Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Описанные выше методы преобразования оптических сигна­лов в электрические с помощью фотодетекторов на основе внеш­него или внутреннего фотоэффекта получили название прямого детектирования, или энергетического фотоприема. Однако су­ществует, экспериментально исследуется и все чаще применя­ется на практике другой способ — гетеродинный фотоприем.

Принципиальная схема гетеродинного фотоприемника изо­бражена на рис. 41. В его состав входит гетеродин — источник монохроматического оптического излучения с частотой vr, близ­кой к частоте принимаемого сигнала vc. Оба сигнала — прини­маемый и гетеродинный — одновременно поступают на фотоде­тектор, тип которого может быть любым, лишь бы время его инерции было меньше периода колебаний разностной частоты

Т =————- . Роль гетеродина чаще всего играет маломощный

| Vr — Vc I

лазер с непрерывным излучением высокой спектральной чи­стоты (монохроматичности); это качество более всего присуще газовым лазерам.

В результате интерференции оптических полей гетеродин­ного и принимаемого сигналов (для чего необходима взаимная параллельность волновых фронтов и одинаковость поляризации обеих волн) на чувствительную площадку фотодетектора воз­действует результирующее поле, амплитуда которого изменя­ется с разностной частотой | vr—vf |. В фототоке детектора также возникает составляющая разностной частоты, величина

которой, как показывает анализ, определяется формулой

1Р = -^-У2РЖ, (3.18)

Av

где Рг и Рс — соответственно оптическая мощность гетеродина •и сигнала; е — заряд электрона; h — постоянная Планка; v — частота колебаний сигнала или гетеродина (различием между vr и vc в данном случае можно пренебречь ввиду его малости); Л КВ квантовый выход фотодетектора.

В случае приема слабых сигналов Рг~>Рс и, как видно из формулы (3.18), за счет мощности гетеродина происходит как бы усиление сигнала в фотодетекторе. Величина этого усиления

пропорциональна ^и может быть весьма значительной.

Предельно допустимая мощность гетеродина определяется угро­зой перегрузки фотодетектора из-за его нагрева гетеродинным излучением и других причин; типичные значения Рг имеют по­рядок 10~3 Вт.

Шумы гетеродинного приемника при отсутствии фона и флуктуаций мощности гетеродина определяются выражением

= -т^— А/. (3.19)

^Пкв

где все величины имеют тот же смысл, что и в формуле (3.17). Сравнение формул (3.17) и (3.19) показывает, что при одина­ковом квантовом выходе фотодетектора шумы гетеродинного приемника меньше, чем в случае прямого (энергетического) фо­топриема. ‘

Напряжение с частотой |vr—vc|, возникающее на сопротив­лении нагрузки фотодетектора при протекании по нему тока /*>, представляет собой сигнал промежуточной частоты. Этот сиг­нал обычно усиливается последующим усилителем промежуточ-, ной частоты, подвергается детектированию с помощью радиоча­стотного детектора (промежуточная частота |vr—vc| обычно имеет порядок 107—109 Гц, т. е. лежит в радиочастотном диа­пазоне) и превращается в сигнал переменного тока, форма ког торого отражает форму огибающей оптического сигнала.

Для получения гетеродинного сигнала не обязательно ис­пользовать отдельный лазер. В тех случаях, когда приемное и передающее устройства совмещены в одной установке, что обычно имеет место для аппаратуры локационного типа, даль­номеров и т. п., гетеродинный сигнал можно получать путем от­вода некоторой части излучения передатчика и смещения ча­стоты отведенного излучения на требуемую величину, равную выбранной промежуточной частоте. Такое смещение можно осу­ществить, в частности, при помощи акустооптических устройств, упомянутых выше (§ 12). Другим способом образования гетеро­динного сигнала является создание доплеровского сдвига ча­стоты излучения лазера за счет отражения от движущегося зер­кала; именно это, например, имеет место в интерферометрии при измерении перемещений (см. §§ 6 и 17).

В некоторых случаях частоту гетеродина выбирают равной частоте сигнала. Разностная (промежуточная) частота при этом равна нулю, а в токе фотодетектора непосредственно содер­жится составляющая, пропорциональная амплитуде огибающей модулированного оптического сигнала. Такой фотоприемник на­зывается гомодинным; в нем сохраняются достоинства гетеро­динного приема (усиление сигнала в фотодетекторе за счет мощности гетеродина и малый собственный шум) и отсутствует надобность в усилителе промежуточной частоты. Гомодинный прием рассматривается как частный случай гетеродинного приема.

Недостатками гетеродинного приема являются весьма жест­кие требования к точности совмещения фронтов гетеродинной и сигнальной волн, а также к относительной стабильности их частот. Во многих практических случаях выполнение этих тре­бований оказывается сложным делом. Кроме того, при распро­странении оптического излучения в атмосфере из-за турбулент­ности воздуха возникают нестационарные искажения формы волнового фронта, снижающие эффективность гетеродинного приема и вызывающие дополнительные шумы. Степень этих трудностей возрастает с уменьшением длины волны излучения, поэтому пока гетеродинный прием используется преимущест­венно для регистрации сигналов сравнительно длинноволновых излучателей, например, СОг-лазеров.

Комментарии запрещены.