Глава 7

МОДУЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

7.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ

Оптическая модуляция заключается в изменении одного из параметров лучистого потока по заданному закону. Ее применяют для ввода информации в излучение или для извлечения ее оттуда, а также для получения оптического сигнала с определенной зависимостью от времени. Придание потоку временного представления может происходить как в передающей, так и в приемной системах. В обоих случаях имеют место постоянные по знаку, а не знакопеременные (как в электронике) колебания, поэтому постоянная составляющая сигнала никогда не равна нулю.

С воздействием на излучение сигнала, несущего информацию, встречаются чаще всего в системах оптической связи, основанных на использовании лазеров. При этом возможны амплитудная, фазовая и частотная модуляции. Выбор того или иного вида модуляции зависит от характера передаваемой информации, необходимой глубины модуляции, мощности модулирующего сигнала, режима работы источника излучения (лазера) и других факторов. Наиболее распространена амплитудная модуляция, что объясняется технической простотой ее осуществления. Амплитудные модуляторы выполняют большей частью по схеме внешнего модулирующего устройства, которое модулируют уже сформированный луч. Реже встречаются амплитудные модуляторы, построенные по схеме внутреннего модулирующего устройства, непосредственно воздействующего на источник излучения. Основные требования, предъявляемые к модуляторам оптического диапазона, заключаются в широкополосности, малой потребляемой мощности, линейности модуляционной характеристики и большом динамическом диапазоне.

Оптические системы передачи информации могут работать в двух режимах модуляции: без поднесущей и с поднесущей. В первом режиме модуляцию производят непосредственно сигналом, несущим информацию. Во втором режиме сигнал, несущий информацию, модулирует СВЧ колебания, которые в дальнейшем используют для модуляции оптического излучения. В этом режиме можно реализовать полосы .передаваемых частот шириной до сотен мегагерц; модуляцию же непосредственно сигналом, несущим информацию, используют только в узкополосных каналах передачи информации.

Модуляцию оптического излучения с целью извлечения из него информации применяют в системах, предназначенных для автоматического сопровождения движущихся теплоизлучающих объектов или для определения их угловых координат. Служащие для этого модуляторы (в литературе их называют также модулирующими дисками, модулирующими диафрагмами, анализирующими диафрагмами) представляют собой тонкие пластины с определенным законом распределения пропускания, размещаемые в фокальной плоскости объектива. При перемещении модулирующей диафрагмы относительно оптического изображения объекта в цепи приемника излучения, расположенного за модулирующей диафрагмой, периодически возникают электрические сигналы, несущие информацию о положении объекта в поле зрения прибора. Путем электронной обработки этих сигналов выделяются напряжения, пропорциональные угловым координатам теплоизлучающего объекта.

Приемник воспринимает излучение не только от объекта, но и от окружающего его фона, причем характеристики излучения и пространственные размеры объекта и фона, как правило, различаются. Модуляция лучистого

потока, проходящего через оптическую систему к приемнику излучения, позволяет разделить сигналы, вызываемые малоразмерным объектом и протяженным фоном.

Таким образом, модуляция воспринимаемого лучистого потока позволяет решить следующие три задачи:

1) преобразовать лучистый поток от различных участков просматриваемого теплового поля в соответствующие сигналы, являющиеся функциями времени;

2) определить угловые координаты теплоизлучающего объекта, отличающегося по энергетическим характеристикам излучения от окружающего-фона;

3) отфильтровать сигналы, создаваемые малоразмерным объектом, от сигналов протяженного фона, т. е. осуществит так называемую пространственную фильтрацию (см. гл. 8).

Модулирующие диафрагмы имеют круглую форму и приводятся во вращение маломощным двигателем. Встречаются также конструктивные схемы с неподвижной диафрагмой, относительно которой вращается изображение источника излучения. Такие системы часто называют нутационными, а окружность вращения изображения - окружностью нутации. Нутационные системы дают возможность более гибко применять различные виды модуляции, но главным-их преимуществом является наличие несущей частоты при нулевом смещении-изображения относительно нейтральной точки.

Конфигурацией и взаимным расположением (сочетанием) прозрачных и-непрозрачных элементов модулирующей диафрагмы можно обеспечить все-известные виды модуляции.

Предположим, что лучистый поток, несущий полезную информацию, является функцией времени ф (t), которая может создаваться, например, за-счет сканирования в пространстве объектов или в плоскости изображения. Функция ф (t) модулируется по закону периодической функции к (1), которая определяется законом изменения пропускания модулирующей диафрагмы во-времени. Уравнение сигнала на выходе модулирующего устройства имеет видг

Фм (О = Ф (О (О-

Если функция у, (i) четная [ч-го легко осуществить, выбрав начало отсчета в середине процесса открытия или закрытия потока ф (0], то ее разложением. в ряд Фурье будет:

к (О = 2 м п=1

Спектр сигнала ф^ (t) на выходе модулирующего устройства

Фм(0))= J Фм(Оехр(-!а)г)Л= J ф (О

Хехр( -icoO-

Заменяя

cos nwt = 0,5 [ехр (i а) 0 -f ехр ( - incD /)],

находим

оо оо оо

Фм (со) = } о J ф (О ехр (-ico/) dt+O.SnJ J ф (О ехр [-i (to- Шм) (] di+-

- оо /1=1 (-оо

оо 1 оо

+ J Ф (О ехр [-i (<л+ п<Лм) (] rf4 = Xo Ф (cu)-f 0,5 2 [Ф (m-no;)- - J n=l

+ 2 Jin cos Ши X л=1

Таким образом, спектр промодулированиого сигнала является суммой спектра сигнала до его модуляции Ф (со) и совокупности п гармоник того же спектра Ф (со), взятых со сдвигом по частоте на величины сОщ, кратные частоте модуляции.

В отличие от радиотехнических систем средняя мощность модулированного сигнала меньше мощности сигнала до его модуляции, так как процесс оптической модуляции сводится к уменьшению лучистого потока по закону модулирующей функции. Отношение средней мощности модулированного, излучения, воспринимаемого приемником, к мощности излучения до его модуляции называют к. п. д. модуляции.

Наибольшая часть работ по модулирующем диафрагмам выполнена во время второй мировой войны и вскоре после ее окончания; лишь немногие из. них получили распространение (из-за секретности использования в военной технике). К настоящему времени раскрыты все основные вопросы конструирования и определения параметров модулирующих диафрагм, что позволяет дать их описание и отвести возражения тех, кто ошибочно считает, что вся данная тематика должна быть закрытой [18].

Простейшие типы модулирующих диафрагм осуществляют только периодическое прерывание лучистого потока, проходящего через оптическую систему. Это дает возможность повысить пороговую чувствительность прибора за счет применения электронных усилителей переменного тока с узкой-полосой пропускания вместо усилителей постоянного тока, с которыми связаны неприятные проблемы дрейфа нуля.

Первое использование модуляторов такого типа описано Пфундом в в 1928 г. [18]. Ои применил маятник с периодом колебаний 1,5 с для прерывания лучистого потока, падающего на термоэлемент. Последний был подсоединен к гальванометру, настроенному на колебания с периодом 1,5 с. В литературе 30-х годов содержатся многочисленные описания радиометров и спектрометров, в которых использован этот прием.

7.2. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Простейшим амплитудным модулятором является вращающаяся модулирующая диафрагма с определенным сочетанием прозрачных и непрозрачных элементов. Изображение источника излучения проецируется на диафрагму и при вращении последней излучение прерывается с определенной частотой, равной произведению числа модулирующих элементов на частоту вращения диафрагмы. Форма кривой модуляции зависит от размеров изображения источника излучения, спроецированного на диафрагму, и конфигурации ее-прозрачных элементов.

Предположим, что изображение источника излучения является равнояр-ким и имеет форму окружности радиусом г, а модулирующее отверстие диафрагмы перемещается поступательно относительно этого изображения-(рис. 7.1, а), тогда кривая модуляции / (х), изображенная на том же рисунке описывается уравнением [22]:

где О < X < 2г - координата, характеризующая положение модулирующего-отверстия относительно изображения источника излучения; / (х) = = о (х)/амако; о (х) - текущее значение площади изображения, просматриваемой через модулирующее отверстие; Оиаио = - максимальное значение о (х).

Если модулирующее отверстие квадрат со стороной 2г, а изображение-источника излучения - окружность радиусом г (рис. 7.1, б), то aj,a c = = Л/-2; О < X < 2г,

,.,={. .K)-.]-.]/.-(-j