Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов

По физическим принципам регистрации и первичной обработки информации, содержащейся в оптическом сигнале, различают ряд методов приема оптического излучения:

- прямой,

- гетеродинный,

- балансный,

- синхронный и некоторые другие.

Наиболее распространенными из них являются прямой и гетеродинный.

Прямой метод приема оптического сигнала состоит либо в непосредственной регистрации мощности или энергии излучения, либо в подсчете числа фотонов, составляющих этот сигнал. Если измерительная информация содержится в изменении потока или энергии излучения, т.е. изменению измеряемых или контролируемых параметров наблюдаемого объекта соответствует изменение одного из параметров потока или энергии (квадратичных функций амплитуды электромагнитных колебаний), оцениваемое по силе тока или напряжению на выходе приемника излучения, то процесс приема и обработки сигнала можно рассматривать как линейное детектирование. Если информация содержится в амплитуде электромагнитного колебания, а регистрируется квадратичная функция (поток, энергия, освещенность), то приемная система (приемник) выступает в качестве квадратичного детектора.

 Конструктивно прямой прием в случае регистрации потока достаточно прост. Несколько сложнее прямой метод, основанный на подсчете числа фотонов, поскольку здесь требуются высокочувствительные и малоинерционные приемники излучении.

Прием оптического сигнала в виде электромагнитного колебания E_с(t), содержащего информацию о наблюдаемом объекте, сопровождающийся сложением этого колебания со вспомогательным синусоидальным колебанием E_г(t), создаваемым специальным генератором (гетеродином), называется гетеродинированием.

Структурная схема гетеродинного приемника приведена на рис. 12.1.

Рис.12.1. Структурная схема гетеродинного приемника: З — полупрозрачное зеркало; Вх.зр — входной зрачок (входная апертура); ПИ — приемник излучения; У — усилитель; ФНЧ — фильтр низких частот; u(t)~E_coE _гоcos[(w_c-w_г )t+j_c-j_г]

Как будет показано ниже, при гетеродинном приеме составляющую спектра модулированного сигнала, несущую полезную информацию, из высокочастотной области спектра смещают в область сравнительно низких частот, например из оптической части спектра электромагнитных колебаний в радиодиапазон, где фильтрация, усиление и детектирование (демодуляция) сигнала современными технически ми средствами осуществляются проще, чем в оптическом диапазоне.

Гетеродинный прием в ОЭП может быть использован для преобразования не самих оптических сигналов, а модулирующих их колебаний.

В том случае, когда частоты колебаний информационного w_с и вспомогательного w_г сигналов одинаковы, а фазы совпадают, прием сигнала часто называют гомодинным. В § 9.2 было показано [см. формулу (9.7)], что при детектировании таких колебаний (синхронном детектировании) выходной сигнал максимален при равенстве фаз информационного и вспомогательного сигналов.

Если наряду с основной гармоникой w_г сигнал гетеродина содержит и другие гармоники (шумы), то качество приема может заметно ухудшиться. Уменьшить влияние шумов гетеродина можно путем использования балансных методов приёма, схема одного из которых приведена на рис. 12.2. Полупрозрачное зеркало 3 сдвигает фазу проходящего через него колебании на -p/4, а фазу отраженного колебания на +p/4. В результате на приёмники ПИ1 и ПИ2 поступают сумма и разность информационного и вспомогательного (опорного) сигналов вместе с шумами. Выходные сигналы приёмников смешиваются. В электронном тракте ЭТ могут быть отфильтрованы составляющие разностной частоты (w_с-w_г). Сигнал u_б.д (t) на выходе всей системы (балансного детектора) пропорционален разности (E_c+ E_г)²-k _б(E_с-E _г)², где значение постоянной k_б выбирается близким к единице.

                        Рис.12.2. Структурная схема балансного метода приема

Если входной информационный и опорный сигналы представить в виде суммы полезной и шумовой составляющих, то в результате анализа выражения для выходного сигнала u_б.д можно убедиться, что шумы гетеродина на выходе уменьшаются в 2/(1-k_б) раз. При равенстве частот w_с и w_г отношение сигнал/шум на выходе может в 2 раза превышать это же отношение при несинхронном балансном детектировании.