при прохождении сигнала от лазера через турбулентную атмосферу. В этом случае отношение сигналггшум растет с увеличением диаметра входного зрачка приемной оптической системы лишь до определенного предела. В [29] приведены данные об экспериментах по проверке влияния турбулентной атмосферы на качество гетеродинного приема лазерного излучения с Х = 0,63 мкм. Если представить входной зрачок квадратным с размером стороны а, то оптимальным значением а, сверх которого нет смысла увеличивать этот размер, является а = 0,254х (М, Св йв1,уттв) где Мг = 0,48; С„в — структурная постоянная (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
