Основные методы приема оптических сигналов, используемые в оптико-электронных приборах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные методы приема оптических сигналов, используемые в оптико-электронных приборах

План

1. Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов

2. Гетеродинный приём оптических сигналов

3. Динамический метод приёма (метод счёта одноэлектронных импульсов)

Литература

1. Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов

По физическим принципам регистрации и первичной обработки информации, содержащейся в оптическом сигнале, различают ряд методов приема оптического излучения: прямой, гетеродинный, балансный, синхронный и некоторые другие. Наиболее распространенными из них являются прямой и гетеродинный.

Прямой метод приема оптического сигнала состоит либо в непосредственной регистрации мощности или энергии излучения, либо в подсчете числа фотонов, составляющих этот сигнал. Если измерительная информация содержится в изменении потока или энергии излучения, т.е. изменению измеряемых или контролируемых параметров наблюдаемого объекта соответствует изменение одного из параметров потока или энергии (квадратичных функций амплитуды электромагнитных колебаний), оцениваемое по силе тока или напряжению на выходе приемника излучения, то процесс приема и обработки сигнала можно рассматривать как линейное детектирование. Если информация содержится в амплитуде электромагнитного колебания, а регистрируется квадратичная функция (поток, энергия, освещенность), то приемная система (приемник) выступает в качестве квадратичного детектора.

Конструктивно прямой прием в случае регистрации потока достаточно прост. Несколько сложнее прямой метод, основанный на подсчете числа фотонов, поскольку здесь требуются высокочувствительные и малоинерционные приемники излучения.

Прием оптического сигнала в виде электромагнитного колебания E_с(t), содержащего информацию о наблюдаемом объекте, сопровождающийся сложением этого колебания со вспомогательным синусоидальным колебанием E_г(t), создаваемым специальным генератором (гетеродином), называется гетеродинированием.

Структурная схема гетеродинного приемника приведена на рис. 1.

Рис.1. Структурная схема гетеродинного приемника: З - полупрозрачное зеркало; Вх.зр - входной зрачок (входная апертура); ПИ - приемник излучения; У - усилитель; ФНЧ - фильтр низких частот;

u(t)~E_coE _гоcos[(w_c-w_г )t+j_c-j_г]

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 w_с и вспомогательного w_г сигналов одинаковы, а фазы совпадают, прием сигнала часто называют гомодинным. В § 9.2 было показано [см. формулу (9.7)], что при детектировании таких колебаний (синхронном детектировании) выходной сигнал максимален при равенстве фаз информационного и вспомогательного сигналов.

Если наряду с основной гармоникой w_г сигнал гетеродина содержит и другие гармоники (шумы), то качество приема может заметно ухудшиться. Уменьшить влияние шумов гетеродина можно путем использования балансных методов приёма, схема одного из которых приведена на рис. 2. Полупрозрачное зеркало 3 сдвигает фазу проходящего через него колебания на -p/4, а фазу отраженного колебания - на +p/4. В результате на приёмники ПИ1 и ПИ2 поступают сумма и разность информационного и вспомогательного (опорного) сигналов вместе с шумами. Выходные сигналы приёмников смешиваются. В электронном тракте ЭТ могут быть отфильтрованы составляющие разностной частоты (w_с-w_г). Сигнал u_б.д (t) на выходе всей системы (балансного детектора) пропорционален разности (E_c+ E_г)²-k _б(E_с-E _г)², где значение постоянной k_б выбирается близким к единице.

Рис.2. Структурная схема балансного метода приема

Если входной информационный и опорный сигналы представить в виде суммы полезной и шумовой составляющих, то в результате анализа выражения для выходного сигнала u_б.д можно убедиться, что шумы гетеродина на выходе уменьшаются в 2/(1-k_б) раз. При равенстве частот w_с и w_г отношение сигнал-шум на выходе может в 2 раза превышать это же отношение при несинхронном балансном детектировании.

оптический сигнал частота гетеродинный

2. Гетеродинный приём оптических сигналов

Рассмотрим простейшую схему гетеродинного метода приема (см. рис. 1), где оптическая система представлена в виде входного зрачка с пропусканием t, равным единице внутри зрачка и нулю вне его, причем - двумерный вектор, определяющий координаты в плоскости чувствительного слоя приемника. Пусть опорное колебание, создаваемое гетеродином, имеет вид плоской волны с амплитудой Е_г0, постоянной по всему входному зрачку, т.е.

Информационный сигнал в идеальном случае может быть также представлен в виде плоской однородной волны

На выходе приемника излучения ПИ сигнал

~(1)

Если амплитуда сигнала Е_г0, создаваемого гетеродином, заметно больше, чем амплитуда информационного сигнала Е_с0, и квадратичной составляющей E²_c0 в разложении (1) можно пренебречь, эффективное значение низкочастотной составляющей сигнала имеет вид

~(2)

где Dw=w_с - w_г. (Близкое к этому выражение для суммы двух гармонических колебаний было получено ранее - см. § 9.2).

Второе слагаемое правой части (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 E_c(t) и E_г(t) 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, можно записать, что

Эффективное значение выходного сигнала при сделанных допущениях

(3)

Формула (3) может быть использована для оценки возможности или целесообразности использования гетеродинного метода приема в случаях, когда функции t и j_c 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 d, различаются на угол y = j_c - j_г, переменный выходной сигнал:

~.

Здесь с₀ - скорость распространения излучения.

Зависимость и от угла y накладывает весьма жесткие требовании на конструкцию и юстировку гетеродинной системы. Так, при 10%-ном допуске на изменение сигнала, обусловленное разностью фаз, значение w_cd siny/(2c₀) должно быть менее 0,8 рад. Отсюда вытекает требование: yЈl/(4d).

Из (1) следует, что для увеличения выходного сигнала необходимо увеличивать мощность гетеродина. Но при наличии в спектре гетеродина побочных гармоник (кроме основной с частотой w_г) возникают биения между этими 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 эти биения весьма незначительны.

Дисперсия шума, обусловленного паразитными биениями, определяется как сумма мощностей отдельных гармоник, т.е. .

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 приёмника и вызванные действием побочных гармоник гетеродина, например дробовый шум. Основное преимущество гетеродинного приема, заключающееся в возможности получить большее отношение сигнал-шум, чем при прямом приеме, проявляется лишь при достаточно хороших монохроматичности гетеродина и стабильности его параметров.

Отношение сигнал-шум в случае гетеродинного приема можно представить как отношение мощности сигнала Р_с на выходе фильтра низких частот, выделяющего разностную частоту, к мощности шума Р_ш в той же полосе частот. В соответствии с (2) в случае идеальной синфазности информационного и опорного сигналов мощность сигнала на выходе электронного тракта (на выходе фильтра низких частот) в полосе частот Df=Dw/2p пропорциональна (Е_с0Е_г0)² или F_сF_г, где F_с и F_г - 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 гетеродином.

В то же время мощность шума также пропорциональна уровням информационного и опорного сигналов. Так, если основными составляющими шума являются дробовый и тепловой шумы приёмника (см. § 6.2), то дисперсия шума может быть определена как

где s_i - токовая чувствительность приемника; - среднее значение потока от фона, поступающего на приемник; i_т - темновой ток приемника, а остальные обозначения те же, что в исходных формулах (см. § 6.2).

Поскольку в формулу для отношения сигнал-шум _p=Р_с /Р_ш, где Р_ш , поток F_г, создаваемый гетеродином, будет входить как в числитель, так и в знаменатель, то даже в идеализированном случае синфазных колебаний и при отсутствии паразитных биений получить значительное увеличение _p за счет роста мощности гетеродина F_г не удается.

Для обеспечения надежной фильтрации разностной частоты w_с-w_г 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 w_с=w_г. Опорный гетеродин управляется сигналом, получаемым с выхода приемника излучения и обеспечивающим синхронизм колебаний. При активном методе работы ОЭП опорным сигналом может служить часть потока, посылаемого к наблюдаемому объекту, 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 F_г над информационным F_с 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.

В качестве приемников в гетеродинных системах используются малоинерционные фотоумножители и фотодиоды, фотоприемники СВЧ-диапазона и некоторые другие [9, 12, 21].

Реально достигнутые пороги чувствительности для гетеродинных фотоприёмников составляют 10^-19 Вт·Гц^-1 (энергия кванта около 10^-20 Дж). Принципиально возможно регистрировать один-два кванта в единичной полосе частот при квантовой эффективности, равной единице.

Качество гетеродинного приема ухудшается также при нарушении пространственной когерентности излучения, вызываемом как несовершенством излучателей, так и влиянием среды, через которую проходит сигнал. Это можно наблюдать, например, при прохождении сигнала от лазера через турбулентную атмосферу. В этом случае отношение сигнал-шум 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 l=0,63 мкм. Если представить входной зрачок квадратным с размером стороны а, то оптимальным значением а, сверх которого нет смысла увеличивать этот размер, является

где M₁ =0,48; С_n² - структурная постоянная (см. §4.4); k=2p/l волновое число; L - длина трассы; ч_m»5,9l₀^-1; l₀ - внутренний масштаб турбулентности (для горизонтальной приземной трассы l₀ » 1мм). При разнесении опорного и сигнального пучков отношение сигнал-шум заметно уменьшается с ростом С_n².

3. Динамический метод приёма (метод счёта одноэлектронных импульсов)

По мере снижения уровня шумов или при уменьшении длительности полезного сигнала может заметно проявляться дискретная природа помех, например радиационного шума приёмника. Поэтому наряду с методами приема и преобразования оптического сигнала в электрический, при которых регистрируется среднее значение выходного тока или напряжения и которые называются статическими, на практике используется динамический метод (режим) работы, когда регистрируются отдельные импульсы тока или напряжения. Иногда этот метод называют методом счета одноэлектронных импульсов.

При динамическом методе сигнал на выходе приемника характеризуется скоростью счета импульсов, возникающих при попадании на фоточувствительный слой отдельных квантов излучения. Среднее число фотоэлектронов, возникающих в цепи приемника при попадании на него потока излучения F,

=зФ/hн (4)

где h - квантовая эффективность фотоприемника; n - оптическая частота излучения; h - постоянная Планка.

Если в качестве приемника используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), то каждый отдельный фотоэлектрон вызывает на аноде лавину электронов, число которых определяется коэффициентом усиления ФЭУ и которые заряжают его распределенную выходную емкость С (обычно С = 4... 20 пФ). Если С успевает разрядиться через нагрузку R до прихода следующей лавины электронов, то регистрируются неперекрывающиеся одноэлектронные импульсы, соответствующие приходу на фотокатод отдельных квантов излучения. Устанавливая определенный уровень срабатывания следующей за приемником электронной схемы, можно подавить значительную часть шумовых импульсов, возникающих вне фотокатода.

Число регистрируемых в единицу времени квантов (скорость счета квантов) 1/n =n^-1 задается неравенством n^-1?RC. При n^-1<RC импульсы перекрываются и на выходе регистрируется интегральный фототок, т.е. приемник работает в «токовом» режиме (прямой метод приема).

Если достигнуто разрешение всех импульсов во времени, то вероятность появления п импульсов в единицу времени описывается законом Пуассона (число п флуктуирует около ):

При этом отношение сигнал-шум

где t_c - время измерения (длительность сигнала); - среднее число фотоэлектронов, возникающих вследствие внутренних шумов и воздействия внешнего фона на приемник.

Если для срабатывания ОЭП необходимо, чтобы число электронов n_с превысило некоторый порог n_п, то вероятность срабатывания определяется как

Из последнего выражения можно получить число , соответствующее заданной по техническим условиям вероятности . Подставив в формулу (4), можно найти значение потока, соответствующее заданной вероятности, и вести дальнейший энергетический расчет по обычной методике.

Достоинством этого метода является то, что при счете импульсов используется вся энергия сигналов, в то время как при прямом и гетеродинном методах, осуществляемых с модуляцией сигнала, часть его энергии теряется. Дискретная регистрация каждого импульса позволяет исключить влияние шума, обусловленного умножительной системой фотоприемника.

Однако при увеличении уровня полезного сигнала эффективность метода счета уменьшается вследствие увеличения вероятности наложения одного импульса на другой, что может произойти, если при длительности импульса t_c наблюдается соотношение t_c> 1. По этой причине метод счета используется для приема слабых оптических сигналов.

Перспективным направлением применения метода счета импульсов является оптическая локация, где интервал времени регистрации, в течение которого может появиться группа пришедших от излучателя (отражателя) фотонов, мал по сравнению со средним интервалом времени между двумя одноэлектронными импульсами фона.

Очевидно, что уменьшить вероятность наложения импульсов друг на друга можно путем применения весьма малоинерционного приемника. Обычно для счета импульсов используют ФЭУ, что в режиме счета теоретически позволяет существенно снизить порог чувствительности. Однако реальные свойства фотоумножителей заметно ухудшают ожидаемый теоретический выигрыш, а иногда приводят и к проигрышу в чувствительности. Это объясняется тем, что не все ФЭУ обеспечивают достаточно большое усиление, необходимое для того, чтобы все одноэлектронные импульсы превышали уровень шумов. Для распространённых катодов типа С1, С11 и С20 число темновых отсчетов, вызванных термоэмиссией при 25°С и ограничивающих порог разрешения, составляет соответственно 10⁵…10⁶, 10²…10³, 10¹…10² импульсов в секунду с 1 см² площади фотокатода. Повышение усиления за счет увеличения нагрузки приводит к росту постоянной времени цепи приемника, что ухудшает временноме разрешение импульсов. Повысить чувствительность ФЭУ, увеличивая питающее напряжение, также обычно не удается, так как при этом возрастает уровень шумов схемы.

Другими причинами, ограничивающими временноме разрешение счетчика, являются флуктуации времени пролета электронов, крутизны фронта и формы импульсов. Разброс времени пролета в ФЭУ со скрещенными полями и в микроканальных ФЭУ составляет десятки пикосекунд.

Литература

1.Бэттвейлер Т. Оптимальные модуляционные характеристики инфракрасных систем при AM и ЧМ // Зарубежная радиоэлектроника, 1962. №4. С. 76 - 82.

2.Воронкова Е. М., Гречушников Б. Н., Дистлер С. А. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965. 335с.

3.Высокоточные угловые измерения / Д. А. Аникст, К. М. Константинович, И. В. Меськин и др.; Под ред. Ю. Г. Якушенкова. М.: 1987. 480с.

4.Вычислительная оптика: Справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др.; Под общ. ред. М.М. Русинова. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. 423с.

5.Данилов Е. П., Луцив В.Р. Нейронные сети: современное состояние и перспективы // Оптико-механическая промышленность. 1991, №4. С.20- 33.

Размещено на Allbest.ru