Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 43 )

При использовании низкочастотного фильтра с полосой пропускания, значительно меньшей частот w1 и w2, можно выделить сигнал

Если w1 – частота полезного (информативного) сигнала, a w2 – частота сигнала вспомогательного опорного генератора-гетеродина, то при их синхронности (т. е. при w1=w2) и синфазности выходной сигнал линейно связан с входным. При сдвиге фаз на Dj между входным сигналом и опорным выходной сигнал пропорционален cosDj. Этот случай демодуляции с использованием синхронного опорного сигнала называется синхронным детектированием.

На рис. 8.6 представлена простейшая функциональная схема ОЭП с синхронным детектированием. Синхронность входного сигнала Fс и опорного Fоп, создаваемого источником опорного сигнала (ИОС), достигается за счет использования одного и того же модулятора, вращающегося с частотой w. Соответствующие Fс и Fоп электрические сигналы Uc и Uon, образующиеся на выходах приемников излучения (ПИ), после усиления перемножаются и фильтруются фильтром низких частот ФНЧ. Выходной сигнал Uвых изменяется во времени по закону Uc(t), а его амплитуда пропорциональна косинусу фазового сдвига Uc относительно Uоп, т. е. cosDj, где Dj – разность начальных фаз jс и jоп колебаний Uс и Uоп.

Рис. 8.6. Схема ОЭП с синхронным детектированием

Достоинством синхронного детектирования является чувствительность к изменению разности фаз между входным и опорным сигналами, что при синфазности полезного входного и опорного сигналов позволяет увеличить помехозащищенность системы, так как помехи со случайной фазой в противоположность полезному сигналу детектируются неполностью. Синхронное детектирование часто используют, когда известна лишь амплитуда сигнала, а скорость обработки или передачи сигналов невысока.

При частотной демодуляции для устранения паразитной амплитудной модуляции в электронном тракте применяют амплитудные ограничители, а затем – частотный дискриминатор, создающий на своем выходе напряжение, мгновенное значение которого пропорционально входному мгновенному значению частоты. В качестве такого дискриминатора можно использовать избирательный усилитель с большой и желательно постоянной крутизной амплитудно-частотной характеристики в диапазоне изменения частоты модуляции.

В качестве примера фазового детектора, используемого в ряде ОЭП и создающего на своем выходе напряжение, пропорциональное сдвигу фаз между двумя сигналами, рассмотрим схему и диаграмму напряжений, показанные на рис. 8.7. Такую схему можно использовать как фазочувствительный детектор при определении направления на излучатель в случае полудискового анализатора изображений (см. рис. 6.4). Если между сигналом uм, соответствующим, например, сигналу от излучателя, и сигналом uоп от генератора опорного напряжения имеется сдвиг фаз j, то, как следует из диаграммы напряжений,

или, обозначая c=uм/uоп, находим

при c<<1

где kдт – коэффициент передачи интегрирующей цепочки детектора.

Рис. 8.7. Фазочувствительный детектор

Детектирование сигнала может осуществляться не только в выходных каскадах электронного тракта, т. е. после усиления и фильтрации электрического сигнала, но и при приеме оптического сигнала – в модуляторе или в фотоприемнике. Такое детектирование используют, например, в фазовых светодальномерах со сверхвысокочастотной модуляцией излучения.

8.3. Потери мощности сигнала при модуляции

В тех случаях, когда модуляция потока излучения реализуется путем периодического перекрытия (обтюрацией) пучка лучей или другим путем изменения прозрачности модулятора, всегда имеют место потери мощности оптического сигнала. Это необходимо учитывать при энергетических расчетах ОЭП, выборе вида модуляции и проведении ряда других расчетов.

Определим потери мощности сигнала – потока F0. Если при модуляции прерыванием по закону F(t) теряется часть энергии, то эти потери можно оценить с помощью коэффициента k1:

Числитель этого выражения определяет эффективное (среднее квадратическое) значение потока.

В зависимости от способа обработки сигнала, пропорционального k1F0, в электронной схеме используется та или иная его доля, которую условимся обозначать k2. Коэффициент k2 учитывает, например, тот факт, что в следующих за приемником звеньях ОЭП происходит изменение спектра этого сигнала с использованием лишь его части.

Произведение kм=k1k2 является коэффициентом, учитывающим потери при модуляции (к. п.д. модуляции), поскольку kм определяет долю полезной, используемой в приборе мощности по отношению к мощности немодулированного сигнала.

Рассмотрим простые, но часто встречающиеся на практике примеры.

Пусть в результате модуляции путем прерывания потока образуется непрерывная последовательность синусоидальных импульсов. В этом случае легко найти, что k1=0,5. То же значение имеет коэффициент k1 для последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения (отношение длительности импульса к периоду его повторения) g=0,5. Если в дальнейшей схеме спектр сигнала не изменяется, т. е. используется эффективное значение последовательности электрических импульсов, образующихся на выходе приемника, то в этом случае k2=0,707. Следовательно, при такой импульсной модуляции в образовании полезного сигнала участвует 35,4% (kм=k1k2=0,354) немодулированного потока.

Другой пример. В приборе осуществляется модуляция с помощью вращающегося растра, у которого одна половина (полудиск) непрозрачна и не модулирует сигнал, а вторая разделена на равные прозрачные и непрозрачные секторы. Если с некоторым, вполне допустимым для практики приближением считать, что в рассматриваемом случае происходит двукратная гармоническая амплитудная модуляция, описываемая функцией вида F(t)=(F0/2)(1+sinw0t)sinwнt, а в детекторе электронного тракта выделяются напряжения или токи частоты управления w0, на которой переносится полезная информация, то амплитуда сигнала этой частоты на выходе линейного детектора будет пропорциональна 2F0/p (см. § 8.1), а ее эффективное значение составит 0,707F0·2/p, т. е. в данном случае k2=0,707·2/p=0,45, а k1=0,25. Действительно, за время, составляющее в общей сложности 3/4 периода модуляции, кванты излучения не попадают на приемник, т. е. средняя за период мощность составляет 0,25F0. Таким образом, kм»0,115.

Для оценки эффективности модуляции следует сопоставить выигрыш в отношении сигнал-шум на выходе ОЭП с потерями энергии сигнала при модуляции, т. е. с коэффициентом kм. Коэффициент эффективности модуляции может быть определен как частное от деления отношения эффективных напряжений сигнал-шум после модуляции на отношение эффективных напряжений сигнал-шум для постоянного тока, существующее без прерывания излучения на несущей частоте.

8.4. Общая характеристика способов модуляции сигнала в оптико-электронных приборах

Характер модуляции сигналов в ОЭП зависит от свойств реальных модуляторов. Большинство оптических модуляторов управляет интенсивностью электромагнитного колебания оптической частоты, что отражается на выборе методов приема и обработки сигнала.

По способу модуляции оптического сигнала различают модуляцию, выполняемую непосредственно в источнике излучения (внутреннюю), и осуществляемую на пути сигнала от источника к приемнику (внешнюю). Кроме того, в некоторых ОЭП сигнал модулируется в электронном тракте. Выбор типа модулятора и способа модуляции зависит от требований к сигналу, поступающему в электронную систему, способу анализа изображений, а также к стабильности и сроку службы самого модулятора.

Для модуляторов, используемых во многих ОЭП, основными требованиями являются: высокое пропускание в рабочем спектральном оптическом диапазоне, высокая стабильность параметров и характеристик, особенно при изменениях питающего напряжения или тока, а также при изменении внешних условий (температуры окружающей среды, влажности, давления и т. п.), малые потери потока, максимальная глубина модуляции, широкий диапазон частот модуляции, а в ряде случаев и возможность плавной или дискретной перестройки частоты, небольшая потребляемая мощность, простота и надежность эксплуатации.

Можно указать на некоторые особенности модуляции, осуществляемой непосредственно в источнике излучения. Питая источник (лампу, светодиод, лазер) переменным током, можно изменять амплитуду потока излучения во времени. Очевидно, что для получения больших частот модуляции необходимо использовать малоинерционный источник. Поэтому на практике, как правило, этот способ модуляции при мощных некогерентных источниках не находит применения вследствие большой инерционности сравнительно большого тела накала таких источников либо большой инерционности блока питания. Глубина модуляции для них невелика, особенно с учетом ее уменьшения по мере роста частоты модуляции. Например, на частоте модуляции 100 Гц глубина модуляции даже у маломощных ламп накаливания не превышает 20% (коэффициент модуляции равен 0,2). Некоторые типы газоразрядных ламп позволяют достичь глубины модуляции в 60...70% для частот в несколько килогерц, но мощность их невелика, а условия эксплуатации порой сложны.