Модуляция оптических сигналов с помощью растров

Механическая модуляция оптических сигналов с помощью растров очень широко применяется в практике ОЭП. При этом сравнительно просто осуществляются наиболее распространенные виды модуляции (AM, ЧМ и фазоимпульсная). Схемы такой модуляции можно разделить на две группы:

1. 1. с перемещением растра относительно неподвижного изображения;

2. 2. с неподвижным растром-модулятором, относительно которого перемещается изображение или световой пучок.

Если пропускание растра-модулятора описывается действительной функцией , где — радиус-вектор произвольной точки в плоскости растра, t — время, а распределение освещенности в этой плоскости описывается функцией , то сигнал (поток) на выходе растра в момент t равен

 (9.9)

где — область значений вектора . Таким образом, при взаимном перемещении растра и изображения происходит превращение «пространственного» оптического сигнала во «временной».

Если рисунок растра периодичен, т.е. рисунок повторяется с частотой w₁ (см., например, рис. 7.8 или 7.9), то

Представляя эту функцию рядом Фурье (см. § 2.1)

 (9.10)

и подставляя (9.10) в (9.9), получим

 (9.11)

где

Каждая составляющая (гармоника) вида ехр(jnw₁ t ) в формуле (9.11) является несущей частотой, которая модулируется функцией F_n (t), содержащей информацию о распределении освещенности в плоскости растра, например информацию о координатах изображения, описываемого функцией. Часто принимается, что изображение неподвижно, т.е. используется функция .

Для описания распространенных на практике вращающихся радиально-секторных растров удобно пользоваться полярной системой координат (r, x) с центром, совпадающим с центром окружности растра, т.е. представлять функцию пропускания растра как а(r, x, t). Для периодических структур, состоящих из р пар прозрачных и непрозрачных секторов, период полярного угла x равен 2p/р.

Характерным примером схем первой группы может служить простейший модулятор — вращающийся полудиск. Модулятор создает амплитудно-модулированный сигнал.

Примером схем второй группы является система с коническим круговым сканированием. В этой системе глубина модуляции достигает 100%, если смещение изображения с оптической оси превышает размер изображения. При увеличении этого смещения скважность импульсов, образующихся на выходе кругового растра, увеличивается, что является недостатком схемы, так как для сохранения мощности сигнала приходится увеличивать ширину полосы пропускания электронного тракта.

Достоинствасхемы в том, что при одинаковых размерах чувствительной площадки приемника и мгновенного углового поля оптической системы значение «просматриваемого» поля (поля обзора) здесь в 2 раза больше, чем в схеме с полудисковым модулятором. Кроме того, в схемах второй группы меньше сказывается влияние протяженного излучающего фона, перекрывающего все угловое поле, и неравномерности чувствительности по площадке приемника.

Модуляционная характеристика системы с коническим круговым сканированием — зависимость сигнала от рассогласования по оси y — показана на рис. 7.6,г. И в случае вращающегося полудиска (см. рис. 7.4), и в схеме с круговым переносом изображения относительно неподвижной полевой диафрагмы (см. рис. 7.6, а ) 100%-ная глубина модуляции имеет место и для малоразмерных изображений объектов, и для сравнительно крупноразмерных изучающих помех, изображения которых не перекрывают полностью прозрачную часть растра, причем основные гармоники полезного сигнала и сигнала помех совпадают. Спектры этих сигналов носят низкочастотный характер, поэтому фильтрация полезного сигнала путем выбора узкой полосы пропускания электронного тракта в таких системах («одночастотных», или системах с однократной амплитудной модуляцией) практически неэффективна.

Из-за ограниченной скорости механического перемещения растра или сканирующего устройства в системах такого рода трудно получить требуемую (иногда значительную) частоту модуляции. Для увеличения частоты можно применить многопериодную структуру растра модулятора, которая одновременно служит и для решения задачи фильтрации крупноразмерных помех.

Поскольку электронные звенья, как правило, настраивают на какую-то узкую полосу частот, желательно, чтобы вся энергия сигнала была сосредоточена в этой полосе. При однократной непрерывной амплитудной модуляции через эту полосу пропускается лишь первая гармоника сигнала. Количество энергии, приходящейся на первую гармонику, зависит от соотношений между размерами прозрачной и не прозрачной частей растра модулятора, а также от соотношения между периодом растра и размером изображения источника в плоскости модуляции. Близким к оптимальному случаю с энергетической точки зрения является такая конструкция растра, когда ширина прозрачной части его периода равна ширине непрозрачной части и заметно превышает диаметр сечения пучка.

Рис. 9.8. Растры: а - в — радиально-секторные; г — с шахматной структурой

По указанным причинам, а также с учетом требований оптимальной пространственной фильтрации в системах механической модуляции часто используются радиально-секторные растры (рис. 9.8, а-в), применяемые вместо растра, представленного на рис. 7.4, или близкие к шахматной структуре растры (рис. 9.8, г) вместо простой круглой диафрагмы (см. рис. 7.6). Аналогичные растры используются и в поступательно перемещающихся растрах-модуляторах (вибромодуляторы, ленточные и т.п.). Размеры ячеек этих растров обычно выбирают примерно равными размеру сечения модулируемого пучка.

Для ослабления влияния крупноразмерных излучателей, занимающих большую часть поля, вторая половина растров, представ ленных на рис. 9.8, а-в, выполняется такой, чтобы ее пропускание составляло 0,5, т.е. было равно суммарному пропусканию пространственного фильтра - верхней половины растра. Это достигается, например, нанесением концентрических окружностей, которые при вращении растра не модулируют сигнал.

Растр такого вида называется уравновешенным или сбалансированным в энергетическом отношении. Уравновешенный растр позволяет предотвратить возникновение ложных сигналов с частотой вращения растра w₀ в том случае, когда имеется неоднородность чувствительного слоя приемника, помещаемого сразу же за растром. Если на приемник поступает излучение от равномерного фона, то при наличии на его фотослое зон с различной чувствительностью при вращении неуравновешенного растра, например полудиска (см. рис. 7.4), возникает паразитный сигнал. При энергетической сбалансированности растра, когда его пропускание в среднем по полю одинаково, этот сигнал практически отсутствует.

С помощью растров-пространственных фильтров, представленных на рис. 9.8 и им аналогичных, обеспечивается двукратная амплитудная модуляция с несущей частотой w_н. При этом сигнал несущей частоты используется для получения информации о значении освещенности на входе ОЭП, которая необходима для создания системы автоматического регулирования чувствительности (АРЧ) или усиления (АРУ). Система АРЧ или АРУ позволяет исключить или ослабить влияние изменения освещенности входного зрачка ОЭП на амплитуду управляющего сигнала (с частотой, несущей информацию о наблюдаемом источнике).

Чтобы найти выражения для модулированного сигнала на выходе растра и его спектра, можно воспользоваться формулой (9.11). Такая методика будет более подробно рассмотрена ниже (см. § 10.6).

Здесь же приведем лишь один пример — для растра, представленного на рис. 9.8, а.

Пропускание такого растра описывается как [30]

где d — фазовый сдвиг периодов растра или сигналов, создаваемых отдельными периодами растра.

Зависимость пропускания такого растра от угла x показана на рис. 9.9. Аналогичный вид имеет сигнал (поток) на выходе такого растра, образующийся при модуляции малоразмерного (точечного) изображения.

Как отмечалось в § 9.1, в спектре этой функции максимальна амплитуда первой гармоники, т.е. а₁ (при п=1), которая пропорциональна exp (-2ppd) /j2p.

Рис. 9.9. Зависимость пропускания радиально-секторного растра от угла x

Отметим некоторые особенности систем с вращающимися растрами (см. рис. 7.4 и 9.8, а-в) и систем с неподвижными растрами (см. рис. 7.6 и 9.8, г), по которым сканирует изображение излучателя.

В системах с вращающимися растрами максимальная глубина модуляции сигнала несущей частоты (100%) обеспечивается лишь для тех зон, где размер изображения меньше полупериода (прозрачной части) растра. Если центр растра расположен на оптической оси системы, то при малых углах рассогласования, когда изображение излучателя приближается к центру растра, глубина модуляции заметно уменьшается, а около центра она близка к нулю. Поэтому модуляционная характеристика такого растра (зависимость амплитуды сигнала с частотой w₀ от угла рассогласования) имеет в центре зону нечувствительности. По этой же причине во многих ОЭП с вращающимися растрами изменение глубины модуляции не используется как источник информации о положении излучателя, т. е. модуляционная характеристика является релейной. АРУ в таких ОЭП служит только для устранения нежелательных нелинейных явлений в электронном тракте (например, насыщения), но не для поддержания строгого постоянства амплитуды сигнала на несущей частоте.

В ОЭП с неподвижными растрами (см. рис. 7.6 и 9.8, г) близкое к оптимальному условие пространственной фильтрации для всего поля обеспечить проще. (В соответствии с этим условием размер изображения должен быть равен размеру ячейки растра.) При малых углах рассогласования, когда изображение малоразмерного излучателя при перемещении по растру не выходит за его пределы (траектория И₁ на рис. 7.6, б), глубина модуляции сигнала частоты управления несет информацию о значении рассогласования. В то же время сигнал несущей частоты при выборе ячеек растра с размерами, большими или равными размеру изображения, имеет постоянную глубину модуляции — 100%. Поэтому модуляционная характеристика системы с таким растром не имеет мертвой зоны в области малых рассогласований. Применяя АРУ с жесткой связью по несущей частоте, когда при изменении облученности или других параметров АРУ поддерживает амплитуду сигнала несущей частоты постоянной, можно использовать зону малых рассогласований (линейную зону) модуляционной характеристики (см. рис. 7.6, г ) для получения информации о координатах излучателя.

При больших рассогласованиях (углах между направлением на излучатель и оптической осью системы) изображение излучателя в процессе сканирования выходит за пределы растра. Модуляция на частоте управления (частоте сканирования) становится импульсной; спектр сигнала расширяется, что обуславливает необходимость увеличивать полосу пропускания электронного тракта и снижает помехозащищенность ОЭП.

Так как траектории сканирования весьма разнообразны, то обеспечить оптимальное согласование (равенство) размеров изображения и ячеек растра (см. рис. 9.8, г) в его центральной части для всех траекторий трудно. Поэтому в области больших рассогласований глубина модуляции может меняться, и здесь принимается релейный закон управления ОЭП. Однако и при этом в растрах такого типа условия по согласованию размеров и формы изображения и ячеек растра выполняются проще и полнее, чем во вращающихся радиально-секторных растрах типа, представленных на рис. 9.8, а-в. Проблема оптимального согласования размеров изображения и ячеек растров для всего углового поля ОЭП или всех возможных углов рассогласования присуща практически всем растрам, используемым в ОЭП.

Сравнительно просто с помощью растровых модуляторов осуществляется и частотная модуляция, например, путем использования модулятора в виде радиально-звездного растра (см. рис. 7.9), по которому перемещается изображение, причем траектория этого перемещения и рисунок растра эксцентричны. Возможен и такой случай, когда угловые размеры элементов растра не одинаковы, а меняются по заданному закону. Последовательность импульсов, возникающих после растра, попадает на приемник излучения, и после фильтрации постоянной составляющей электрическое колебание переменной частоты можно считать частотно-модулированным.

К числу механических модуляторов, осуществляющих ФИМ, относятся щелевые модуляторы, выполняющие во многих ОЭП одновременно и функции сканирующих анализаторов. Типичная схема ФИМ с неподвижным приемником-растром в виде креста, также выполняющим функции оптического анализатора, рассмотрена в § 7.7.