Пространственно-временные модуляторы

Разработаны ЭУТ в виде электровакуумных приборов с электроннолучевым управлением пропускания функциональных устройств транспарантов. Одним из первых известных ЭУТ такого типа является ПВМС «Эйдофор», принцип действия которого поясняется на Рис. 9.

 

 

Рис.9. Принцип действия ЭУТ «Эйдофор»

 

Рабочая поверхность ПВМС «Эйдофор» выполнена в виде тонкой масляной (полимерной) пленки толщиной 0.2 - 0.6 мкм на поверхности стеклянной пластины. Под действием электронного пучка пленка испытывает локальные температурные деформации величиной около , что вследствие рефракции приводит к изменению направления светового луча, проходящего через данный участок пленки. Посредством теневой («шлирен») системы, включающей два объектива с установленной между ними в центре фокальной плоскости диафрагмой («ножом Фуко», выполняющим роль фильтра нулевых пространственных частот), обеспечивается амплитудная модуляция проходящего через пластину пучка света.

Хотя эффективность использования  энергии источника света здесь  невысока (около 1 %), система «Эйдофор» обладает высокими, около 30 линий/мм, разрешающей способностью, контрастом 1:100 и быстродействием - смена кадра происходит в течение 0.03 с. Такая система впервые использовалась для проекции ТВ-изображений на большой экран.

 

 

Рис. 10. ПВМС«Титус»

 

Другим примером электровакуумного  ЭУТ является ПВМС «Титус», в основе принципа действия которого лежит линейный электрооптический эффект Поккельса (Рис. 10). Пластина из электрооптического кристалла , находящегося при температуре - С (для охлаждения кристалла применяются термоэлементы Пельтье), сканируется электронным лучом, который создает заданный рельеф электрического потенциала (и соответствующее градиенту потенциала распределение локального электрического поля) вблизи поверхности кристалла. Под действием электрического поля, вследствие эффекта Поккельса, величина двулучепреломления в разных участках кристаллической пластины прямо пропорциональна величине продольной составляющей напряженности электрического поля,

 

 

Здесь - показатель преломления, - электрооптический коэффициент, - локальная напряженность электрического поля.

Пластина кристалла помещается между скрещенными линейными  поляризаторами и (Рис. 10), при этом распределение мощности излучения в плоскости сечения пучка света на выходе такой оптической системы представляется формулой

 

 

где - полуволновое напряжение, - разность потенциалов в области поверхности пластины. ЭУТ «Титус» может использоваться в качестве амплитудного, либо фазового (при отсутствии линейного поляризатора на выходе системы) пространственного модулятора с разрешающей способностью около 30 линий/мм, временем переключения 10 мкс, коэффициентом контраста 1:100.

 

Рис. 11 . Пьезокерамический ЭУТ

 

ЭУТ на основе электрооптической  керамики обладают преимуществами перед  электровакуумными ПМВС, благодаря  сравнительно низкой стоимости. Рабочим материалом здесь является пластина из поликристалла цирконата-титаната свинца, легированного лантаном, толщиной около 100 мкм. В такой пьезокерамике образуются области спонтанной электрической поляризации (домены), вектора ориентации которых в отсутствие внешнего поля расположены хаотично - Рис. 11. При прохождении света через такую пьезо-керамическую пластину состояние поляризации света изменяется незначительно, так как средняя величина двулучепреломления при этом близка к нулю. При действии внешнего электрического поля, что обеспечивается созданием потенциального рельефа решеткой прозрачных электродов на поверхности ЭУТ, направления векторов спонтанной поляризации доменов керамики выстраиваются вдоль вектора внешнего поля. Вследствие продольного электрооптического эффекта Поккельса в разных участках пластины средняя величина двулучепреломления становится отличной от нуля, что приводит к изменению поляризации света, проходящего через данный участок ЭУТ (Рис. 5). Пьезокерамические ЭУТ содержат до 10 000 ячеек размерами 0.3x0.3 мм, прозрачны в широком диапазоне длин волн 0.6 - 6.0 мкм, характеризуются высоким (1:500) контрастом и высокой, до 0.1 мс скоростью срабатывания.

 

Рис. 12. ОУТ «Фототитус»

 

Одним из первых оптически  управляемых ПМВС явился ОУТ «Фототитус», принцип действия которого поясняется на Рис. 12. В основе действия такого ОУТ лежит продольный электрооптический эффект Поккельса в тонкой, толщиной 0.15 мм, пластине кристалла БКБР. В отличие от ЭУТ «Титус», пространственный зарядовый рельеф вблизи поверхности кристалла создается не электронным пучком, а электрическими зарядами, возникающими в результате внутреннего фотоэффекта в слое фотопроводника - селена, находящегося в контакте с кристаллом. Между слоем селена толщиной 10 мкм и кристаллом БКБР расположено диэлектрическое зеркало (многослойное интерференционное покрытие) с высоким коэффициентом отражения на длине волны считывания 633 нм. Разность потенциалов прозрачных электродов, расположенных на внешних поверхностях ОУТ, около 100 В. Поглощение излучения на длине волны записи 300-400 нм вызывает образование электронов проводимости в слое селена, которые под действием внешнего электрического поля дрейфуют к границам пластины и создают требуемый пространственный зарядовый рельеф, следовательно, и различной величины продольное электрическое поле в пластине кристалла. В результате искусственного двулучепреломления в кристалле осуществляется пространственная модуляция поляризации излучения считывающего пучка света. ОУТ «Фото-титус» при апертуре 30 мм имеют разрешение до 40 линий/мм, контраст 1:100. Недостатком этого ОУТ является необходимость охлаждения кристалла до - С (ниже точки Кюри).

Примером ПВМС, в котором  используются как электрооптические так и полупроводниковые свойства одного кристалла является ОУТ «ПРОМ», принцип действия которого поясняется на Рис. 13.

Рис. 13. ОУТ «ПРОМ».

 

Основой ПВМС ПРОМ является пластина из высокоомного кристалла силиката либо германата висмута (В80) толщиной 100 мкм. По бокам пластины размещены слои изоляторов (органический диэлектрик парилен толщиной 3 мкм) и прозрачные электроды. В режиме записи при освещении участка кристалла синим или ультрафиолетовым светом ( = 442 нм) в результате внутреннего фотоэффекта образуются носители заряда, которые под действием внешнего поля дрейфуют к границам кристалла и захватываются ловушками, создавая в соответствующем участке кристалла заданный рельеф электрического потенциала. Локальное электрическое поле вследствие продольного электрооптического эффекта Поккельса создает искусственное двулучепреломление в кристалле, приводящее к фазовой или амплитудной (при использовании внешних поляризаторов) пространственной модуляции считывающего света на длине волны 633 нм. ОУТ «ПРОМ» характеризуется высоким контрастом (лучше 1:1000) и низким, до 10 линий/мм пространственным разрешением. Такие ПВМС обычно используются для преобразования некогерентного изображения в когерентное, например, на длине волны гелий-неонового лазера, равной 633 нм.

Помимо отмеченных типов  ПВМС, в настоящее время разработаны  и постоянно совершенствуются управляемые  пространственные модуляторы на основе термопластиков, жидких кристаллов, магнитооптических  материалов, полупроводниковых структур и др. Благодаря использованию  современных технологий оптики и  микроэлектроники, в последние годы в этих областях достигнуты весьма высокие характеристики таких устройств.

 

 

 

 

Разновидности пространственно-временной  модуляции локационных сигналов.

Временная модуляция  сигналов активной радиолокации

Закон временной модуляции  зондирующих сигналов влияет на разрешение по дальности и скорости, на точность их измерения. К модуляции зондирующих  сигналов относятся:

• излучение близких к непрерывным немодулированных сигналов;
• периодическая или непериодическая амплитудная импульсная модуляция зондирующего сигнала;
• импульсная модуляция с частотной модуляцией в пределах импульсов;
• импульсная модуляция с фазовой манипуляцией в пределах импульсов;
• частотная модуляция или фазовая манипуляция близких к непрерывным сигналов;
• многочастотное излучение импульсных сигналов и, в частности, излучение импульсов на различающихся частотах;
• комбинация перечисленных видов модуляции. Первые два сигнала называют простыми сигналами,

остальные - сложными сигналами.

Амплитудная импульсная модуляция зондирующего сигнала

Прямоугольные импульсы одинаковой амплитуды на входе приемника  сомкнуты. Внутри-импульсная модуляция отсутствует. Раздельно отфильтрованные в оптимальном приемнике импульсы имеют треугольную форму огибающей. Огибающие перекрываются на уровне 0,5. Максимум огибающей одного из импульсов накладывается на нулевое значение другого, при дальнейшем их сближении это уже не обеспечивается. Реальное разрешение несколько хуже из-за конечной ширины следа электронного луча, из-за неодинаковой амплитуды разрешаемых сигналов и т.д. Возможна в принципе и лучшая разрешающая способность, но при отказе от предельной дальности наблюдения целей на фоне шума. Автоматическое сопровождение целей по дальности. Широко используется наряду с визуальным наблюдением. Устройство сопровождения выбранной цели повторяет интуитивные действия человека-оператора. Прогнозируя положение движущейся цели, оператор сравнивает его с результатом текущего наблюдения и учитывает невязку при следующем прогнозе. Аналогично временной дискриминатор устройства АС сравнивает запаздывание текущего видеоимпульса u с прогнозированным. Для этого импульс перемножается в нем с опорным напряжением - стробом. Строб содержит два импульса противоположного знака - полустроба, временное положение которых устанавливается по прогнозу. Результат перемножения подается на интегрирующий усичитель. Его выходное напряжение не изменяется, если текущий импульс и соответствует прогнозированному. Если же импульс « пришел позже или раньше прогнозированного, напряжение производится по положению строба. Первоначальное положение строба задается оператором либо устройством автоматического захвата на АС. Сопровождение повышает точность и помехозащищенность измерения за счет накопления информации.

Другие разновидности  временной модуляции

В большинстве современных  радиолокаторов используют сложные  законы модуляции зондирующих сигналов, учитывая нереализованное в начале развития радиолокации обстоятельство. Потенциальная разрешающая способность  по времени запаздывания определяется в общем случае не длительностью  зондирующего сигнала, как это следует  из неоправданно распространенного  толкования. Произведение называют коэффициентом  широкополосности либо базой сигнала. Использование внутриимпульсной модуляции позволяет увеличить длительность зондирующих импульсов ги, а значит и излучаемую энергию при ограниченной пиковой мощности, не ухудшает, а даже улучшает разрешающую способность по дальности. Многочастотное излучение в каждом угловом направлении снижает, кроме того, вероятность замираний из-за «мерцания» целей, поскольку замирание на двух частотах менее вероятно, чем на одной. В последнее время выявилась возможность генерации крайне больших мощностей при крайне малых длительностях импульсов, обладающих широким спектром частот. Поэтому наряду с вариантом широкополосного генерирования импульсов обычной длительности обсуждается генерирование сверхкоротких видеомпульсов, нижние составляющие спектра которых отпадают при излучении и приеме. Этот путь сможет в определенной мере конкурировать с использованием сложных сигналов, если удастся обеспечить достаточную для решения локационных задач не только мощность, но и энергию излучения. Последнего можно ожидать для радиолокаторов малой дальности. Возможно, однако, дополнительное накопление энергии и в пространстве, но это связано с определенными технологическими усложнениями. Сигналом, обеспечивающим достаточно хорошие разрешение и измерение радиальной скорости, является близкий к гармоническому сигнал большой длительности. Эффект Доплера при отражении сигналов от движущейся цели сказывается при этом особенно отчетливо.

Примеры пространственно-временной  модуляции сигналов однопозиционной  активной радиолокации.

На характер совокупной пространственно-временной  модуляции сигнала наряду с законом  его временной модуляции в  передатчике может существенно  влиять закон изменения во времени  ориентации и параметров антенны. При  использовании зеркальных и вибраторных  антенн применяются методы кругового  и секторного обзора пространства по одной и двум координатам. Использовались ранее и продолжают использоваться в простейших случаях методы конического  и других видов двумерного развертывания  луча антенны. Своеобразные методы пространственно-временной  модуляции используют в случае применения антенн с частотным сканированием, антенных решеток, апертурного синтеза на основе взаимного перемещения локационных антенн и целей, а также локации с активным запросом и ответом.

Пространственно-временные  модуляторы света на основе структур металл—диэлектрик—полупроводник—жидкий кристалл

Пространственно-временные  модуляторы света (ПВМС) предназначены  для преобразования изображений  по спектру, когерентности и мощности. Они разрабатывались прежде всего для построения когерентно-оптических Фурье-спектроанализаторов изображений. Наиболее высокие характеристики ПВМС по всей совокупности требований, особенно по быстродействию, были получены на структурах металл—диэлектрик—полупроводник—жидкий кристалл (МДП—ЖК) из полуизолирующего арсенида галлия с монополярной диффузией. В таких приборах достигнута разрешающая способность ~100 лин/мм без разделения полупроводника на отдельные элементы методами фотолитографии.

В состав ПВМС (рис. 14) входят полупроводниковая пластина (толщина 100 мкм, диаметр 3—5 см) и жидкокристаллическая ячейка с ориентирующими покрытиями (толщина ЖК — 10 мкм). ЖК-ячейки отделяются от полупроводника диэлектрическим зеркалом и поглощающим черным слоем. Все эти слои помещены между прозрачным стеклом и волоконно-оптической пластиной (ВОП) толщиной 1 см с прозрачными проводящими электродами. ВОП на входе ПВМС требуется для его стыковки с малогабаритными электронно-лучевыми трубками и электронно-оптическими преобразователями (ЭОП), которые на выходе снабжены также ВОП. При этом достигаются минимальные потери энергии излучения люминофора.

Рис. 14. Конструкция ПВМС на основе структуры МДП—ЖК:

1 — волоконно-оптическая  пластина; 2 — прозрачный электрод; 3 — оптический клей; 4 — полупроводниковая  пластина; 5 — поглощающий слой; 6 — диэлектрическое зеркало; 7 —  ориентирующий слой; 8 — диэлектрические  прокладки; 9 — жидкий кристалл; 10 — прозрачный электрод; 11 — стеклянная  подложка; 12 — омический контакт; 13 — входное изображение; 14 —  выходное изображение; 15 — луч  опроса