Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 46 )

Подобного рода модуляторы могут работать не только на отражение, но и на просвет. Стирание информации часто проводится путем равномерного и достаточно интенсивного облучения ПВМ при закороченных электродах.

Рис. 8.9. Схемы ПВМ:

а – с оптическим управлением; б – с электронным управлением

Обобщенная схема электрически управляемого динамического транспаранта представлена на рис. 8.9, б. Входящее излучение s1 поступает на мишень 5, прозрачность которой изменяется путем подачи на нее управляющего сигнала s2 в виде пучка электронов. Выходящее излучение s3 оказывается промодулированным по сечению пучка и во времени.

На практике находят применение довольно разнообразные по физическому принципу работы, конструктивным особенностям и областям применения ПВМ. В табл. 8.1 приведены параметры уже существующих или разрабатываемых динамических транспарантов.

Таблица 8.1

Параметры некоторых динамических транспарантов

Достоинством электрически управляемых транспарантов является возможность использовать излучения различных длин волн и получения на этой основе цветных изображений. Очень перспективны системы, сочетающие электрически управляемые транспаранты с голографическими пространственными фильтрами.

Помимо ПВМ с непрерывной (аналоговой) структурой входного зрачка (апертуры) в последнее время появились управляемые цифровые транспаранты, состоящие из дискретных фотоприемников, элементов транзисторного (матричного) управления, общего для всех ячеек ПВМ электрооптического слоя. Такие ПВМ могут обладать большим быстродействием (тактовая частота 1...10 МГц), высоким пространственным разрешением (число ячеек 103...104) и чувствительностью (10-13...10-14 Дж/элемент). Они могут быть построены на базе сегнетоэлектриков, не обладающих гистерезисом и поэтому работающих при температурах выше точки Кюри.

Важным параметром динамических транспарантов является время хранения записи (память). При достаточно большой емкости памяти становится возможным пространственное интегрирование (накопление) изображений, т. е., например, осреднение последовательно получаемых изображений в целях устранения некоррелированного шума и увеличения отношения сигнал-шум.

Меняя на противоположное состояние поляризации модулирующего слоя оптически управляемого динамического транспаранта, можно осуществить так называемое оптическое вычитание изображения. Например, при изменении знака распределения напряжений на противоположный по площади транспаранта при переходе от одного кадра (изображения) к следующему получается сигнал, отражающий лишь изменения, произошедшие за время такого перехода. Слегка расфокусировав изображение во втором по времени прихода кадре, после вычитания (алгебраического сложения) можно выделить лишь контуры изображения, устранив или заметно ослабив контраст участков с одинаковой или близкой освещённостью. Устранение постоянного фона в изображении очень важно для ряда практических приложений. Однако следует помнить, что в большинстве случаев такие преобразования возможны лишь при работе с когерентным излучением.

Контрольные вопросы

1. Как рассчитать относительное значение энергии модулированного сигнала, переносимой на какой-либо гармонике его спектра?

2. Перечислите основные особенности спектров сигнала при амплитудной, частотной, импульсной его модуляции.

3. Каковы достоинства и недостатки синхронного детектирования?

4. Почему, несмотря на большие потери мощности полезного сигнала, имеющие место при модуляции, последняя широко используется в ОЭП?

5. Дайте сравнительную характеристику способам модуляции, осуществляемой путем питания источника переменным током и путем прерывания потока на его пути от источника к приемнику.

6. Перечислите достоинства и недостатки растровых механических модуляторов; то же для модуляторов, основанных на электрооптических эффектах.

7. Какие основные требования предъявляют к пространственно-временны́м модуляторам потока излучения?

Часть II

ОСНОВЫ МЕТОДЫ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

Глава 9. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРИЕМА ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

9.1. 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 Eс(t), содержащего информацию о наблюдаемом объекте, сопровождающийся сложением этого колебания со вспомогательным синусоидальным колебанием Eг(t), создаваемым специальным генератором (гетеродином), называется гетеродинированием.

Структурная схема гетеродинного приемника приведена на рис. 9.1.

Рис.9.1. Структурная схема гетеродинного приемника:

З – полупрозрачное зеркало; Вх. зр – входной зрачок (входная апертура);

ПИ – приемник излучения; У – усилитель; ФНЧ – фильтр низких частот;

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 wс и вспомогательного wг сигналов одинаковы, а фазы совпадают, прием сигнала часто называют гомодинным., что при детектировании таких колебаний (синхронном детектировании) выходной сигнал максимален при равенстве фаз информационного и вспомогательного сигналов.

Если наряду с основной гармоникой wг 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. 9.2. 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 (wс-wг). Сигнал uб. д (t) на выходе всей системы (балансного детектора) пропорционален разности (Ec+ Eг)2-k б(Eс-E г)2, где значение постоянной kб выбирается близким к единице.

Рис.9.2. 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 uб. д можно убедиться, что шумы гетеродина на выходе уменьшаются в 2/(1-kб) раз. При равенстве частот wс и wг отношение сигнал-шум на выходе может в 2 раза превышать это же отношение при несинхронном балансном детектировании.

9.2. Гетеродинный приём оптических сигналов

Рассмотрим простейшую схему гетеродинного метода приема (см. рис. 9.1), 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 Ег0, 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

~ (9.1)