Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
В то же время мощность шума также пропорциональна уровням информационного и опорного сигналов. Так, если основными состав-
382 Глава 12. Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов
ляющими шума являются дробовый и тепловой шумы приёмника (см. § 6.2), то дисперсия шума может быть определена как
= "Lp + "L = 2ei0AfRl + 4kTR»Af =
= 2e[st (Фс + Фг + Ф^) + гт] AfR^ + 4kTRsAf,
где Si — токовая чувствительность приемника; Фф — среднее значение потока от фона, поступающего на приемник; гт — темновой ток приемника, а остальные обозначения те же, что в исходных формулах (см. §6.2).
Поскольку в формулу для отношения сигнал/шум рр = PJPm, где Pui - ит, поток Фг, создаваемый гетеродином, будет входить как в числитель, так и в знаменатель, то даже в идеализированном случае синфазных колебаний и при отсутствии паразитных биений получить значительное увеличение рр за счет роста мощности гетеродина Фг не удается.
Для обеспечения надежной фильтрации разностной частоты сос-сог в системах с гетеродинным приемом предусматривается контроль частоты гетеродина с ее подстройкой для компенсации уходов и неста-бильностей частоты информационного сигнала. Особенно часто это используют в системах с гомодинным методом приема, когда юс= сог. Опорный гетеродин управляется сигналом, получаемым с выхода приемника излучения и обеспечивающим синхронизм колебаний. При активном методе работы ОЭП опорным сигналом может служить часть потока, посылаемого к наблюдаемому объекту, выводимая из передающей оптической системы и направляемая непосредственно на приемник.
Нужно указать, что при значительном уровне фоновых шумов гетеродинный прием далеко не всегда имеет преимущества перед прямым методом приема.
Уровень превышения опорного сигнала Фг над информационным Фс часто ограничен, так как многие приемники излучения (особенно ФЭУ) имеют небольшую допустимую мощность засветки.
К приемникам, используемым в гетеродинных системах, предъявляется ряд специфических требований: низкая инерционность, малый разброс времени пролета носителей, от которого зависит инерционность приемника и верхний граничный предел его частотной характеристики, высокая квантовая чувствительность в рабочем участке спектра. Необходимо, чтобы фаза детектируемого приемником сигнала не зависела от амплитуды этого сигнала.
383 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
В качестве приемников в гетеродинных системах используются малоинерционные фотоумножители и фотодиоды, фотоприемники СВЧ-диапазона и некоторые другие [9, 12, 22].
Реально достигнутые пороги чувствительности для гетеродинных фотоприёмников составляют IO"19 Вт-Гц"1 (энергия кванта около IO"20 Дж). Принципиально возможно регистрировать один-два кванта в единичной полосе частот при квантовой эффективности, равной единице.
Качество гетеродинного приема ухудшается также при нарушении пространственной когерентности излучения, вызываемом как несовершенством излучателей, так и влиянием среды, через которую проходит сигнал. Это можно наблюдать, например, при прохождении сигнала от лазера через турбулентную атмосферу. В этом случае отношение сигнал/шум растет с увеличением диаметра входного зрачка приемной оптической системы лишь до определенного предела. В [29] приведены данные об экспериментах по проверке влияния турбулентной атмосферы на качество гетеродинного приема лазерного излучения с X = 0,63 мкм. Если представить входной зрачок квадратным с размером стороны а, то оптимальным значением а, сверх которого нет смысла увеличивать этот размер, является
а = 0,25 Jn [M1 C2 k2Lx"3f2,
где M1 = 0,48; C2 — структурная постоянная (см. § 4.4); k = 2п/Х — волновое число; L — длина трассы; %т х 5,9101; I0 — внутренний масштаб турбулентности (для горизонтальной приземной трассы I0 « 1мм). При разнесении опорного и сигнального пучков отношение сигнал/ шум заметно уменьшается с ростом Cn2.
12.3. Динамический метод приема (метод счета одноэлектронных импульсов)
По мере снижения уровня шумов или при уменьшении длительности полезного сигнала может заметно проявляться дискретная природа помех, например радиационного шума приёмника. Поэтому наряду с методами приема и преобразования оптического сигнала в электрический, при которых регистрируется среднее значение выходного тока или напряжения и которые называются статическими, на практике используется динамический метод (режим) работы, когда регистрируются отдельные импульсы тока или напряжения. Иногда этот метод называют методом счета одноэлектронных импульсов.
При динамическом методе сигнал на выходе приемника характеризуется скоростью счета импульсов, возникающих при попадании на
384 Глава 12. Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов
фоточувствительный слой отдельных квантов излучения. Среднее число фотоэлектронов, возникающих в цепи приемника при попадании на него потока излучения Ф,
пс = У)Ф/кч, (12.4)
где т) — квантовая эффективность фотоприемника; v — оптическая частота излучения; h — постоянная Планка.
