Некоторые особенности оптических сигналов

Оптические сигналы, для приема и обработки которых служат ОЭП, по сравнению с сигналами, относящимися к другим диапазонам спектра электромагнитных колебаний, обладают рядом особенностей:

- - ·меньшая длина волны оптического сигнала;

- - ·многомерность сигнала;

- - ·униполярность некогерентного оптического сигнала;

- - ·двухсторонность;

- - ·меньшая стационарность по сравнению со многими временными процессами;

- - ·анизотропность;

- - ·влияние несущей частоты сигнала на информационные параметры канала связи.

Меньшие длины волн в оптическом диапазоне позволяют повысить угловое разрешение и уменьшить габаритные размеры и массу ОЭП по сравнению с радиоэлектронными системами, о чем уже говорилось выше. Заметно выше информационная емкость (плотность информации) оптического сигнала. Однако по той же причине прохождение оптических сигналов через поглощающие и рассеивающие среды, например через атмосферу, сопровождается большими потерями.

Меньшая длина волны (или большая частота) электромагнитного колебания — оптического сигнала обеспечивает возможность более высокой скорости передачи информации или лучшего временного разрешения в оптических системах локации и связи, нежели в подобных радиосистемах. По той же причине обеспечивается возможность измерения малых радиальных скоростей движущихся объектов за счет большого доплеровского смещения частоты оптического диапазона.

В электронике и электротехнике, как правило, имеют дело с одномерным сигналом, являющимся функцией одной переменной — времени. В оптико-электронном приборостроении часто используют многомерность оптического сигнала, который в достаточно общем виде можно представить в виде функции нескольких аргументов —трех пространственных координат, времени, состояния поляризации, длины волны или частоты. Хотя эти аргументы и связаны между собой, например, время и длина волны или частота, на практике удобно (и возможно) разделить эти переменные. Это особенно часто используется при работе с некогерентными оптическими сигналами, основной характеристикой которых является квадратичная функция — мощность или энергия излучения, а не амплитуда электромагнитного колебания. Такая многомерность сигнала позволяет, например, применить разнообразные и более гибкие средства для его выделения на фоне помех, легче осуществить многоканальную обработку передаваемой информации, однако одновременно вызывает ряд трудностей при описании оптического сигнала, анализе прохождения его через звенья ОЭП, синтезе этих звеньев и ОЭП в целом.

Некогерентные оптические сигналы униполярны, т.е. мощность оптического излучения, переносимая сигналом, не может быть отрицательной. Поэтому в отличие от радиоэлектроники, где часто математическое ожидание сигнала можно принять равным нулю, в оптико-электронном приборостроении необходимо учитывать некоторый (постоянный или переменный) уровень этой величины.

Нужно отметить двусторонность оптического сигнала, являющегося функцией пространственных координат, относительно начала системы этих координат. Если в радиоэлектронике используется принцип последействия, в соответствии с которым сигнал, являющийся функцией времени t, рассматривается лишь после момента t₀ его возникновения, т. е. по одну сторону от начала координат (t > t₀), то оптический сигнал в виде, например, освещенности в изображении точечного источника рассматривается по обе стороны от начала координат — места идеального изображения точки.

Среди других особенностей распространенных оптических сигналов и полей (двух- и многомерных сигналов) следует указать на их меньшую стационарность по сравнению со многими временными процессами. Так, многие виды шумов в электронных звеньях часто принимаются стационарными случайными процессами. В то же время такие типичные оптические случайные сигналы, как яркости различных природных образований (наземный ландшафт, облачность и др.), очень часто являются нестационарными не только во времени, но и в пространстве.

Можно напомнить о характерной анизотропности многих оптических полей, которые описываются спектром мощности с более чем одним максимумом. Например, пространственное распределение яркости при наблюдении сельского ландшафта из космоса может иметь максимумы спектра мощности, соответствующие низкочастотной структуре (чередованию лесов, полей и т. п.) и высокочастотной структуре (чередованию деревьев, рядов посевов и т. п.).

Случайные многомерные функции, описывающие оптические сигналы, могут характеризоваться различными законами распределения. Так, например, иногда случайный («пестрый») излучающий фон представляют в виде случайной совокупности двумерных импульсов яркости, амплитуды которых подчиняются гауссовскому (нормальному) закону распределения:

а ширина или расстояние r между импульсами — закону распределения Пуассона:

где  — энергетическая яркость какой-либо точки фона и среднее значение этой величины;  — дисперсия L;  — среднее значение r (средняя ширина импульса).

Спектральная плотность мощности такого случайного двумерного пространственного сигнала может быть представлена как

Глава 3. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ