Глава 16

ПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

§ 16.1. Особенности приема сигналов в оптическом диапазоне

Развитие радиоэлектроники характеризуется освоением оптического диапазона частот (длины волн от 1 мм до 1 нм). По физическим свойствам излучения, способам его генерации и индикации оптический диапазон подразделяют на три поддиапазона: ультрафиолетовый (к — 0,01ч-4-0,4 мкм), видимый (к —- 0,4ч-4-0,76 мкм) и инфракрасный (/. р =0,76ч-100 мкм). Последние два поддиапазона в настоящее время наиболее освоены, поэтому в оптических информационных системах обычно используются указанные длины волн.

Так как длины волн оптического диапазона намного порядков меньше длин волн радиодиапазона, можно выявить ряд преимуществ оптических информационных систем по сравнению с радиосистемами: высокая скорость передачи информации или высокое временное разрешение; возможность получения остронаправленной передачи и приема при малых габаритах антенн (телескопов); измерение малых радиальных скоростей объектов за счет большого допле-ровского смещения оптических частот и др.

В оптическом диапазоне всегда выполняется условие к D, где D — диаметр (апертура) приемного телескопа. Это позволяет извлекать пространственную модуляцию приходящей волны и осуществлять визуализацию объектов. В соответствии с математическим описанием пространственно-временной структуры поля электромагнитной квазимонохроматической волны £_г(<\ г) = £ (г, г)х > ехр (jto₀t) оптическим сигналом называют комплексную огибающую £ (г, г) = Е„ (/, г) e'W-^г). Полезная информация содержится в закодированном виде в пространственной и

временной структуре принимаемой оптического поля. С точки зрения об работки оптического сигнала в при емном устройстве в большинстве слу чаев операции обработки составляю щей поля, зависящей только от вре мени Е (() и только от пространствен ных координат £ (г), разделяются не влияют друг на друга.

В информационных системах оп тического диапазона широко приме няется как временная модуляция когда полезная информация содер жится во временных зависимости Р (t), £ (/) и ф (/), так и пространа венная модуляция, когда информг ция заключена только в пространа венной структуре поля £ (г). Поэте му оптические приемные устройств можно подразделить на два больши класса — приемники оптических сш налов с временной и пространствек ной модуляцией.

Оптическое приемное устройств строят таким образом, чтобы при за данных параметрах оптического пол на входной апертуре на выходе при емника обеспечивалось требуемое от ношение сигнал/шум. Уровень шум на выходе определяется величино внешних и внутренних шумов прием ного устройства, которые зависят о способа преобразования оптическог сигнала в электрический и в обще! случае от шумов электронно-усили тельной части приемника.

В качестве носителя информаци в оптических системах чаще всего ис пользуется излучение оптически квантовых генераторов (ОКГ) в ву димом и ИК-диапазонах, таких, ка Не Ne (Я, 0,63 мкм, К = *= 1,15 мкм), рубинового (к =

0,69 мкм), Ga — As (к = 0,9 мкм; Ш₂ (к 10,6 мкм).

Применение указанных ОКГ об) словлено высокой когерентность] и мощностью излучения, а такж

достаточно высоким развитием техники приема таких длин волн.

В оптическом диапазоне используется большое разнообразие видов модуляции несущей. Наряду с традиционными видами аналоговой и импульсной модуляции в оптических информационных системах широко распространены такие виды модуляции, как пространственная, поляризационная, модуляция по интенсивности (ИМ), причем последняя модуляция и ее разновидности — импульсная модуляция по интенсивности (ИМИ), кодоимпульсная модуляция по интенсивности (КИМ — ИМ) — применяются наиболее часто. Это объясняется простотой ее осуществления и хорошими характеристиками (высокое быстродействие и линейность), а также тем, что оптические приемники часто строят по схеме прямого детектирования, в которых гок /, протекающий через детектор излучения, в соответствии с законом Столетова пропорционален мощности Р принимаемого излучения:

(16.1)

где п — квантовая эффективность детектора излучения; q_a — заряд электрона; h — постоянная Планка; f — частота принимаемого оптического излучения.

Произведение hf представляет собой энергию кванта принимаемого излучения и отражает корпускулярные свойства оптических волн. Конечная энергия кванта приводит к возникновению в оптических приемниках специфической составляющей внешних шумов — так называемого ■ квантового шума, который вызван принимаемым сигналом и является принципиально неустранимым.

Спектральная плотность мощности теплового и квантового шума определяется выражением

(16.2)

где * 1,38-Ю-'²³ Дж/град — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, К.

В радиодиапазоне выполняется условие hf<<^kT, G(f) = kT, т. е. спектральная плотность мощности шума обусловлена тепловыми шумами источника. С ростом частоты все более проявляются корпускулярные свойства излучения и при hf % kt выражение (16.2) переходит в равенство G (/) = ^л/. ^т- ^е- ^ШУ^М определяется только квантовыми эффектами и называется квантовым шумом.

Область частот, где квантовый шум является преобладающим, определяется очевидным неравенством / > • k'/'h, что в условиях комнатной температуры приводит к значениям / > 6 -10¹² Гц или к < 50 мкм. С учетом данного ранее определения оптического диапазона можно заключить, что квантовый шум присущ всем оптическим приемным устройствам, а его вклад тем существеннее, чем выше несущая частота. Другим важнейшим источником внешних шумов является фоновое излучение. Его мощность, воздействующая на оптическое приемное устройство

(16.3)

где b — спектральная яркость фона, Вт/(м² - ср • мкм); Q_lip — телесный угол поля зрения приемника, ср; АХ — оптическая полоса пропускания, мкм; S_np — площадь входной апертуры оптического приемника,-м².

Как следует из (16.3), величина Рф_ОП зависит от условий работы, параметров оптической системы приемника и может изменяться в широких пределах. Так, например, в видимом диапазоне прямое излучение Солнца характеризуется величиной b ----- 10⁷ Вт/(м²-ср-мкм), а фоновому излучению ясного неба соответствует b — - 10 Вт/(м²-ср-мкм).

Для надежного приема слабых сигналов стремятся уменьшать уровень фоновых засветок. Эффективным путем их ослабления является установка в оптическом тракте приемнн-

ка узкоиолосных интерференционных фильтров е ДА = 1 -f- 10 нм.

На приемные устройства оптических систем, использующих в качестве среды распространения атмосферу, воздействуют дополнительные помехи, связанные с рассеянием излучения, флуктуациями траектории луча ОКГ и ухудшением пространственной когерентности принимаемого оптического поля. Действие атмосферных помех может быть ослаблено применением адаптивной оптики, временного стробирования и т д.

Подобно радиодиапазону, в оптическом диапазоне существуют два основных метода приема сигналов — некогерентный и когерентный, в соответствии с которыми приемные устройства подразделяются на два класса — приемники прямого детектирования и гетеродинные приемники, обобщенные структурные схемы которых показаны на рис. 16.1, 16.2.

Анализ потенциальных возможностей приема оптического излучения показывает 19, 181, что в условиях действия только квантового шума теоретический предел их чувствительности составляет величину

где п = 1 и 2 для гетеродинных приемников и приемников прямого детектирования соответственно.

Таким образом, в отличие от радиодиапазона в оптическом диапазоне предельные чувствительности при когерентном и некогерентном методах приема теоретически оказывается соизмеримыми. На практике, однако, можно реализовать лишь чувствительность приемного устройства, в той или иной мере приближающуюся к теоретическому пределу. Это обусловлено наличием внешних и внутренних помех, связанных прежде всего с фоновым излучением, собственными шумами детектора и последующей схемы обработки принятых сигналов.

Интенсивное развитие теории и техники приема оптических сигналов диктуется практическими потреб-

ностями различных отраслей народного хозяйства в эффективных системах передачи, извлечения и обработки больших объемов информации. Из всего многообразия научно-технических проблем, стоящих перед разработчиками приемных устройств оптических информационных систем, можно отметить две наиболее актуальные:

1) создание высокочувствительных и широкополосных микроэлектронных приемных устройств оптического диапазона, обладающих высокой надежностью и экономичностью. Потребность в таких приемниках особенно велика в волоконно-оптических линиях передачи информации (ВОЛП), успешно используемых, например, в системах обмена данными вычислительных комплексов, кабельного телевидения и т. д.;

2) разработка приемных устройств оптических систем извлечения некоординатной информации, например о форме и структуре поверхности объектов, используемых в робототехнике, оптической локации и т. д. Возможность визуализации объектов объясняется тем, что в отраженном сигнале (см. § 2.2) содержится в закодированном виде информация о геометрии и отражающих свойствах поверхности объекта. Распределение оптического поля на входной апертуре приемного устройства от /-го участка поверхно-

Рис. 162

сти объекта определяется выражением [18]:

(16.4)

где г, Pj — радиусы-векторы точек, на приемной апертуре и поверхности объекта соответственно; R (г, р_г) — функция передачи свободного пространства.

Суммарное поле от всех «блестящих» точек поверхности будет описываться соотношением

(16.5)

Из (16.4) и (16.5) следует, что если объект находится в зоне дифракции Френеля относительно приемного телескопа, чему соответствует определенное значение функции R (г, р), то может быть сформировано изображение объекта. Эта задача решается приемным устройством на основе анализа пространственного распределения поля в фокусе приемного телескопа.