Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 48 )

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 tc – 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 nс превысило некоторый порог nп, то вероятность срабатывания определяется как

Из последнего выражения можно получить число , соответствующее заданной по техническим условиям вероятности . Подставив в формулу (9.4), можно найти значение потока, соответствующее заданной вероятности, и вести дальнейший энергетический расчет по обычной методике (см. гл.12).

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 tc наблюдается соотношение tc> 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 фотокатодов 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 временно́е разрешение импульсов. Повысить чувствительность ФЭУ, увеличивая питающее напряжение, также обычно не удается, так как при этом возрастает уровень шумов схемы.

Другими причинами, ограничивающими временно́е 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.

Контрольные вопросы

1. При каких видах демодуляции можно осуществить гетеродинный метод приема?

2. В каких звеньях ОЭП можно реализовать гетеродинирование?

3. Перечислите основные условия осуществления гетеродинного метода приема.

4. Что нужно сделать, чтобы обеспечить гомодинный прием?

5. Где в практике ОЭП используется гомодинный прием?

6. Что ограничивает чувствительность и максимальное значение отношения сигнал-шум при гетеродинном методе приема? Как оценить количественно эти ограничения?

7. Каковы достоинства и недостатки основных методов приема сигналов, применяемых в ОЭП (прямого, гетеродинного, динамического)?

Глава 10. ОБОБЩЕННЫЕ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

10.1. Структурная схема оптико-электронной измерительной и следящей системы

Очень часто работу ОЭП, в том числе и измерительного ОЭП, можно рассматривать как работу следящей системы. Достаточно общую структурную схему ОЭП в этих случаях можно представить в виде совокупности трех основных узлов (рис. 10.1):системы первичной обработки информации (СПОИ), системы вторичной обработки информации (СВОИ), цепи обратной связи (ЦОС).

В СПОИ обычно формируется сигнал, определенным функциональным образом связанный со значением входного сигнала, несущего информацию о наблюдаемом или отслеживаемом объекте и в известной мере освобожденного от отдельных помех и погрешностей. В большинстве ОЭП СПОИ, состоящая из оптической приемной системы, анализатора изображений, фотоприемного устройства (ФПУ) и имеющая частотную характеристику K1(jw), образует выходной сигнал, среднее значение которого связано монотонной (необязательно линейной) зависимостью со значением измеряемого или отслеживаемого входного сигнала aвх.

Рис. 10.1. Структурная схема оптико-электронной следящей системы

Система вторичной обработки информации, характеризуемая частотной характеристикой K2(jw), реализует дальнейшую обработку и фильтрацию сигнала. Обычно она служит для получения сигнала на выходе всего ОЭП aвых.

Цепь обратной связи с частотной характеристикой K3(jw) осуществляет компенсациювходного сигнала, т. е. обеспечивает компенсационный (нулевой) режим измерения или слежения, при котором достигаются бо́льшие точность и быстродействие прибора. В случае неавтоматического ОЭП функцию ЦОС часто выполняет человек – оператор или наблюдатель.

Шумы и помехи, существующие в такой системе, можно разделить на внешние со спектральной плотностью Fш(w) и внутренние (их удобно привести к выходу СПОИ) со спектральной плотностью uш(w).

На первом этапе рассмотрения данной структурной схемы примем, что все ее звенья описываются частотными характеристиками, аргумент которых (частота w) является временно́й частотой. Иными словами, подразумевается, что осуществлен переход к единой временно́-частотной форме представления как частотных характеристик, так и спектральных плотностей помех.

Если принять, что система является линейной и имеет постоянные параметры, то ее частотная характеристика определяется выражением [13,22]

Дисперсия ошибки слежения или измерения aвых, приведенной к выходу, будет

Пользуясь (10.1), можно проанализировать степень влияния на величину sa2 внешних и внутренних помех. Так, если ошибка определяется только внутренними шумами системы, то при вычислении sa2 первым слагаемым правой части (10.1) можно пренебречь.

Так как обычно в ОЭП или оптико-электронной следящей системе K1(j w)K2(j w)K3(j w)>>1, то (10.1) можно переписать так:

Часто в реальных системах характеристики K1(j w) и K3(j w) слабо зависят от частоты в рабочем диапазоне частотных характеристик, поэтому справедлива запись K1(j w)K3(j w)=K1K3. Тогда (10.2) можно видоизменить:

или

(10.4)

где и – дисперсии внутренних и внешних помех соответственно.

Из простейшего анализа (10.3) и (10.4) видно большое влияние на точность всего прибора параметров СПОИ. Действительно, даже при отсутствии внешних помех в (10.4) сохраняется второе слагаемое ее правой части, куда входит K1.