1.3.3. Характеристики источников излучения

Также важными характеристиками источников излучения являются: быстродействие источника излучения; деградация и время наработки на отказ.

Быстродействие источника излучения. Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции. Предварительно устанавливаются пороги на уровне 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности светового излучения при низкочастотной модуляции прямоугольными импульсами тока. По мере роста частоты модуляции, т.е. при переходе на меньшие масштабы по временной шкале, форма световых фронтов становится более пологой. Для описания фронтов вводят времена нарастания и спада мощности излучения, определяемые как временные интервалы, за которые происходит нарастание от 0,1 до 0,9 и, наоборот, спад светового сигнала от 0,9 до 0,1, Максимальная частота модуляции определяется как частота входных электрических импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать пороговые значения 0,1 и 0,9, оставаясь при этом во внутренней области. Для светодиодов эта частота может достигать до 200 МГц, а у лазерных диодов - значительно больше (несколько ТГц). Времена нарастания и спада предоставляют информацию о полосе пропускания W. Если предположить, что они равны между собой (а это не всегда так), то полосу пропускания можно определить по формуле: .

Деградация и время наработки на отказ. По мере эксплуатации оптического передатчика его характеристики постепенно ухудшаются - падает мощность излучения, и, в конце концов, он выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Надежность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ или интенсивностью отказов. В настоящее время, благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить надежность лазерных диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5-8 лет).

Часть 2. Структурные схемы оэп

2.1. Обобщенная структурная схема оэп

Структурная схема показывает основные узлы (блоки) устройства и связи между ними.

Структурная схема, содержащая узлы, наиболее типичные для многих оптико- электронных устройств, называется обобщенной (рис. 22).

Рис. 22. Обобщенная структурная схема оптико-электронного прибора

Основными частями ОЭП являются:

источник излучения; приемник лучистой энергии; усилитель (усилительно-фильтрующее устройство); система автоматизации; регистрирующее устройство.

1. Источник излучения создает необходимый для работы прибора лучистый поток. Он может быть естественным или искусственным.

2. Оптическая система собирает необходимый для работы прибора лучистый поток, формирует изображение. Оптическая система может содержать устройства, служащие для анализа изображения и для модуляции лучистого потока. Оптический анализатор позволяет установить определенные свойства изображения. Оптический модулятор предназначен для периодического или импульсного изменения величины потока, достигающего приемника излучения

3. Объект измерения представляет собой какой-либо предмет или среду, о свойствах и параметрах которых необходимо получить информацию. Объектом измерения может быть и сам источник излучения. Электромагнитное излучение, взаимодействуя с объектом измерения, претерпевает изменения, несущие в себе необходимую информацию.

4. Приемник лучистой энергии служит для преобразования электромагнитной энергии оптического диапазона в электрическую энергию. Имеются фотоприемники, фототок которых зависит не только от величины потока, но и от положения изображения на его светочувствительной поверхности. Такие фотоприемники называются позиционно чувствительными.

5. Усилитель увеличивает мощность полезного сигнала, действующего на его входе, и одновременно выполняет функции амплитудно-частотного фильтра. Усилитель используется также для подавления помех.

6. Система автоматизации прибора повышает его производительность и стабильность. Система автоматизации ускоряет процесс получения результатов.

7. Регистрирующие устройства предназначены для отображения результатов измерения.

Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы и методы работы 

   Структура многих современных ОЭП включает большое число  различных по своей физической природе  и принципу действия звеньев —  аналоговых и цифровых преобразований электрических сигналов, микропроцессоров, механических и электромагнитных узлов и др. Поэтому ОЭП часто называют оптико-электронными системами (ОЭС).

   Действие  ОЭП основано на приеме и преобразовании электромагнитного излучения в различных диапазонах оптической области спектра, т. е. в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) частях его. Источник излучения естественного или искусственного происхождения создает материальный носитель полезной информации – поток излучения.

   Этим  источником может быть сам исследуемый  объект. Часто источник излучения  дополняется передающей оптической системой, которая направляет поток  на исследуемый объект или непосредственно в приемную оптическую систему (если наблюдается сам источник).

     Приемная оптическая система собирает поток, излучаемый наблюдаемым объектом или отраженный от него, формирует этот поток и направляет его на приемник излучения.

     Приемник превращает сигнал, переносимый потоком излучения (оптический сигнал), в электрический.

    Источник  излучения (с передающей оптической системой), приемная оптическая система, приемник излучения, а иногда и первые звенья следующего за приемником электронного тракта образуют систему первичной обработки информации ОЭП. Назначением ее является получение сигнала (информации) от наблюдаемого или исследуемого объекта в виде, удобном для дальнейшей обработки или использования

   Выходной  блок формирует сигнал, по своим параметрам удовлетворяющий требованиям получателя информации.

   Во всем оптико-электронном тракте приборов наряду с полезной информацией присутствуют помехи (фоны). Во многих случаях сигнал оказывается настолько малым по срав­нению с уровнем помех, что нормальное функционирование приборов возможно лишь при специальных методах обработки информации, которые позволяют наилучшим обра­зом выделить сигнал и ослабить влияние помех. Такие методы обработки называют опти­мальными. Для определения оптимальных параметров прибора надо знать характеристики сигналов и помех, приведенные ко входу системы, требуемый закон преобразования полезного сигнала и допустимые значения искажений в выходном сигнале.

При активном методе работы исследуемый или наблюдаемый объект облучается источником электромагнитных волн, параметрами и характеристиками которого может управлять оператор, проводящий исследование и наблюдение. При этом наилучшим образом удается согласовать параметры источника (передающей системы), объекта, среды распространения излучения и приемной системы. Это очень часто позволяет решить задачу помехозащищенности ОЭП, например, достаточно эффективно отделить полезный сигнал от сигнала помехи.

   При реализации активного метода необходимо иметь специальный источник, который иногда бывает очень сложным, громоздким и потребляет большую мощность.

   При пассивном методе работы используется собственное излучение наблюдаемого объекта, которое принимает ОЭП, а часто и отраженное от объекта излучение, создаваемое внешним источником естественного происхождения, например, Солнцем. Для повышения помехозащищенности здесь приходится особенно тщательно следить за оптимальным соотношением между параметрами ОЭП, объекта и среды распространения излучения.

   Иногда  искусственный или естественный источник облучает не один, а ряд объектов. Как правило, ОЭП Должен выделить поток, отраженный от одного из них, причем часто параметрами излучения, облучающего объекты, управлять нельзя (например, в случае использования естественной освещенности). Такой метод работы обычно называют полуактивным.