Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Детектирование света

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СВЕТА - нелинейное преобразование оптич. излучения видимого и ИК-диапазонов частот (10¹⁵-10¹³ Гц) в электрич. сигнал в виде последовательности одноэлектронных импульсов или колебаний тока радиочастотного диапазона, несущий информацию о параметрах оптич. излучения (интенсивности, частоте, фазе). Д. с. осуществляется с помощью фотоприёмников (фоторезисторов, фотодиодов, фотоумножителей), для к-рых характерна нелинейная (обычно квадратичная) зависимость фототока от напряжённости электрич. поля световой волны EС. Д. с. применяется в системах оптич. связи, оптич. локации, оптич. обработки информации, а также в спектроскопии, интерферометрии, голографии и т. п. Осн. разновидности Д. с.- прямое детектирование и гетеродинирование. Прямое детектирование. В устройствах прямого детектирования на фотокатод приёмника поступают только полезный оптич. сигнал и фоновое излучение (рис. 1). Для повышения уровня сигнала относительно уровня фона перед приёмником иногда помещают полосовой оптич. фильтр и усилитель. В результате прямого детектирования изменения интенсивности принимаемого излучения, усреднённые по времени за время (периода оптич. колебаний) и по площади фотокатода приёмника, преобразуются в изменения мощности выходного электрич. сигнала. В силу статистич. характера фотоэмиссии при детектировании возникает шум, характеризуемый неопределённостью числа фотоэлектронов, эмитируемых фотокатодом ("фотонный шум"). Этот шум складывается с шумом фонового излучения и темнового тока, генерируемого внутри приёмника, а также с тепловыми шумами нагрузки. Эти шумы ограничивают чувствительность устройств Д. с. Для выделения информативного параметра из дробовых и тепловых шумов выходной электрич. ток приёмника подаётся на обрабатывающее устройство радиочастотного диапазона, напр. НЧ-фильтр. Устройства прямого детектирования не чувствительны ни к частоте, ни к фазе, ни к углу падения на фотокатод несущей оптич. волны. Информативным параметром при прямом детектировании является только амплитудная модуляция несущей принимаемой волны. В нек-рых системах оптич. связи несущая модулируется по интенсивности высокочастотной поднесущей, к-рая, в свою очередь, модулируется информац. сигналом.

Рис. 1. Схема устройств прямого и гетеродинного детектирования.

Эффективность устройств Д. с. оценивают величиной отношения сигнала к шуму (с/т). Предельное значение отношения

где - квантовый выход приёмника, Р_с - ср. мощность несущей волны на поверхности фотокатода, w_с - круговая частота несущей волны, - полоса пропускания радиотехн. обрабатывающего устройства. Это значение достигается в случае т. н. фотонного ограничения, когда отсутствует фоновое излучение, а всеми др. шумами, кроме фотонного шума, можно пренебречь. Величина отношения с/ш, так же как и величина среднего выходного тока приёмника, не зависит от степени пространственной когерентности принимаемого излучения.

Гетеродинирование. В устройствах Д. с., работающих по принципу гетеродинирования, принимаемое оптич. излучение Е_с(t)комбинируется на фотокатоде приёмника с опорным излучением E_oп(t)(рис. 1). В идеализиров. случае обе волны можно считать плоскими монохроматическими:

Здесь - амплитуды, круговые частоты и нач. фазы соответственно принимаемой (сигнальной) и опорной волны, с - скорость света. Учтено, что сигнальная волна падает нормально к фотокатоду, а опорная волна -под углом к нему (рис. 2). Фоновое излучение принято пренебрежимо малым.

Результирующее поле на фотокатоде , а ток I приёмника, усреднённый за время, малое по сравнению с периодом биений , но большое по сравнению с периодом , и по площади фотокатода приёмника, пропорционален E² и содержит переменную составляющую на разностной частоте . В случае, если фотокатод однороден и имеет форму квадрата со стороной а, выражение для фототока имеет вид

где - коэф. усиления фотоприёмника.

Из этого выражения видно, что при гетеродинном приёме переменная составляющая выходного сигнала несёт информацию не только об амплитуде, но также о частоте и фазе принимаемой волны при условии, что амплитуда, частота и фаза опорного излучения известны. Эффективность гетеродинирования существенно зависит от степени когерентности сигнального и опорного излучений, а также от степени совмещения их волновых фронтов, т. к. величина переменной составляющей зависит от угла . Она максимальна при и уменьшается до нуля при , что при характерных значениях w_С=2*10¹⁵ рад/с и а=10^-2 м составляет всего лишь 10^-4 рад . T. о., для того чтобы добиться эффективного гетеродинирования, необходимо выполнять жёсткое требование на пространственное согласование двух волн на поверхности фотокатода, к-рое тем выше, чем меньше длина волны излучения. Однако, несмотря на это усложнение, гетеродинирование широко используется, т. к. даёт возможность выделять очень слабые оптич. сигналы, даже при наличии внутренних тепловых шумов приёмника, путём повышения интенсивности опорного излучения. (Это следует из того, что амплитуда переменной составляющей пропорциональна произведению амплитуд сигнальной и опорной волн.)

Рис. 2. Сложение сигнальной и опорной волн на фотокатоде приёмника гетеродинного устройства.

Отношение с/ш гетеродинного устройства определяется выражением

где P_оп - ср. мощность опорной волны. При возрастании Pоп отношение с/ш достигает предельной величины, в два раза большей, чем в случае прямого детектирования. При уменьшении P_оп отношение с/ш при 1 достигает значения, к-рое имеет место при прямом детектировании.

Возможность гетеродинирования света впервые обсуждалась в 1947 Г. С. Гореликом, экспериментально реализована в 1955 А. Т. Форрестером (A. Th. Forrester) с сотрудниками, впервые наблюдавшими дублетное расщепление (вследствие эффекта Зеемана) линии ртути =546,1 нм. В этом опыте наблюдаемое абсолютное спектральное разрешение по частоте было 10¹⁰ Гц (относит. разрешение 10⁵).

Гетеродинирование с помощью лазеров. Большое распространение метод гетеродинирования получил после создания лазеров. Высокая степень когерентности, монохроматичность и направленность лазерного излучения позволяют получать высокую эффективность гетеродинирования со сверхвысоким частотным разрешением выходного сигнала (R~1014), что особенно важно в лазерной спектроскопии светорассеяния. В гетеродинных спектрометрах рассеянное на исследуемом образце лазерное излучение смешивается с опорным излучением, в качестве к-рого обычно используется либо часть излучения зондирующего лазера, как это показано на рис. 3, либо излучение другого - гетеродинного лазера, привязанного по частоте к зондирующему.

Рис. 3. Схема гетеродинного лазерного спектрометра: 1-3 - диафрагмы; 4, 5 -линзы; 6,7 - глухие зеркала; 8 - объект; 9, 10 - поворотные зеркала; 11 - фотоприёмник.

Разрешение гетеродинных спектрометров определяется рядом факторов, приводящих к уширению частотных компонент в спектре выходного сигнала. Это - конечность телесного угла сбора рассеянного излучения , определяемого апертурами диафрагм, конечность полосы радиотехн. обрабатывающего устройства, неточность привязки по частоте зондирующего и гетеродинного лазеров и т. д. Из перечисленных факторов основным является первый, т. к. уширение спектральных компонент за счёт остальных факторов может быть сделано <1 Гц. Для малых углов рассеяния уширение, вызванное неопределённостью в угле сбора рассеянного света, составляет величину , где f - частотное смещение линии рассеянного света, - угол рассеяния. Напр., в случае рассеяния Мандельштама - Бриллюэна на ультразвуке Гц, в случае рассеяния на органоидах протоплазмы, движущейся в живой клетке, Гц. При характерных значениях 10^-2 рад (~30') и рад (3') соответствующие уширения равны МГц и Гц. Они и определяют абс. значения разрешения. Относит, разрешение соответственно равно 10⁸ и 10¹⁴, что недостижимо никакими средствами спектрального анализа на оптич. частотах.

В гетеродинных системах лазерной связи и в гетеродинных интерферометрах (см. Интерферометр интенсивности), применяющихся для астр. наблюдений, обычно используют ИК-излучение с длиной волны 10 мкм. В этом диапазоне по сравнению с видимым уменьшаются искажения, вносимые турбулентной атмосферой, облегчается выполнение условий пространственного согласования волн, и в этой области в атмосфере имеется окно прозрачности. Абс. разрешение в данном случае составляет 0,2 Гц.

Радиоприемник является одним из наиболее распространеных радиотехнических устройств, значение которого в экономической, социальной и культурной жизни людей огромно. Радиосвязь невозможна без радиоприемника, с изобретения которого практически началась эра радио. Радиоприем является не только важнейшей, но и наиболее трудной задачей радиотехники. Поэтому предмет! «Радиоприемные устройства» является одним из профилирующих, без его изучения нельзя стать грамотным специалистом в области радиотехнике.

Назначение, структура и принцип действия радиоприемного устройства:

Любое передаваемое на расстояние сообщение в системе связи сначала преобразуется в электрический сигнал, изменяющийся соответственно этому сообщению. Непосредственно, без проводов, этот сигнал передан получателю быть не может. Поэтому в системах радиосвязи и радиовещания электрический сигнал управляет радиочастотными колебаниями. Эти колебания, несущие передаваемое сообщение и называемыми модулированными, преобразуются в радиоволны, распространяющиеся в пространстве без специальных направляющих систем (проводов или волноводов). Назначение радиоприемного устройства (РПУ)- обеспечить воспроизведение передаваемого сообщения при воздействии на него радиоволн, поступающих от радиопередающего устройства. Сообщение воспроизводится в РПУ на основе той информации, которая заключена в модулированном колебании. Поэтому в РПУ необходимо осуществить преобразование принятого колебания. Современное РПУ должно обеспечить прием нужного сигнала в фоне колебаний от всевозможных посторонних источников, называемых помехами. При этом мощность помех, действующих на РПУ, может превышать мощность требуемого сигнала в миллионы раз, что, естественно, затрудняет его прием.

Основные функции РПУ:

1. Улавливание радиоволн;

2. Преобразование принятого радиочастотного колебания в напряжение (или ток), изменяющегося в соответствие с переданным сообщением; для этого требуется осуществить фильтрацию сигнала от помех, его усиление и детектирование;

3. Воспроизведение переданного сообщения в виде звука, изображения на экране, записи текста и т.п.

Основные функции РПУ определяют и его составные элементы: антенну, собственно радиоприемник и воспроизводящие устройство. В простейшем, но наиболее распространенном случае, РПУ содержит одну антенну и один радиоприемник. Для этого случая, который называется одинарным приемом, структурная схема РПУ представлена на рис. 1.1. Антенна улавливает сигнал радиоволны и преобразует энергию радиоволн энергию тока той же частоты. Радиоприемник осуществляет преобразование модулированных радиочастотных колебаний в электрический сигнал, отображающий передаваемое сообщение. Часть радиоприемника от его входа до детектора называется радио трактом. Так как уровень полезного колебания на входе приемника, как правило, мал, то одной из основных функций радио тракта является усиление этого колебания до уровня, необходимого для нормальной работы детектора.

В результате воздействия на антенну электромагнитных волн от ряда радиостанций на входе приемника действует иного колебаний с различными частотами. Только одно из них полезное, остальные-мешающие. Функция радио тракта, кроме усиления сигнала,- выделить полезное колебание и подавить мешающие, что достигается использованием в нем частотно-селиктивных цепей. При этом усиление полезного колебания в радио тракте должно обеспечивается по возможности без его искажений; иначе говоря, радио тракт приемника должен быть линейным устройством. Последующие преобразование радиосигнала с выхода радио тракта осуществляется в детекторе радиоприемника. Детектор является Устройством, создающим на своем выходе напряжение, которое изменяется в соответствии с законом модуляции того или иного параметра радиочастотного колебания и, таким образом, воссоздающим модулирующий переданный электрический сигнал. Например, если используется амплитудная модуляция, то напряжение на выходе детектора отслеживает за изменением амплитуды входного колебания. В последетекторной части радиоприемника происходит усиление продетектированного сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы воспроизводящего устройства. В некоторых РПУ в этой части осуществляется дополнительное ослабление помех.

Воспроизводящее устройство воссоздаёт переданное сообщение под действием усиленного продетектированного сигнала. Для воспроизведения звукового сообщения используются громкоговорители или телефоны; для воспроизведения изображения – электронно-лучевые трубки; для воспроизведения радиотелеграфных передач – буквопечатающие аппараты и т.д.

Радиоприемное устройство может принимать не одно сообщение, а несколько. В этом случае оно называется многоканальным. В таких РПУ после детектирования получается групповой сигнал, который несет ряд независимых сообщений. Для разделения этих сообщений по отдельным каналам в РПУ предусматривается разделитель каналов (рис 1.2). в многоканальном РПУ могут воспроизводится как однородные сообщения, так и разнородные (например звук и изображение в телевизионном приемнике). В состав РПУ может входить несколько антенн и радиоприемников. Это связанно с тем что при реальном радиоприеме в ряде случаев уровень сигнала в антенне РПУ меняется из-за непостоянства условий распространения. При этом говорят о замираниях сигнала. Для борьбы с замираниями сигнала применяется сдвоенный, строенный прием и т.д. суть сдвоенного приемника поясним с помощью структурной схемы РПУ (рис. 1.3). Радиоприем одного итого же сообщения обеспечивается с помощью двух антенн и двух радиоприемников. Если антенны разнесены в пространстве на расстоянии более десяти длин волн, то замирания сигнала в каждой антенне будут происходить практически независимо друг от друга. При этом в каждый момент времени уровни принимаемого сигнала на выходе приемников различны. Устройство комбинирования сигналов выбирает и подает на воспроизводящие устройство сигнал более высокого уровня.

Классификация детекторов.

Детектором называют устройство, служащее для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции одного из параметров входного сигнала. Детекторы можно классифицировать по характеру входного сигнала и виду параметра, который подвергался модуляции; по способу выполнения и т.д.

Радиосигналы можно подразделить на три основные группы:

1. Непрерывные гармонические (рис. 2.1), в которых передаваемое сообщение заложено в модуляции одного из следующих параметров гармонического колебания: амплитуды Uвх, частоты fвх, фазы jвх. В зависимости от вида модуляции детектируемого сигнала различают амплитудные (АД), частотные (ЧД) и фазовые (ФД) детекторы;

2. Радиоимпульсные сигналы (рис. 2.2), в которых сообщение передается с помощью модуляции одного из следующих одного из следующих параметров сигнала: пикового напряжения Uпик, частоты fвх, длительности импульса tи, (широтно-импульсная модуляция – ШИМ), времени начала импульса tни, (временная импульсная модуляция –ВИМ). Для детектирования подобных сигналов используют детекторы импульсов;

3. Видеоимпульсные сигналы (рис. 2.3); модуляция в видеоимпульсах может осуществляется изменением пикового значения импульса Uпик, (амплитудно-импульсная модуляция – АИМ), длительности импульса tни, (ВИМ или ФИМ); возможно изменение комбинации импульсов в группе – импульсно-кодовая модуляции (ИКМ). Детектирование подобных сигналов осуществляется детекторами видеоимпульсов. Детектор, реагирующий на пиковое значение видеоимпульса, называют пиковым.

Принцип действия и структурные схемы частотных детекторов.

Частотным детектором (ЧД) называют устройство, служащее для получения напряжения, изменяющегося в соответствии с законом изменения частоты входного сигнала. На выходе детектора действует напряжение изменяющей частоты uвх =Uвх coswвх (t)t (рис. 3.1). Если угловая частота сигнала на выходе ЧД меняется, например, по закону wвх(t)= wн - wmaxcosWt (рис. 3.2), где wн – угловая частота несущего колебания, wmax девиация угловой частоты входного сигнала, W - угловая модулирующая частота, то согласно определению напряжение Eд выходе ЧД должно меняться в соответствии с рис.3.3.

Поскольку спектр напряжения на выходе ЧД содержит частотные составляющие, которых не было в спектре входного сигнала, ЧД нельзя реализовать с помощью линейной цепи с постоянными параметрами, так как на её выходе не могут возникать новые частотные составляющие. ЧД нельзя создать и с помощью безынерционной нелинейной цепи. Действительно, если в качестве безынерционной используют диод, то при действии на его входе ЧМ – колебания импульсы тока диода содержат постоянную составляющую, уровень которой зависит только от амплитуды этого колебания, но не от его фазы и частоты.

Частотное детектирование осуществляется в устройствах, соединяющих в себе линейные и безынерционные нелинейные системы. Принцип частотного детектирования состоит в преобразовании ЧМ – колебания в нелинейной системе в колебание с другим видом модуляции с последующим детектированием преобразованного колебания безынерционной нелинейной цепью. Общая структурная схема ЧД показана на рисунке 3.4, а амплитудный ограничитель служит для устранения паразитной амплитудной модуляции ЧМ – колебания. Можно выделить однотактные и двухтактные (балансные) ЧД. На рисунке 3.5 дана характеристика детектирования однотактного ЧД Eд=F(wвх), которая не заходит в область отрицательных значений Eд.

Преобразовать ЧМ- колебание можно в следующие виды колебаний:

1. В амплитудно-частотно-модулированное (АЧМ) колебание, у которого амплитуда меняется в соответствии с изменением частоты колебания. Это преобразование можно осуществить в линейной цепи с реактивными параметрами, зависящими от частоты. После линейной цепи АЧМ –колебание детектируется в АД;

2. В фазочастотное колебание с последующим фазовым детектированием;

3. В импульсы с переменной скваженностью с последующим детектированием

импульсным детектором, напряжение на выходе которого пропорционально

длительности импульсов, и т.д.

Структурная схема балансного ЧД показана на рисунке 3.6,а его характеристика детектирования – на рис. 3.7. устройство имеет два детектора преобразованного напряжения и цепь вычитания. Преимущества такого ЧД по сравнению с небалансным следующие:

1. Характеристика детектирования более линейная, поскольку четные гармоники в балансной цепи компенсируются;

2. Характеристика детектирования проходит через нуль, поэтому напряжение Eд соответствует знаку отклонения угловой частоты wвх от несущего значения wн.

Это дает возможность использовать балансные ЧД в цепях автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Заключение

Современный приемник является сложным радиотехническим устройством, включающим в себя различные специальные каскады и узлы. Теория и техника быстро совершенствуются. Это требует от специалистов посстоянного изучения современной технической литературы. Развитие теории и техники радиоприема характеризуются в основном тремя взаимосвязанными направлениями.:

• Первое состоит в освоении все более высокочастотных диапазонов. Совершенствуются как радиоприемники сантиметровых волн, что связанно с исследованиями в глубоком космосе и ростом значения спутниковых систем связи, так и приемники миллиметровых волн для радиолинейной связи и радиолокации. Все большее значение приобретает приемная аппаратура лазерных систем связи. Однако не уменьшается возможность дальнейшего развития радиоприемников прежних частотных диапазонов. Так, коротковолновые радиолинии и будут играть важную роль как средство магистральной, зоновой, подвижной и производственно-диспетчерской связи общего и ведомственного пользования.
• Второе направление связанно с развитием элементной базы приемников всех назначений. Повышение технического уровня радиоприемной аппаратуры достигается за счет функционально-узлового метода конструирования с использованием интегральной технологии. Такие приемники обладают высокой надежностью, малыми габаритами и энерго потреблением, высокими экономическими и качественными показателями;
• Третье направление связанно с широким применением цифровых устройство обработки сигналов: фильтров, демодуляторов, синтезаторов частот, систем настройки и индикации принимаемой частоты и т.д. От уровня развития радиоприемной техники во многом зависит качество работы, надежность и эффективность радиосистем.

Демодуляция (Детектирование сигнала) — процесс, обратный модуляции колебаний, преобразование модулированных колебаний высокой (несущей) частоты в колебания с частотой модулирующего сигнала.

Для передачи энергии электромагнитной волны используются высокочастотные колебания, а колебания низкой частоты используются для модуляции (слабого изменения амплитуды или фазы) высокочастотных колебаний. На принимающей станции из этих сложных колебаний с помощью специальных методов снова выделяют колебания низкой частоты, которые после усиления подаются на громкоговоритель. Этот процесс выделения информации из принятых модулированных колебаний получил название демодуляции, или детектирования колебаний.

Источники информации:

1. http://school.xvatit.com/index.php?title=%D0%9C%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%B8_%D0%B4%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5

2. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/83711/Детектирование

3. http://femto.com.ua/articles/part_1/0974.html

4. http://works.tarefer.ru/71/100028/index.html

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C4%E5%EC%EE%E4%F3%EB%FF%F6%E8%FF