Вопросы для самопроверки
1. Методы оптической обработки информации
2.Описание оптического сигнала
3. Методы Фурье-анализа сигналов
4. Частотный спектр одномерных сигналов
5. Разложение оптического сигнала в пространственно-
временной спектр
6. Двумерный оптический сигнал и его информационная структура
7. Дискретизация оптического сигнала
8. Дискретное двумерное преобразование Фурье
9. Аналоговые оптические процессоры
10. Акустоооптические процессоры и их применение
11. Оптический процессор двумерного преобразования Фурье
12. Поляризационные электрооптические АЦП
13. Фазовые электрооптические АЦП
14. Гибридные электрооптические АЦП
6. Радиооптические системы
6.1. Классификация радиооптических систем
Все радиооптические системы (РОС) можно классифицировать на три типа: информационные, измерительные, следящие.
–Информационные РОС предназначены для сбора, передачи, обработки, хранения и воспроизведения переданной информации. К системам этого типа относятся: системы связи, системы передачи информации, лазерные локационные системы (ЛЛС), системы распознавания объектов и образов, телевизионные системы (ТВС) с оптическими каналами и др.
–Измерительные РОС предназначены для измерения характеристик и параметров отдельных объектов или процессов: координат, размеров, дальности, скорости движения, взаимной ориентации объектов, состояния атмосферы и т.д. по их собственному или отраженному излучению. К таким системам относятся следующие РОС: лазерные дальномеры, измерители углов поворота, радиальной и угловой скорости (лазерные гироскопы), системы, в состав которых входят оптические измерительные приборы (специальная и научная аппаратура, технологические системы в различных видах производств), системы радиоавтоматики, приборы и системы для измерения температурных распределений по площади или объёму объектов и др.
–Следящие РОС предназначены для автоматического сопровождения объектов. К их числу относятся системы слежения за отдельными источниками излучения (звёздами, планетами, спутниками, самолётами и т.п.), радионавигационные, тепловые и лазерные системы наведения, системы сортировки, системы для поддержания заданного режима и стабильности того или иного параметра и т.п.
Внутри каждого класса системы подразделяются в зависимости от типа канала передачи, используемых длин волн и других признаков.
Так сигналы систем связи могут передаваться через атмосферу (открытый канал), или по волоконным световодам (закрытый канал). Хотя в обоих случаях используются лазеры, модуляторы, антенны, фотоприёмники и другие устройства, это разные системы. Системы с открытым каналом используют источники излучения с длинами волн: 10,6; 3,39; 1,06; 0,69; 0,63; 0,58; 0,53; 0,51; 0,47 мкм и некоторые другие. Системы с закрытым каналом работают на длинах волн от 0,8 до 2 мкм.
6.2. Структурные схемы основных радиооптических систем
К радиооптическим системам относятся системы с закрытым и открытым каналом передачи сигналов. Радиооптическиесистемы с закрытым каналом, в которых средой распространения сигналов является волоконный световод, называются волоконно-оптическими системами (ВОЛС). Ниже будут рассматриваться радиооптические системы с открытым каналом.
Рассмотрим упрощённую структурную схему однонаправленной (симплексной) оптической системы, с передачей по открытому каналу (рис.6.1).
Рис.6.1. 1-источник излучения, 2- источник сигнала, оптический модулятор, 4- передающая оптическая антенна, 5 - канал передачи, 6 - приемная оптическая антенна, 7 – приемный оптический модуль, 8 – фотодетектор, 9 – усилитель сигнала, 10 – устройство обработки сигнала
Источник излучения 1 генерирует оптическую несущую, в которую с помощью оптического модулятора 3 вводится, в виде аналогового или цифрового сигнала, сообщение от источника 2. Канал передачи оптического излучения 5, в который с помощью передающей оптической антенны 4 вводится излучение, представляет собой или одну среду – свободное пространство, атмосферу, воду, диэлектрический или полупроводниковый волноводный канал или комбинацию нескольких сред. Прошедшее через канал излучение поступает на приёмную антенну 6 и далее в тракт фотоприёмника 7 с фотодетектором 8, усилителем 9 и устройством обработки сигнала 10. В фотоприёмнике оптическое излучение собирается, преобразуется в фототок и усиливается, затем демодулируется для восстановления передаваемой информции. Если информация закодирована, то в дальнейшем сигнал должен быть раскодирован.
Рассмотрим компоненты оптической системы. Оптический передатчик (передающий модуль) содержит источник оптического излучения, модулятор и оптическую антенну. Источником излучения может быть лазер, лазерный диод или светодиод. Наибольшую мощность излучения создает лазер (до нескольких ватт), на втором месте –лазерный диод (до 20 мВт) и на третьем –светодиод (до 2 мВт).
Модулятор осуществляет ввод информационного сигнала в оптический канал. Есть два способа модуляции:
непосредственная модуляция несущей оптического поля,
модуляция электрическим сигналом поднесущей частоты, затем модуляция этим сигналом интенсивности несущей.
Используется частотная, фазовая, амплитудная, поляризационная модуляция. Современные модуляторы позволяют передавать информацию в полосе 200 МГц (108 Гц ). Для ближнего ИК и видимого диапазонов возможна полоса 1011–1012 Гц, т.о. есть запас 3…4 порядка. Модуляторы должны обладать широкополосностью, обеспечивающей необходимую информационную ёмкость тракта передачи, линейной модуляционной характеристикой, большим динамическим диапазоном, простотой реализации, высокой эффективностью, малой величиной диссипации (потерь) энергии, эксплуатационной надёжностью.
Модуляция может быть внутренней (воздействие на процесс генерации излучения) или внешней (воздействие на сформированный пучок излучения).
Внутренняя модуляция экономичнее внешней, т.к. излучаемую мощность можно регулировать от малых значений до максимальных по закону передаваемого сообщения. закону передаваемого сообщения гасится полную световую мощность. При внешней модуляции модулируют полную световую мощность, получаемую от источника и при модуляции большая её часть гасится.
Внутренняя модуляция применяется при работе с полупроводниковым лазером (лазерным диодом (ЛД)) и светоизлучающим диодом (СИД). Скорость передачи при использовании СИД ограничивается 100 Мбит/с, при цифровой передаче; при использовании лазерного диода (ЛД) скорость передачи достигает нескольких Гбит/с.
У газовых и объёмных твёрдотельных лазеров трудно изменять энергию накачки с большой частотой. Поэтому для них используют только внешнюю модуляцию.
В системах с непрерывными источниками излучения используют амплитудную модуляцию (АМ), в системах, работающих в импульсном режиме, используют частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ). В этом случае, отношение сигнал/шум лучше, чем при АМ.
Внешняя модуляция, а также преобразование и обработка информации осуществляется через пространственное взаимодействие поля излучения с другими волнами – акустическими, магнитостатическими, спиновыми и электромагнитными волнами других диапазонов. Это взаимодействие реализуется в основном в твёрдых телах: диэлектриках (кристаллических и аморфных) и полупроводниках.
При этом используются следующие физические эффекты: эффект Поккельса (линейный электростатический), эффект Керра (квадратичный), эффект Фарадея (магнитооптический), термооптический и акустооптический эффекты, эффект Франца-Келдыша (сдвиг края полосы поглощения в полупроводниках), фоторефракция.
При решении практических задач необходимо учитывать, что при распространении оптического излучения через среду с изменяющимися параметрами, изменяются амплитуда, фаза, поляризация, частота, направление распространения, степень расходимости луча.
Оптический передающий модуль состоит из оптической головки и электронной схемы, предназначенный для модуляции светового пучка. В оптической головке с СИД размещены диод и модулятор, а в оптической головке с лазерным диодом- лазер, модулятор, фотодиод и электронная схема, с помощью которой стабилизируется режим ЛД. Фотодиод регистрирует интенсивность излучения и в случае ее превышения среднего уровня с фотодиода на электронную схему поступает сигнал, уменьшающий интенсивность излучения лазера.
Характеристиками модуля являются: диапазон рабочих температур, мощность излучения, пиковое значение длины волны, (длина волны при которой наблюдается максимум интенсивности) ширина спектральной полосы (на половине высоты пика), время нарастания импульса, срок службы, напряжение цепи питания, пространственное распределение мощности излучения на выходе.
Передающие модули работают при температурах от 0°С до 80°С или от -40°С до 70°С. При повышении температуры длина волны возрастает.
СИД установлен на теплоотводящем радиаторе, излучение выводится из оптической головки через отрезок волокна, к которому присоединяется внешняя световодная линия. Модулятор смонтирован в общем корпусе с оптической головкой и представляет собой микроэлектронную схему - преобразователь “ напряжение - код”, управляющий током в цепи питания световода.
Напряжение, создаваемое током, протекающим через СИД и транзистор, передается через резистор R1 на инвертирующий вход операционного усилителя. На выходе усилителя создается отрицательный перепад напряжения, который начинает закрывать транзистор. Ток, протекающий через транзистор, уменьшается и уменьшается напряжение, подаваемое на вход операционного усилителя. При этом уменьшается отрицательное напряжение на выходе операционного усилителя и транзистор приоткрывается.
Структура оптического передающего модуля с лазерным диодом сложнее, чем со светоизлучающим диодом. В оптической головке модуля (рис.6.4) находится лазерный диод с двойным гетеропереходом и фотодиод обратной связи, детектирующий излучение, выходящее через заднюю грань лазера. Управление лазером, стабилизация его работы и защита от слишком высокого входного сигнала осуществляется следующим образом. Ток в цепи обратной связи регулирует режим работы лазера по среднему значению мощности излучения и корректирует отклонение от этого значения. Структура оптического передающего модуля с лазерным диодом сложнее, чем со светоизлучающим диодом. В оптической головке модуля (рис.6.4) находится лазерный диод с двойным гетеропереходом и фотодиод обратной связи, детектирующий излучение, выходящее через заднюю грань лазера. Управление лазером, стабилизация его работы и защита от слишком высокого входного сигнала осуществляется следующим образом. Ток в цепи обратной связи регулирует режим работы лазера по среднему значению мощности излучения и корректирует отклонение от этого значения.
Рис.6.2. Пространственное распределение мощности излучения на выходе типичного оптического передающего модуля
Уровень квантования (чувствительности) в ОЭ АЦП этого типа определяется как
,
Схема защиты и управления лазера содержит:
– цепи обратной связи для поддержания постоянства мощности излучения лазера и защиты диода от воздействия слишком высокого уровня входного сигнала;
– схему защиты, обеспечивающую защиту лазера от воздействий, связанных с неисправностями в цепи питания и паразитными электрическими колебаниями.
Рис.6.3. Принципиальная схема простейшего оптического передающего модуля со светоизлучающим диодом
Конструкция оптической головки оптического передающего модуля с лазерным диодом приведена на рис.6.4.
Рис. 6.4. Конструкция устройства оптической головки оптического передающего модуля с лазерным диодом
Источники оптического излучения 1 (рис.6.5,6.6) могут создавать разные световые пучки:
- световой пучок с большой угловой расходимостью (если источник точечный)
Рис.6.5. 1 – точечный источник, 2- коллиматор, D –диаметр коллимирующей линзы
- световой пучок малого диаметра с малой расходимостью (коллимированный)
Рис.6.6. 1- источник излучения светового пучка с малой расходимостью, d - ширина первичного светового пучка, 2 - передающая оптическая антенна, D- диаметр передаваемого светового пучка
Задачей передающей антенны 2 является преобразование излучения, выходящего из источника, в световой пучок достаточно большого диаметра. В первом случае источник излучения необходимо поместить в фокусе собирающей линзы (рис.1.7), а
Рис.6.7. 1- точечный источник света, D – диаметр оптической линзы
Рис.6.8. 1 – световой источник конечных размеров, θвх – угол расходимости первичного светового пучка, d – диаметр первичного светового пучка,θвых – угол расходимости передаваемого светового пучка, D – диаметр передаваемого светового пучка, F1 и F2 - фокусные расстояния линз
во втором – излучение от источника нужно пропустить через две собирающие линзы, расстояние между которыми равно сумме фокусных расстояний этих линз, причём F2> F1 , (рис.6.8).
Диаграмма направленности антенны описывает распределение мощности поля, излучаемого в различных направлениях пространства (измеряется в единицах мощности, приходящейся на единичный телесный угол). Ширина диаграммы направленности антенны (ДНА) определяется по угловым положениям её первых нулей. Основная часть излучаемой мощности сосредоточена в секторе пространства Ω между первыми нулями диаграммы направленности. Величина этого телесного угла связана с коэффициентом усиления (КУ) антенны, которая определяется как отношение максимальной плотности мощности, излучаемой антенной, к плотности мощности, излучаемой изотропной антенной.
P·4π =P·Ω ,
Ω=4π Pизотр /Pмакс =4π/К,
Отсюда находим К=4π/Ω – коэффициент усиления антенны.
После появления лазеров стали разрабатывать фазированные лазерные решётки (ФЛР). С помощью ФЛР решаются задачи:
– суммирование в некотором направлении полей излучения нескольких лазеров, с целью увеличения мощности излучения;
– сканирование оптического луча в пространстве;
– компенсация влияния турбулентности атмосферы на фазовое распределение в сечении луча на трассе передачи (адаптивные ФЛР)