§ 16.3. Приемные устройства

оптических сигналов

с пространственной модуляцией

Как отмечалось, в оптическом диапазоне размеры приемного телескопа на много порядков превышают длину волны принимаемого излучения. Это позволяет извлекать из принимаемого сигнала пространственную модуляцию и формировать двумерные образы объектов ^; их оптическое изображение. Простейшим оптическим приемником пространственных сигналов является фотоаппарат. .Другим, хорошо известным устройством воспроизведения пространственных сигналов является телевизионный приемник. Однако необходимо ном-нить, что он принимает сигналы с временной модуляцией, в которой закодировано пространственное распределение интенсивности света на фото-

чувствительной поверхности передающей телевизионной трубки, например видикона. Простейшую телевизионную систему, входом которой является передающая телевизионная камера, а выходом — экран телевизора, можно рассматривать как оптическое приемное устройство пространственных сигналов. В настоящее время применение таких оптических приемников в различных областях науки и техники чрезвычайно многообразно (системы связи и локации, робототехника, медицина, геофизика и т. д.).

В последние годы особый интерес проявляется к твердотельным приемникам пространственных сигналов, что связано с рядом ценных свойств, которыми они обладают. Основным элементом этих приемников являются твердотельные матрицы фотодетекторов, которые можно сканировать по горизонтали и вертикали, как показано на рис. 16.9. Тем самым осуществляется поэлементный анализ пространственного распределения интенсивности принимаемого сигнала. Поскольку время опроса t„ одной фоточувствительной ячейки много меньше длительности кадра г„, в элементах матрицы можно использовать режим накопления заряда (полезного сигнала) для повышения чувствительности приемного устройства [20].

Дискретный характер фотоприемной матрицы накладывает определенные ограничения на качество воспро-

изведения высоких пространственных частот. Для количественной оценки способности воспроизведения спектра этих частот вводят понятие частотно-контрастной характеристики (ЧКХ), которая определяется как реакция системы на входной сигнал определенной пространственной частоты, нормализованная относительно реакции на сигнал с нулевой пространственной частотой. В соответствии с теоремой отсчетов наивысшая пространственная частота определяется выражением fs_Kp = = 1/(2 L_я), где L„ — расстояние между центрами соседних фотодетекторов.

Если пространственное распределение фоточувствительности матрицы характеризуется соотношениями

(16.16)

5 (L) = 0 при всех других L,

где L„ — координата центра фотодетектора; AL — размер фоточувствительной площадки детектора, то, применяя к (16.16) преобразование Фурье

получим выражение для частотно-контрастной характеристики:

Твердотельные фоточувствительные матрицы в зависимости от способов преобразования оптического сигнала в электрический заряд и его съема подразделяются на различные типы. Широкое практическое применение получили фотодиодные матрицы с управлением на МОП-транзисторах и фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Матрицы первого типа обычно имеют небольшой формат (16x16 или 32 х32элемента) и используются в си-

стемах, где не предъявляются высокие требования к пространственному разрешению сигналов, например при пеленгации объектов или определении их ориентации в пространстве по силуэту.

ПЗС за счет достаточно простой технологии их изготовления, позволяющей сформировать большие массивы идентичных по фоточувствительности ячеек (500 x 500 элементов и более), широко используются в системах, требующих высокого пространственного разрешения, таких, как телевидение. Они представляют собой двумерную (или одномерную) матрицу близко расположенных МОП-ячеек, между которыми возникает электрическая связь.

Важное преимущество твердотельных приемников на ПЗС — способность работы при низких уровнях освещенности. Отношение сигнал/ шум по напряжению qu в видеоканале можно рассчитать как отношение заряда, образованного падающим на элемент потоком фотонов, к эквивалентному шумовому заряду, обусловленному флуктуационными процессами приема и усиления сигнала изображения:

где Ф — плотность мощности принимаемого излучения, Вт/м², q% — сред-неквадратическое значение шумового заряда, обусловленного флуктуация-ми числа принимаемых фотонов; <7ж — эквивалентный шумовой заряд, зависящий от типа ПЗС и схемы обработки.

Очевидно, требуемое отношение сигнал/шум в видеоканале зависит от конкретного назначения соответствующей системы. Так, например, в системах телевизионного вещания значение qu для качественного воспроизведения изображения должно составлять 10 ³ и выше. Современные твердотельные приемники пространственных сигналов на ПЗС позволяют обеспечить указанные условия рабо-

ты даже при сумеречном освещении объектов.

Для повышения чувствительности приемных устройств оптических систем извлечения некоординатной информации, работающих в условиях действия значительных атмосферных

■

помех, используют методы пред текторной (до фотодетектора) обраб ки принимаемых полей. Наибольц эффект дают методы коррекции в* новых фронтов с помощью адаптивь оптики, методы голографии и инт ферометрии.