Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотрим простейшую схему гетеродинного метода приема (см. рис. 12.1), где оптическая система представлена в виде входного зрачка с пропусканием т(х), равным единице внутри зрачка и нулю вне его, причем x — 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.
Яг(') = Er0 ехр[;(юг* + фг)].
Информационный сигнал в идеальном случае может быть также представлен в виде плоской однородной волны
Ec{t) = Ec0 exp[;(cocf + cpc)].
На выходе приемника излучения ПИ сигнал
u(t)-[?c(t) + ?r(t)]2. (12.1)
Если амплитуда сигнала Ег0, создаваемого гетеродином, заметно больше, чем амплитуда информационного сигнала Ec0, и квадратичной составляющей E2c0 в разложении (12.1) можно пренебречь, эф-
ПМ2-1
?r(t)-?,ft)l\ I
з і ?е(і)+ЕгП) Еґ(і)
Рис.12.2. Структурная схема балансного метода приема
"f. Л
380 Глава 12. Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов
фективное значение низкочастотной составляющей сигнала имеет вид и(*) - E2r0 + Ec0 Er0 cos(Acof + Фс - Фг), (12.2)
где Дсо = юс- сог. (Близкое к этому выражение для суммы двух гармонических колебаний было получено ранее, см. § 9.2)
Второе слагаемое правой части (12.2) определяет мгновенное значение переменной низкочастотной составляющей сигнала на выходе приемника излучения.
Условием оптимального гетеродинного приема является строгая синфазность колебаний, приходящих на приемник. Для этого фронты EJt) и EJt) должны иметь постоянные фазы по всему чувствительному слою приемника.
В том случае, когда фаза и амплитуда информационного сигнала изменяются по входному зрачку системы или площадке приемника как функция x, можно записать, что
Ec (х, t) = Ec0 (х, f)exp {;[cocf + Фс (х) - Фг]}.
Эффективное значение выходного сигнала при сделанных допущениях
u(t)-E20+ET0 |?с0(х)т(х)соз[Дюі + фс(х)-фг]гіх. (12.3)
X
Формула (12.3) может быть использована для оценки возможности или целесообразности использования гетеродинного метода приема в случаях, когда функции т(х) и фс(х) меняются по сечению пучка лучей в плоскости приема, например, при прохождении информационного сигнала через случайно-неоднородную среду (турбулентную атмосферу).
В том случае, когда фронты информационного и опорного сигналов, падающих на приемник с размером чувствительной площадки d, различаются на угол \|/ = Фс- фг, переменный выходной сигнал
. (uKdsinw
sin —5-—
u(t)~ Ec0Er0COS(Avt)-^ --
Здесь C0 — скорость распространения излучения.
Зависимость и от угла \|/ накладывает весьма жесткие требовании на конструкцию и юстировку гетеродинной системы. Так, при 10%-ном допуске на изменение сигнала, обусловленное разностью фаз, значение соcd sin \)i/(2c0) должно быть менее 0,8 рад. Отсюда вытекает тре-
381 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
бование: \|/ < X/(4d).
Из (12.1) следует, что для увеличения выходного сигнала необходимо увеличивать мощность гетеродина. Но при наличии в спектре гетеродина побочных гармоник (кроме основной с частотой сог) возникают биения между этими гармониками и входным информационным сигналом, которые могут пройти через низкочастотный фильтр, установленный после детектора. Эти биения являются помехами, поэтому увеличение мощности гетеродина, создающего колебания нескольких частот, целесообразно лишь до некоторого предела.
Такие же биения возникают при взаимодействии гармоник опорного сигнала с шумовыми сигналами от окружающего фона.
Если эти шумовые сигналы некогерентны, т.е. их фазы случайны по отношению к фазе гетеродина, то биения весьма незначительны.
Дисперсия шума 6 , обусловленного паразитными биениями, определяется как сумма мощностей отдельных гармоник, т.е.
иш.б. - 2-і''
Остальные шумы при гетеродинном приеме те же, что и при прямом приеме, т.е. шумы приемника излучения, флуктуационные шумы полезного сигнала и фона, шумы электронного тракта. В отдельных случаях приходится учитывать некоторые шумы, возникающие в цепи приёмника и вызванные действием побочных гармоник гетеродина, например дробовый шум. Основные преимущества гетеродинного приема, заключающиеся в возможности получить большее отношение сигнал/шум, чем при прямом приеме, выявляются лишь при достаточно хороших монохроматичности гетеродина и стабильности его параметров.
Отношение сигнал/шум в случае гетеродинного приема можно представить как отношение мощности сигнала Pc на выходе фильтра низких частот, выделяющего разностную частоту, к мощности шума Рш в той же полосе частот. В случае идеальной синфазности информационного и опорного сигналов мощность сигнала на выходе электронного тракта (на выходе фильтра низких частот) в полосе частот Af = Дсо/2к в соответствии с (12.2) Pc - (Ec0Et0)2 или Pc - ФСФГ, где Фс и Фг — потоки излучения, создаваемые источником информационного сигнала и гетеродином на приемнике. Это подтверждает принципиальное достоинство гетеродинного метода приема — возможность увеличения мощности полезного сигнала путем увеличения потока, создаваемого гетеродином.
