Потери мощности сигнала при модуляции

В тех случаях, когда модуляция потока излучения реализуется путем периодического перекрытия (обтюрацией) пучка лучей или другим путем изменения прозрачности модулятора, всегда имеют место потери мощности оптического сигнала. Это необходимо учитывать при энергетических расчетах ОЭП, выборе вида модуляции и проведении ряда других расчетов.

Определим потери мощности сигнала — потока F₀. Если при модуляции прерыванием по закону F(t) теряется часть энергии, то эти потери можно оценить с помощью коэффициента k₁:

Числитель этого выражения определяет эффективное (среднее квадратическое) значение потока.

В зависимости от способа обработки сигнала, пропорционального k₁F₀, в электронной схеме используется та или иная его доля, которую условимся обозначать k₂. Коэффициент k₂ учитывает, например, тот факт, что в следующих за приемником звеньях ОЭП происходит изменение спектра этого сигнала с использованием лишь его части.

Произведение k_м=k₁k₂ является коэффициентом, учитывающим потери при модуляции (КПД модуляции), поскольку k_м определяет долю полезной, используемой в приборе мощности по отношению к мощности немодулированного сигнала.

В общем случае для определения k_м целесообразно применить выражения типа (9.2) и (9.3), рассчитывая долю мощности сигнала в полосе его пропускания путем сложения квадратических значений коэффициентов отдельных гармоник.

Рассмотрим простые, но часто встречающиеся на практике примеры.

Пусть в результате модуляции путем прерывания потока образуется непрерывная последовательность синусоидальных импульсов. В этом случае легко найти, что k₁=0,5. То же значение имеет коэффициент k₁ для последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения (отношение длительности импульса к периоду его повторения) g=0,5. Если в дальнейшей схеме спектр сигнала не изменяется, т.е. используется эффективное значение последовательности электрических импульсов, образующихся на выходе приемника, то в этом случае k₂=0,707. (Для других значений коэффициента заполнения g среднее квадратическое — эффективное за период значение импульсного периодического сигнала — составит g^1/2). Следовательно, при такой импульсной модуляции в образовании полезного сигнала участвует 35,4% (k_м=k₁k ₂=0,354) немодулированного потока.

Другой пример. В приборе осуществляется модуляция с помощью вращающегося растра, у которого одна половина (полудиск) непрозрачна и не модулирует сигнал, а вторая разделена на равные прозрачные и непрозрачные секторы. Если с некоторым, вполне допустимым для практики приближением считать, что в рассматриваемом случае происходит двукратная гармоническая амплитудная модуляция, описываемая функцией вида F(t)=(F₀/2) (l+ sin w₀ t)sinw_нt , а в детекторе электронного тракта выделяются напряжения или токи частоты управления w₀, на которой переносится полезная информация, то амплитуда сигнала этой частоты на выходе линейного детектора будет пропорциональна 2F₀/p (см. § 9.2), а ее эффективное значение составит 0,707F₀·2/p, т.е. в данном случае k₂=0,707·2/p=0,45, а k₁=0,25. Действительно, за время, составляющее в общей сложности 3/4 периода модуляции, кванты излучения не попадают на приемник, т. е. средняя за период мощность составляет 0,25F₀. Таким образом, k_м»0,115.

Для оценки эффективности модуляции следует сопоставить выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе ОЭП с потерями энергии сигнала при модуляции, т.е. с коэффициентом k_м. Коэффициент эффективности модуляции может быть определен [1] как частное от деления отношения эффективных напряжений сигнал/шум после модуляции на отношение эффективных напряжений сигнал/шум для постоянного тока, существующее без прерывания излучения на несущей частоте.

В [1] получены следующие значения коэффициента k_м для последовательностей:

- - синусоидальных импульсов, промодулированных прямоугольной функцией, k_м=0,16;

- - прямоугольных импульсов, промодулированных синусоидальной функцией, k_м=0,16;

- - прямоугольных импульсов, промодулированных прямоугольной функцией, k_м=0,2;

- - частотно-модулированных прямоугольных импульсов при индексе модуляции b=Dw/W=1,8, k_м=0,37;

- - частотно-модулированных синусоидальных импульсов при b=1,8, k_м=0,19.

9.4. Общая характеристика способов модуляции сигнала в оптико-электронных приборах

Характер модуляции сигналов в ОЭП зависит от свойств реальных модуляторов. Большинство оптических модуляторов управляет интенсивностью электромагнитного колебания оптической частоты, что отражается на выборе методов приема и обработки сигнала.

По способу модуляции оптического сигнала различают:

- - модуляцию, выполняемую непосредственно в источнике излучения (внутреннюю);

- - модуляцию, осуществляемую на пути сигнала от источника к приемнику (внешнюю).

- - модуляцию, осуществляемую в электронном тракте (в некоторых ОЭП)

Выбор типа модулятора и способа модуляции зависит от требований к сигналу, поступающему в электронную систему, способу анализа изображений, а также к стабильности и сроку службы самого модулятора.

Для модуляторов, используемых во многих ОЭП, основными требованиями являются:

- - высокое пропускание в рабочем спектральном оптическом диапазоне;

- - высокая стабильность параметров и характеристик, особенно при изменениях питающего напряжения или тока, а также при изменении внешних условий (температуры окружающей среды, влажности, давления и т.п.);

- - малые потери потока;

- - максимальная глубина модуляции;

- - широкий диапазон частот модуляции, а в ряде случаев и возможность плавной или дискретной перестройки частоты;

- - небольшая потребляемая мощность;

- - простота и надежность эксплуатации.

Можно указать на некоторые особенности модуляции, осуществляемой непосредственно в источнике излучения.

Питая источник (лампу, светодиод, лазер) переменным током, можно изменять амплитуду потока излучения во времени. Очевидно, что для получения больших частот модуляции необходимо использовать малоинерционный источник. Поэтому на практике, как правило, этот способ модуляции при мощных некогерентных источниках не находит применения вследствие большой инерционности сравнительно большого тепа накала таких источников либо большой инерционности блока питания. Глубина модуляции для них невелика, особенно с учетом ее уменьшения по мере роста частоты модуляции. Например, на частоте модуляции 100 Гц глубина модуляции даже у маломощных ламп накаливания не превышает 20%. Некоторые типы газоразрядных ламп позволяют достичь глубины модуляции в 60...70% для частот в несколько килогерц, но мощность их невелика, а условия эксплуатации порой сложны.

Гораздо более перспективной является модуляция излучения полупроводниковых рекомбинационных излучателей. Для некоторых серийно выпускаемых светодиодов граничная частота, при которой обеспечивается глубина модуляции в 50%, составляет 1...1,5 ГГц. Мощность питания при этом не превышает 1 Вт.

Значительное повышение частот модуляции при большой ее глубине удается получить при использовании лазеров. Модуляцию излучения лазера можно осуществить различными способами, например, изменяя мощность накачки или помещая амплитудный модулятор (электрооптический затвор) внутрь резонатора лазера, т.е. управляя его добротностью, что приводит к амплитудной модуляции излучения. Внутрирезонаторная модуляция реализуется и другими способами [11, 19, 30].

Внесение дополнительных элементов в лазеры усложняет их конструкцию, увеличивает потери излучения. Кроме того, при работе газоразрядных ламп и лазеров в импульсном режиме мощность, переносимая на частоте модуляции, невелика, поскольку длительность импульсов составляет очень малую долю периода их повторения. Следует отметить также нелинейную в общем случае зависимость между напряжением питания источника и амплитудой потока излучения, что иногда создает дополнительные трудности.

Широко используются модуляторы, изменяющие параметры потока на пути от источника к приемнику. К их числу относятся хорошо известные механические модуляторы, основанные на периодическом прерывании потока растром или диафрагмой определенной формы (см. § 9.5). Такими растрами или диафрагмами являются диски или цилиндры с прорезями, заслонки, помещаемые на валы электро- и пневмодвигателей, на подвижные контакты реле и т.д. При их использовании получают частоты модуляции порядка сотен килогерц; это иногда сопряжено с трудностями, связанными, например, с необходимостью иметь двигатель с очень большой частотой вращения и высококачественную оптическую систему, формирующую пучок малого сечения в плоскости растра модулятора. Кроме того, трудно обеспечить стабильность высоких частот модуляции.

Недостатки механических модуляторов:

- - сравнительно небольшой срок службы двигателей, реле и прочих электромеханических их элементов;

- - значительные габаритные размеры и масса.

Несмотря на это такие модуляторы получили широкое распространение благодаря своим достоинствам.

Достоинствамеханических модуляторов:

- - конструктивная простота;

- - отсутствие искажений оптического спектра;

- - возможность изменения или регулировки ряда параметров (например, изменением формы и размеров прозрачных и непрозрачных участков можно менять вид модуляции и частоту модулируемых импульсов).

Растровые модуляторы, располагаемые в плоскости изображений приемной оптической системы, часто одновременно выполняют функции пространственного фильтра и анализатора изображений, а это сказывается на выборе их конструктивных параметров, в первую очередь, рисунка растра.

Гораздо более высокие частоты модуляции можно получить с помощью модуляторов, основанных на электрооптических эффектах Керра и Поккельса, магнитооптическом эффекте Фарадея, акустооптическом эффекте и других физических явлениях. Некоторые из них, нашедшие широкое практическое применение в ОЭП, будут рассмотрены ниже (см. § 9.6).