Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Если принять шумы некоррелированными, то полную дисперсию шума можно записать в виде л л У'.= ~У-'.с „с.'= хРс.п с где У „с с — дисперсия составляющих шумов по напряжению или току. На вход любого фотодиода совместно и неизбежно с полезным и детерминированным сигналом всегда приходит хаотический сигнал шума (фон засветки от случайных источников излучения, блики оптики и т. д.) со случайными амплитудой и частотой. Так как флюктуации сигналов из-за шумов являются случайным процессом, математически их удобно выражать вероятностными характеристиками: 269 Полученное выражение диспереии шума позволяет определить пороговую мощность потока излучения оптоэлектронного канала, т.
е. тот минимальный поток излучения, который вызывает на входе фотодиода сигнал, эквивалентный уровню шумов (18, 21, 28): Р р 22I (ш/вд„ (13.8) Для устойчивой работы системы необходима некоторая избыточность потока излучения, т. е. соблюдение необходимого отношения мощностей сигнала и шума: (Р /Р ), . Практически отношение полезного сигнала к уровню шумов рекомендуется выбирать равным 5...10.
Тогда можно записать: (13 7) непбх Рппр = (Р,/Р ),п,рп.р, непбх где Р„,р — необходимое значение порогового потока, Вт. Влияние постоянной времени фотодиода /еп и времени воздействия потока излучения на приемник (тн) можно учесть увеличением порогового потока (28): (Р /Р ) ' ппр (т) 1 — ехр ( — т„//Е„) Спектральная плотность одиночного экспоненциального и мпуль. т кова, что энергия импульса сосредоточена в полосе частот от 0 до/, которая определяется соотношением т„Л/ 1, где т„— постоянп о к ная времени нарастания (спада) экспоненты.
Необходимую полос ропускания Л/ 1//е„принимают для расчета шумов и значения по- У рогового потока. Типовые значения основных параметров оптоэлектронного канала при прямом фотодатектированни следующие (211: выходная мощность полупроводнико о на Оадз Р 1...б В; а 1...б Вт; длительность импульса т„= 200 нс; длина волны излучения эш 0,6.„0,65 мкм. Приемником служит фотоднод Ф/(. 19 с параметрами: чувствитель- 270 математическим ожиданием ! г и дисперсией шума ! г или средним квадратическим отклонением.
В рассматриваемой схеме включения фотодиода основными составляющими полного шума являются: тепловой шум фотодиода с дисперсией !', = 4йТЦ/Гте; дробовой шум О дисперсией !2, „= 2еех (0,5!Ээ + Рй) Л/; шумы электронного трак- 2 та, диспе~сия которых 1,„= 4яТЬ//Гт„; радиационный шум е диеперсией !р = 8АТ'Авз! ()1)е+ Р л+ Рш, е,) Ь| и токовый шум е дисперсией ~!! = А,фЛ///.
Символы в этих формулах означают! — олоса пропускаиия оптоэлектронного канала; Ре — сопротивление базы фотодиода; /(„ = 10' Ом — сопротивление канала полевого транзистора; А, = 10~...10 — коэффициент! Рэ = Р е + + Р„,ер — мощность потока фона, равная мощности шума фона™Р .ь и мощности шума потока обратного рассеяния Р ер/ / — частота флюктуации тока.
Полная дисперсия шумового тока ш гш = ш.т Г гш.нр + гш.тн + гр.ш + гш!. ность е = 0,2...0,5 А/Вт; темновой ток 1, = 1 мкА; постояинан времени / „= 1О с) пороговый поток Фе — — 7,6 !О !! лм, Метеорологическая дальность видимости Ен „з = 10 км; коэффициенты пропуска- ння передающего и приемного каналов т! = 0,5 и т, = 0,4 соответственно; коэффи- циент отражения р = 0,04; ширина полосы пропускания оптического фильтра ЬХ = 20 ° 1О см; яркость естественного фона Вь —— 9 ° 1О т кд ° и 2; угол поля зре- ния е(0„ 10 ср; коэффициенты, характеризующие пространственное распределе.
2 ние отраженного сигнала и потери при коммутации приемопередачи, й = 0,4 и йп = 0,9 соответственно; коэффициенты рассеяния н ослабления излучеймя атмосферой йр(ь) 0,2 км ' и Кь = 0,6 км ' соответственно. В результате расчета по приведенным выше формулам получены следующие значения: полоса пропускания электронного преобразователяЛ/ !/14 1Ое ГШ сопротивление р — и перехода прн нулевом напряжении Ре = 1О' Ом; тепловые шу- мы диода !2,=1,7.!Π— 2! А*; шумы электрониоготрактаю! -О,ОЗ. 1Π— 2! Ах; мощность шума от внешнего фона Р ф —— 44,5 ° 1О з Вт; мощность шума из-за об- ратно рассеянного потока Р е —— 4,6 !О э Вт; дробовой шум при 0 = 100 м = 5,95 .
!0 2! Аэ; радиационные шумы ! = 0,21 ° 10 2! А'! полная дисперсия шумовых токов ! = 10,2 !О Аз; мощность порогового потока оптоэлектронного 2 — 2! канала Р = 4,42 10 Вт. При заданном отношении сигнал/шум, равном 1О, — ю н/ 1О е Рн е" (/)=24,6 ° 1О эВт. Из всех составляющих шума самым мощным нвляется дробовой шум, возникаю- щий при воздействии на приемник полезного оптического сигнала и фоновой засветки. Самая низкая мощность радиационных шумов на порядок ниже остальных состав- ляющих шума. Тепловые шумы фотодиода и шумы электронной схемы соизмеримы н лишь немного меньше дробовых шумов. Оптическое гетеродинироваиие ".
Высокой чувствительности приемной системы лазерного дальномера можно достичь, используя, кроме метода прямого фотодетектироваиия, оптическое гетеродинироеание и метод счета фотонов. Различие этих методов состоит в том, что при прямом фотодетектировании вся информация о частоте и фазе оптического излучения теряется, так как фотоприемник реагирует только на интенсивность (амплитуду) приходящего излучения, а при оптическом гетеродинироваиии и счете фотонов приемное устройство реагирует на амплитуду, частоту и фазу. При этом достигается высокая чувствительность в условиях больших фоновых засветок или значительного ослабления сигнала на трассе.
Метод гетеродинирования когерентных волн излучения дает возможность обнаруживать разность частоты (т„— тг) 1 Гц при несущей частоте р„)0" Гц, в то время как метод счета фотонов является одним из наиболее чувствительных для приема рассеянного излучения, позволяя исследовать статистические свойства как потоков, так и отдельных квантов излучения (фотонов). Экспериментальные исследования гетеродинных систем на фото- резисторах показали, что реальная чувствительность когерентного приема отличается от теоретической, ограниченной квантовым шумом, на 3...10 дБ (/)т = 1,87 10 ьэ Вт/Гц при )ге = !0,6 мкм) 131).
' Строго говоря, этот метод называется гомодинироегнием, т. е. смешением оптяческих сигналов с почти одинаковыми частотами тн т„!261. 271 Рне, !Зло. чруннпнонаньнан схема гетеродннного приемника оптических снгнадавт ! объектив с фильтромг 1 светоделителм В фотоумножитель: 4 усилитель; а нагрузка; б — фильтр промежуточной частоты; 1 детектор; В нагрузка детектора; У выходной фильтр; 10 сиотема управлении и„; 11 — лавер-гетеродии При гетеродинном методе приема происходит смещение составляющей спектра модулированного сигнала с полезной информацией из диапазона несущей (высокочастотной области оптического спектра) к низким радиочастотам. В области низких радиочастот фильтрация и усиление сигнала современными техническими средствами осуществляются значительно проще, чем в оптическом диапазоне.
В оптическом гетеродинном приемнике (рис. 13.10) для преобразования входного сигнала используются местный лазер-гетеродин н фотоумножитель. Принимаемое излучение (несущая) и сигнал гетеро- дина совмещаются на полупрозрачном зеркале-смесителе. Если оба луча пространственно коллимированы, то на чувствительной поверхности фотоумножителя образуется интерференционная картина.
Выходной ток фотоумножителя пропорционален интенсивности оптического сигнала, т. е. квадрату суммы напряженностей электрических полей несущей Е„и гетеродина Е„: 1ф а~ ! Е. + Е,) '. Квадратичный характер детектйрования приводит к тому, что ток фотоумножителя содержит составляющую разностной частоты йфЕе Ео, соз (у„— уг) 2гса (см. п. 3.3), которая и несет полезный инфОриацнОННЫй СИГНаЛ (Е1ж, Еег — аМПЛИтудЫ СИГНаЛОВ НЕСущЕй И гетеродина). К приемникам излучения, используемым в гетеродинных схемах, предъявляются специфические требования: малая инерционность, малый разброс времени пролета носителей, высокие квантовая эффективность и спектральная чувствительность. Этим требованиям и удовлетворяют фотоумножители.
Параметры типичного фотоумножителя следующие: максимум спектральной характеристики ),„- 0,38 мкм; интегральная чувствительность н,„= 67,5 мА/Вт; коэффициент усиления дф — — 1О'; квантовая эффективность т! 3,5 1О ', темновой ток 1, = 2 . 1О ' А; спектральная чувствительность зх = 10 ' А/Вт. Представим отношение мощностей сигнала и шума в виде (р ~р 1 (йфчгцнти!1 гввг'гов Вафд~, 1пеначи1 (Ре -)- Рг + Рф) гн гт! гча + 2йТЬ|ф где уи = 5 !0ха Гц — частота несущей,' Р„Ри — средние значения мощности гетеродина и несущей сигнала соотвеВственно, Вт; Л7 272 полоса пропускания фильтра промежуточной частоты, МГц; Рф— среднее значение мощности фона, Вт; )г„— сопротивление нагрузки фотоумножителя, Ом.
Кроме того, гетеродинный прием обеспечивает широкую полосу пропускания приемника (100 МГц . 1 ГГц). Однако метод оптического гетеродинирования не нашел широкою применения в высотомерах и дальномерах. Главная причина этого — потребность в высоко- стабильном узкополосном источнике светового излучения для местного гетеродина квантового передатчика (например, все существующие промышленные образцы лазеров на СО, не удовлетворяют этому требованию).
Метод счета фотонов. Этот метод такого недостатка не имеет. Кроме того, сигнал, снимаемый с фотодетектора, не зависит от эффекта Доплера, что важно при определении расстояния до движущихся объектов. Представление излучения как потока фотонов дает возможность осуществить статистику счета фотонов. Это принципиально новый метод по сравнению с традиционными интерференционными и спектроскопическими методами исследования свойств и характеристик излучения. Счет фотонов дает информацию о квантовых свойствах данною источника излучения и, кроме того, позволяет опреде.
лить время когерентности этого источника. Фотоны — элементарные частицы (кванты) электромагнитного излучения с энергией тту, которые потоком падают на поверхность фото- катода, вызывая поток электронов в нагрузке Р„ электрической цепи фотоумножителя. Чтобы точно подсчитать количество электронов за интервал времени Т „, необходимо предположить, что различные фотоэлектрические процессы статистически независимы. Метод счета фотонов часто используется в лазерной локации н исследованиях рассеивающих сред, где интервал времени регистрации, примерно равный длительности импульса ти, мал по сравнению с периодом повторения зондирующих импульсов (частота посылки импульсов, как правило, не превышает — 1 кГц).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
