Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 44 )

Гораздо более перспективной является модуляция излучения полупроводниковых рекомбинационных излучателей. Для некоторых серийно выпускаемых светодиодов граничная частота, при которой обеспечивается глубина модуляции в 50%, составляет 1...1,5 ГГц. Мощность питания при этом не превышает 1 Вт.

Значительное повышение частот модуляции при большой ее глубине удается получить при использовании лазеров. Модуляцию излучения лазера можно осуществить различными способами, например, изменяя мощность накачки или помещая амплитудный модулятор (электрооптический затвор) внутрь резонатора лазера, т. е. управляя его добротностью, что приводит к амплитудной модуляции излучения. Внутрирезонаторная модуляция реализуется и другими способами [7, 9, 15].

Внесение дополнительных элементов в лазеры усложняет их конструкцию, увеличивает потери излучения. Кроме того, при работе газоразрядных ламп и лазеров в импульсном режиме мощность, переносимая на частоте модуляции, невелика, поскольку длительность импульсов составляет очень малую долю периода их повторения. Следует отметить также нелинейную в общем случае зависимость между напряжением питания источника и амплитудой потока излучения, что иногда создает дополнительные трудности.

Широко используются модуляторы, изменяющие параметры потока на пути от источника к приемнику. К их числу относятся хорошо известные механические модуляторы, основанные на периодическом прерывании потока растром или диафрагмой определенной формы. Такими растрами или диафрагмами являются диски или цилиндры с прорезями, заслонки, помещаемые на валы электро - и пневмодвигателей, на подвижные контакты реле и т. д. При их использовании получают частоты модуляции порядка сотен килогерц; это иногда сопряжено с трудностями, связанными, например, с необходимостью иметь двигатель с очень большой частотой вращения и высококачественную оптическую систему, формирующую пучок малого сечения в плоскости растра модулятора. Кроме того, трудно обеспечить стабильность высоких частот модуляции. Другими недостатками механических модуляторов являются сравнительно небольшой срок службы двигателей, реле и прочих электромеханических их элементов, значительные габаритные размеры и масса.

Несмотря на это такие модуляторы получили широкое распространение благодаря своим достоинствам: конструктивной простоте, отсутствию искажений оптического спектра, возможности изменения или регулировки ряда параметров (например, изменением формы и размеров прозрачных и непрозрачных участков можно менять вид модуляции и частоту модулируемых импульсов).

Растровые модуляторы, располагаемые в плоскости изображений приемной оптической системы, часто одновременно выполняют функции пространственного фильтра и анализатора изображений, а это сказывается на выборе их конструктивных параметров, в первую очередь, рисунка растра.

Гораздо более высокие частоты модуляции можно получить с помощью модуляторов, основанных на электрооптических эффектах Керра и Поккельса, магнитооптическом эффекте Фарадея, акустооптическом эффекте и других физических явлениях. Некоторые из них, нашедшие широкое практическое применение в ОЭП, будут рассмотрены ниже (см. § 8.6).

8.5. Модуляторы оптических сигналов, применяемые в оптико-электронных приборах

Механическая модуляция оптических сигналов с помощью растров очень широко применяется в практике ОЭП. При этом сравнительно просто осуществляются наиболее распространенные виды модуляции (AM, ЧМ и фазоимпульсная). Схемы такой модуляции можно разделить на две группы: 1) с перемещением растра относительно неподвижного изображения; 2) с неподвижным растром-модулятором, относительно которого перемещается изображение или световой пучок.

Характерным примером схем первой группы может служить простейший модулятор – вращающийся полудиск, описанный в § 6.4 (см. рис. 6.4). Модулятор создает амплитудно-модулированный сигнал.

Примером схем второй группы является система с коническим круговым сканированием, также описанная в § 6.4 (см. рис. 6.6). В этой системе глубина модуляции достигает 100%, если смещение изображения с оптической оси превышает размер изображения. При увеличении этого смещения скважность импульсов, образующихся на выходе кругового растра, увеличивается, что является недостатком схемы, так как для сохранения мощности сигнала приходится увеличивать ширину полосы пропускания электронного тракта. Достоинство схемы в том, что при одинаковых размерах чувствительной площадки приемника и мгновенного углового поля оптической системы значение «просматриваемого» поля (поля обзора) здесь в 2 раза больше, чем в схеме с полудисковым модулятором. Кроме того, в схемах второй группы меньше сказывается влияние протяженного излучающего фона, перекрывающего все угловое поле, и неравномерности чувствительности по площадке приемника.

Модуляционная характеристика системы с коническим круговым сканированием – зависимость сигнала от рассогласования по оси y – показана на рис. 6.6,г. И в случае вращающегося полудиска (см. рис. 6.4), и в схеме с круговым переносом изображения относительно неподвижной полевой диафрагмы (см. рис. 6.6,а) 100%-ная глубина модуляции имеет место и для малоразмерных изображений объектов, и для сравнительно крупноразмерных изучающих помех, изображения которых не перекрывают полностью прозрачную часть растра, причем основные гармоники полезного сигнала и сигнала помех совпадают. Спектры этих сигналов носят низкочастотный характер, поэтому фильтрация полезного сигнала путем выбора узкой полосы пропускания электронного тракта в таких системах («одночастотных», или системах с однократной амплитудной модуляцией) практически неэффективна.

Из-за ограниченной скорости механического перемещения растра или сканирующего устройства в системах такого рода трудно получить требуемую (иногда значительную) частоту модуляции. Для увеличения частоты можно применить многопериодную структуру растра модулятора, которая одновременно служит и для решения задачи фильтрации крупноразмерных помех.

Поскольку электронные звенья, как правило, настраивают на какую-то узкую полосу частот, желательно, чтобы вся энергия сигнала была сосредоточена в этой полосе. При однократной непрерывной амплитудной модуляции через эту полосу пропускается лишь первая гармоника сигнала. Количество энергии, приходящейся на первую гармонику, зависит от соотношений между размерами прозрачной и непрозрачной частей растра модулятора, а также от соотношения между периодом растра и размером изображения источника в плоскости модуляции. Близким к оптимальному случаю с энергетической точки зрения является такая конструкция растра, когда ширина прозрачной части его периода равна ширине непрозрачной части и заметно превышает диаметр сечения пучка.

По указанным причинам, а также с учетом требований оптимальной пространственной фильтрации в системах механической модуляции часто используются радиально-секторные растры (рис. 8.8, а-в), применяемые вместо растра, представленного на рис. 6.4, или близкие к шахматной структуре растры (рис. 8.8, г) вместо простой круглой диафрагмы (см. рис. 6.6). Аналогичные растры используются и в поступательно перемещающихся растрах-модуляторах (вибромодуляторы, ленточные и т. п.). Размеры ячеек этих растров обычно выбирают примерно равными размеру сечения модулируемого пучка.

Рис. 8.8. Растры: а - в – радиально-секторные; г – с шахматной структурой

Для ослабления влияния крупноразмерных излучателей, занимающих большую часть поля, вторая половина растров, представленных на рис. 8.8, а-в, выполняется такой, чтобы ее пропускание составляло 0,5, т. е. было равно суммарному пропусканию пространственного фильтра – верхней половины растра. Это достигается, например, нанесением концентрических окружностей, которые при вращении растра не модулируют сигнал.

Растр такого вида называется уравновешенным или сбалансированным в энергетическом отношении. Уравновешенный растр позволяет предотвратить возникновение ложных сигналов с частотой вращения растра w0 в том случае, когда имеется неоднородность чувствительного слоя приемника, помещаемого сразу же за растром. Если на приемник поступает излучение от равномерного фона, то при наличии на его фотослое зон с различной чувствительностью при вращении неуравновешенного растра, например полудиска (см. рис. 6.4), возникает паразитный сигнал. При энергетической сбалансированности растра, когда его пропускание в среднем по полю одинаково, этот сигнал практически отсутствует.

С помощью растров-пространственных фильтров, представленных на рис. 8.8 и им аналогичных, обеспечивается двукратная амплитудная модуляция с несущей частотой wн. При этом сигнал несущей частоты используется для получения информации о значении освещенности на входе ОЭП, которая необходима для создания системы автоматического регулирования чувствительности (АРЧ) или усиления (АРУ). Система АРЧ или АРУ позволяет исключить или ослабить влияние изменения освещенности входного зрачка ОЭП на амплитуду управляющего сигнала (с частотой, несущей информацию о наблюдаемом источнике).

Отметим некоторые особенности систем с вращающимися растрами (см. рис. 6.4 и 8.8, а-в) и систем с неподвижными растрами (см. рис. 6.6 и 8.8, г), по которым сканирует изображение излучателя.

В системах с вращающимися растрами максимальная глубина модуляции сигнала несущей частоты (100%) обеспечивается лишь для тех зон, где размер изображения меньше полупериода (прозрачной части) растра. Если центр растра расположен на оптической оси системы, то при малых углах рассогласования, когда изображение излучателя приближается к центру растра, глубина модуляции заметно уменьшается, а около центра она близка к нулю. Поэтому модуляционная характеристика такого растра (зависимость амплитуды сигнала с частотой w0 от угла рассогласования) имеет в центре зону нечувствительности. По этой же причине во многих ОЭП с вращающимися растрами изменение глубины модуляции не используется как источник информации о положении излучателя, т. е. модуляционная характеристика является релейной. АРУ в таких ОЭП служит только для устранения нежелательных нелинейных явлений в электронном тракте (например, насыщения), но не для поддержания строгого постоянства амплитуды сигнала на несущей частоте.