Методи компенсацій фазових спотворень
Ідея методу фазового спотворення, її головний зміст та значення. Фокусування випромінювання в умовах турбулентної атмосфери на об'єкт. Формування світлових пучків із заданими властивостями. Метод амплітудного зондування. Багатоканальна фазова модуляція.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | реферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 09.03.2011 |
| Размер файла | 208,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МЕТОДИ КОМПЕНСАЦІЙ ФАЗОВИХ СПОТВОРЕНЬ
1. Метод фазового спотворення
Ідея методу фазового спотворення є в адаптивної оптики однієї з основоположних. Метод фазового спотворення виходить з принципу оптичної оборотності хвиль, що через одні і ті ж неоднорідності. Принцип оптичної оборотності працює в наближенні геометричної оптики, коли довжина хвилі набагато менше розміру неоднорідностей .
Якщо напрями розповсюдження двох хвиль прямо протилежні, а просторовий розподіл фаз і амплітуд цих хвиль ідентичні, то їх хвилеві фронти називаються оберненими. Хвиля з оберненим хвилевим фронтом, розповсюджуючись крізь середовище, йде у зворотному напрямі в точності по тому ж самому шляху яким би складним він не був.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Мал. 1 |
У наближенні геометричної оптики його можна сформулювати так: якщо хвилю, де що пройшла ділянку з неоднорідним показником заломлення, послати назад по тому ж самому шляху, замінивши фазу цієї хвилі на, то на виході з середовища хвиля відновить свій первинний неспотворений фазовий профіль. Заміна фази на еквівалентна операції комплексної амплітуди хвилі: . Цим пояснюється назва методу фазового спотворення.
Хай плоска хвиля проходить ділянку оптично неоднорідного середовища, наприклад шматок скла. В результаті фаза хвилі спотворюється і на виході з середовища набуває характерної западини (позначилося відносне збільшення оптичної довжини шляху і часу розповсюдження хвилі через скло). При віддзеркаленні від звичайного дзеркала запізнювання на особливій ділянці зберігається і при повторному проходженні фазова неоднорідність подвоюється. Для того, щоб компенсувати первинне відставання по фазі при зворотному розповсюдженні, необхідно обернути фазу, тобто сформувати хвилю з профілем фази . Фаза цієї хвилі на місці западини має виступ, рівний їй по значенню. Ця особлива ділянка тепер уже випереджає по фазі інші. Після повторного проходження хвилею неоднорідності випереджаюча ділянка відстане по фазі рівно настільки, щоб компенсувати введене. Хвиля в результаті двократного розповсюдження залишиться плоскою.
2. Фокусування випромінювання в умовах турбулентної атмосфери на об'єкт
Відмітимо, що наближення геометричної оптики дозволяє розглядати не тільки плоскі хвилі. (впливом дифракційних ефектів і у разі лінійного середовища). Це витікає з принципу адитивності фазових флуктуацій. Фазові флуктуації в кожній точці апертури визначаються лише неоднорідностями показника заломлення уздовж променя і не залежать від характеристик хвилі, що самої розповсюджується.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Мал. 2 |
Проілюструємо метод за допомогою схеми, зображеної на малюнку Хвиля, що випромінює передавачем, освітлює мішень, яку для простоти вважатимемо точковою. Неоднорідності показника заломлення середовища на трасі пучка викликають нестаціонарне в часі розширення фокальної плями і його. В результаті інтенсивність на мішені далека від відповідного значення у вакуумі. Від точкової мішені у зворотному напрямі розповсюджується сферична хвиля, що розходиться. Цю хвилю можна використовувати як опорної. Якщо за допомогою деякого пристрою хвилевого фронту сформувати хвилю, фаза якої в кожен момент часу зв'язана з фазою опорної хвилі, тобто те при її розповсюдженні фазові неоднорідності компенсуватимуться. В результаті випромінювання сфокусується на мішені оскільки якби фазових неоднорідностей не було зовсім.
Оптична оборотність є очевидною лише у разі геометричної оптики. У реальних вона виходить із збігу рівнянь, що описують розповсюдження випромінюючої хвилі і хвилі з комплексно-зв'язаною амплітудою, але що розповсюджується у зворотному напрямі. Для збігу цих рівнянь необхідний збіг граничних умов. У фокусування випромінювання для компенсації фазових спотворень необхідно сформувати світлову хвилю, подібну хвилі, розсіяною точковою мішенню, але що розповсюджується у зворотному напрямі. Таким чином, на приймально-передавальній апертурі адаптивної системи необхідно виконати граничну умову:
(1)
- алгоритм хвилевого фронту.
Тут - радіус-вектор в площині, перпендикулярній осі розповсюдження світлової хвилі, і - комплексні амплітуди електричного поля випромінюючої і розсіяної (опорної) хвиль, - постійний коефіцієнт.
Умову можна переписати у вигляді двох співвідношень, що зв'язують амплітудні і фазові профілі:
- метод фазового спотворення с
де - фазовий профіль випромінюючої хвилі, - фаза розсіяного поля, - початковий розподіл амплітуди.
Амплітудний профіль випромінюючої хвилі фіксований і практично реалізують лише умову зв'язуючи фазові профілі. Це і є метод фазового спотворення.
Ведемо позначення: - довжина траси, оптимальне значення нормованої пікової інтенсивності на мішені (досягається при довжині траси рівної радіусу кривизни хвилевого фронту (параболічному профілі фази випромінюючої хвилі)). - дифракційно-обмежена пляма на об'єкті (ширина відблиску), відповідає фокусуванню випромінювання на необмежену плоску дзеркальну поверхню, мінімальний її розмір . - діфракційная довжина або розмір зони Френеля.
Розглянемо випадок .
Мішень, на яку необхідно сфокусувати випромінювання, часто не точковою. Для протяжних мішеней фазово-сопряженная корекція є ітераційним процесом (що сходиться за кілька разів). Після першої корекції фази іншим буде і розподіл поля на об'єкті, а значить, і фаза розсіяного поля. Вона як і раніше є параболічною, О, значення радіусу кривизни інше. Далі все повторюється спочатку. Послідовна корекція фази відбуватиметься до тих пір, поки не стануть рівними радіуси кривизни випромінюючої і розсіяної хвиль. (Для точкової мішені достатньо однієї ітерації.)
Число ітерацій, необхідне для виходу системи на стаціонарний режим, є важливою характеристикою роботи адаптивної системи. По числу ітерацій можна оцінити можливий час адаптації , де - характерний час відгуку системи на зміну профілю фази випромінюючої хвилі (швидкодія системи). Однією з обов'язкових умов ефективної роботи адаптивної системи трохи часу адаптації в порівнянні з характерним часом «замороженості турбулентності».
При існує лише одне максимальне значення інтенсивності до якого сходиться процес. При процес може сходиться до оптимального значення інтенсивності, а може до локального екстремуму. В цьому випадку роль має вибір початкового наближення фазового спотворення профілю, що забезпечує збіжність алгоритму фазового спотворення до значення пікової інтенсивності. При зменшенні розміру блискучої плями на мішені підвищується ефективність адаптації.
Час збіжності т залежить від початкових умов.
3. Об'єкт багатовідблиску
Реальні протяжні об'єкти можуть мати безліч бликуючих з різними коефіцієнтами. Досліджуємо ефективність алгоритму фазового спотворення в цьому випадку.
Введемо безмірний параметр, рівний відношенню відстані між відбивачами до діаметру дифракційно-обмеженої плями на об'єкті .
1. слабка дифракція відповідає роботі адаптивної системи по кожному з відбивачів незалежно.
сильна дифракція відбивачі не вирішуються передавальною апертурою.
Чисельні розрахунки показують, що значення відповідає роботі адаптивної системи незалежно по кожному відбивачів.
Якщо один з відблисків є яскравішим (його коефіцієнт по модулю перевищує інші), то незалежно від початкових умов і значення параметра адаптивна система в процесі адаптації сфокусує випромінювання на цей відблиск.
В процесі ітерацій відбувається зменшення амплітуди поля на відблиску найближчому до яскравішого відблиску.
4 Формування світлових пучків із заданими властивостями. Отримання асферичних хвилевих фронтів
Відомо, що за допомогою оптичних елементів лише з сферичними поверхнями неможливо на виході оптичного приладу ідеальний хвилевий фронт. Неминуча аберація, для зменшення якої застосовують асферичні оптичні елементи (асферичні оптичні елементи мають поверхні 2-го порядку, з симетрією оптичної осі (параболоїдальні, еліпсоїдні) або без осьової симетрії (циліндрові) останні застосовуються в окулярах для виправлення астигматизму).
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Мал. 3 |
Хвилевий фронт вихідного випромінювання лазера далекий від плоского і яким би гарним не був формуючий телескоп, якість фокусування може виявитися незадовільною. Для підгонки приладу під конкретні особливості джерела випромінювання також необхідні нестандартні асферичні оптичні елементи.
З розвитком лазерної технології виникла потреба не просто сфокусувати випромінювання в можливо малу за розміром пляму, а забезпечити строго певний розподіл інтенсивності в деякій області простору (наприклад рівномірне засвічення в межах прямокутного паралелепіпеда при лазерній різке і або вузького кільця при операціях на рогівці ока.) Для цих цілей необхідні оптичні системи з нестандартними елементами. Спеціальним чином розраховані коректуючі оптичні елементи у ряді випадків здатні зменшити і небажані наслідки стаціонарних нелінійних спотворень.
Виготовлення асферичної оптики - справа складна і дорога. Прилади з такими елементами в деякому розумінні унікальними.
Рішення цих задач бере на себе адаптивна оптика. У таких системах, не потрібна постійна зміна хвилевого фронту. Це істотно спрощує конструкцію системи.
Для стаціонарної корекції аберації оптичних систем можна скористатися голографічною технікою. У реєстрації голограми еталонне поле інтерферує з хвилею, що пройшла через оптичну систему з аберацією. При відновленні голограми еталонною хвилею результуюче поле матиме аберацію, такі ж що і у оптичної системи протилежні по знаку. Після проходження хвилі через цю систему фазові спотворення взаємно компенсуються.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Мал. 4 |
Для фокусування випромінювання в задану область, подібне транспоранти розраховують розглядаючи задану область як набір точкових випромінювачів, освітлюючих фокусатора (транспорнта).
Також може бути використано адаптивне дзеркало. Хай потрібно сфокусувати випромінювання у відрізок лінії, розташований в перпендикулярної напряму розповсюдження випромінювання. В цьому випадку з блискучого матеріалу (фольга) виготовляють аналогічний відрізок і встановлюють на темний екран. У сталому режимі випромінювання сфокусується на відрізку. Вимірюють відповідні непруги, прикладені до дзеркала і потреба в адаптивній системі відпадає, оскільки приводи дзеркала підключаються до відповідних напруг.
5. Метод амплітудного зондування
Для виправлення спотворень коректор повинен вносити в хвилевий фронт фазове спотворення, компенсуюче початкове, тобто рівне йому по абсолютній величині і зворотне по знаку. У таких пристроях сигнали управління формуються безпосередньо вимірювання фазового спотворення профілю хвилі, що приймається.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Мал. 5 |
Звернемося до схеми інтерферометра Майкельсона (мал. 5) в одному плечі якого знаходиться спотворююче середовище. Такий прилад може служити для дистанційної реєстрації малих або періодичних коливань об'єкту, спостережуваного через турбулентне середовище. Пучок паралельних променів з апертурою падає на світлодільник (напівпрозоре дзеркало), далі - на опорне дзеркало і на дзеркало, закріплене на об'єкті, коливання якого реєструються. На шляху світла до об'єкту знаходиться спотворююче середовище. По дорозі назад опорна хвиля і спотворена хвиля поєднуються знову на поверхні дільника і прямують на фотоприймач, розташований у фокусі збираючої лінзи. Фотострум детектора буде пропорційний падаючій на нього потужності. Для максимізації чутливості до малих об'єкту зміщують коректор, підтримуючи фотострум на середньому рівні. Основним недоліком даного методу управління є його чутливість до змін інтенсівностей пучків, що інтерферують, крім того, його не можна використовувати в системах тих, що мають декілька елементів, що управляють.
Можливо створення систем іншого типа. Процес управління в системі організований так, щоб максимізувати інтенсивність, що грає роль цільової функції (критерію якості). Для цього можна вибрати будь-який алгоритм пошуку максимуму. Звичайно з цією метою в хвилевий фронт вносять пробн, які трансформуються в амплітудні сигналу. Так, аналізуючи зміни інтенсивності світла, відбитого від, роблять висновок про знак зміни фази і деформують хвилевий фронт до тих пір, поки не буде оптимізоване фокусування на об'єкті.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Мал. 6 |
Для того, щоб зрозуміти, як можна добитися максимізації світлової інтенсивності в заданій точці за допомогою зміни фазових співвідношень між променями, розглянемо простий приклад одноканальної системи апертурного зондування (мал. 6). Випромінююча апертура складена з двох дзеркал: рухомого і нерухомого. В результаті інтерференції на малій цілі, утворюється інтерференційна картина у вигляді світлих і темних смуг або концентричних кіл (при інтерференції сферичних хвиль). Наше при будь-яких русі, зміні довжини оптичних шляхів - утримувати на світлу смугу. У автоматичному режимі це так. За допомогою генератора синусоїдальних коливань рухоме дзеркало здійснює коливання з малою амплітудою і великою частотою. Інтерференційна картина на целі також трохи зміщується то в одну, то в інший бік з тією ж самою частотою. Таким чином, відбуваються малі коливання інтенсивності світла на целі, що і фіксується фотоприймачем. Фотоприймач перетворить коливання інтенсивності в електричні коливання, які прямують на синхронний детектор. У синхронному детекторі проводиться множення прийнятого сигналу і сигналу генератора синусоїдальних коливань з подальшим виділенням за допомогою (фільтру низьких частот) низькочастотної складової. Оскільки обидва сигнали мають однакову несучу частоту, то в результаті виділяється фазове зрушення між коливаннями. Іншими словами, виявляється сформованим робочий сигнал для управління рухомим зеркалом. При невеликих робочий сигнал буде рівний фазовому зрушенню між пучками, що інтерферують, і протилежний йому по знаку, що і забезпечує компенсацію.
Якщо значні, то рух дзеркала до тих пір, поки залишатиметься фазове розузгодження і система не досягне екстремальної інтенсивності на (світлої смуги).
Принциповою в описаній системі є наступна умова: частота коливань (модуляції) повинна перевершувати характерну частоту, що компенсуються.
Для оптимізації інтенсивності будують алгоритм відповідний зсуву дзеркала в кожен момент часу в тому, який веде до зростання показника якості (інтенсивності випромінювання на целі), тобто у напрямі градієнта , де має сенс середній по апертурі різниці фаз між опорною і хвилями.
6. Багатоканальна фазова модуляція
фазовий випромінювання зондування модуляція
У разі багатоканальної системи, коли апертура є мозаїкою з переміщуваних дзеркал пробні дії задаються одночасно на всіх субапертурах у вигляді гармонійних коливань.
В цьому випадку виникає проблема пов'язана з взаємозв'язаною каналів управління. Градієнти показника якості виявляються залежними від всіх координат коректора.
Розглянемо метод багатоканальної фазової модуляції на системи адаптивного фокусування когерентного випромінювання на точковий відбивач. Критерієм якості в цій інтенсивність світлового пучка на відбивачі. Як коректора розглянемо сегментоване дзеркало з поступальним («поршневим») переміщенням субапертур.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Мал. 7 |
Обговоримо залежність параметра (інтенсивності), що оптимізується, від положення окремих субапертур. Спостереженню доступна лише інтенсивність випромінювання, тобто довжина сумарного вектора.
Векторна діаграма для випадку трьох субапертур.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Мал. 8 |
Максимізувавши загальну інтенсивність по координаті третьої субапертури, ми направимо вектор А3 уздовж А0, визначуваного сумою векторів і А2; вектор А0 грає роль опорного сигналу при настройці третьої субапертури. Важливо те, що оптимальна орієнтація А3 залежить від координат інших векторів. Так само при настройці будь-якої субапертури роль опорного сигналу грає сума полів, що приходять в точку спостереження від всіх інших елементів дзеркала. Ця обставина обумовлює зв'язок каналів управління.
Залежність каналів управління приводить до важливої особливості процесу управління: всі субапертури не можуть бути настроєні послідовно за один цикл.
При ідеальній настройці системи інтенсивність світлового пучка на відбивачі визначається виразом:
При амплітуді пробних рухів прагнучих до нуля і при правильній настройці коректора:, де - амплітуда світлового коливання, що створюється на об'єкті кожним з елементів.
Розглянемо природу шумів тих, що впливають на роботу системи. Це в першу чергу шуми створювані фотоприймачем, пов'язані з дискретною природою реєстрації світлового поля. Шуми, пов'язані з флуктуаціями інтенсивності випромінювання лазера і шуми флуктуації випромінювання за рахунок розповсюдження світла в турбулентній атмосфері.
При відношення сигнал/шум, що створюється фотоприймачем швидко убуває. Це означає, що помилки корекції будуть зменшаться лише до тих пір, поки відношення не стане рівним одиниці. Далі система здійснюватиме випадкові блукання в околиці положення настройки.
Шуми, пов'язані з флуктуаціями випромінювання зростають при збільшенні числа субапертур.
При великому числі елементів коректора N доведеться збільшувати амплітуду пробних рухів, щоб компенсувати вплив шумів, а це до зменшення середньої інтенсивності. Ця обставина обмежує можливе число субапертур в системах багатоканальної модуляції.
Інший чинник, що перешкоджає збільшенню числа N, пов'язаний з необхідністю вибору частот так, щоб задовольнити наступним умовам. Всі вони повинні лежати в межах смуги пропускання коректора і відрізнятися настільки, щоб відповідні сигнали можна було ефективно розділити. Попадання сигналу в сусідній канал приводить до додаткових помилок.
Для вирішення цієї проблеми модулюють фазу для кожного каналу своєю власною частотою. Таке «фарбування» кожного каналу дозволяє, одержуючи на фотоприймачі сигнал, що містить весь спектр частот модуляції, виділити за допомогою синхронних детекторів і фільтрів кожному каналі свій робочий сигнал. Синхронне детектування дозволяє скоротити кількість частот за рахунок організації коливань дзеркал по sin і cos законах (мал. 9)
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Мал. 9 |
7. Фазова модуляція у разі модального коректора
Сегментовані дзеркала з «поршневим» рухом елементів є простими фазовими коректорами. Подальший розвиток техніки привів до появи дзеркал з поверхнею, що безперервно деформується, так званих модальних коректорів хвилевого фронту. Якщо спотворення фази, які необхідно компенсувати, є плавними, то можна сподіватися, що модальний коректор, що володіє безперервною поверхнею, дозволить кращу апроксимацію профілю фази, чим ступінчасте дзеркало «поршневого» типа (мал. 10).
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Мал. 10 |
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Аналогові оптичні передавальні пристрої та їх застосування у системах кабельного телебачення, вимоги до амплітудних та фазових спотворень. Схема формування попереднього спотворення. Волоконно-оптичні системи передачі, цифрові пристосування, стабілізація.
реферат [325,1 K], добавлен 08.01.2011Розрахунок швидкості цифрового потоку та потужності передавача. Вимоги до способів модуляції. Квадратурна амплітудна та фазова модуляція. Спосіб частотного ущільнення з ортогональними несучими. Стандарт кодування з інформаційним стисненням MPEG-2.
курсовая работа [213,4 K], добавлен 23.08.2014Визначення переваг використання принципів частотного і часового поділу вхідного і вихідного сигналів, негативного зворотного зв'язку по випромінюванню і самонастроюванню для побудови модулятора на основі керованих джерел оптичного випромінювання.
контрольная работа [159,2 K], добавлен 20.11.2010Актуальність застосування напівпровідникових кристалів в сучасній твердотілій електроніці. Метод Чохральського - технологія вирощування монокристалів з тигля витягуванням із розплаву при повільному обертанні. Кристалографічні властивості сполук.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 08.06.2014Методи та засоби вимірювання характеристик фоточутливих елементів приймачів випромінювання, значення рівномірності яскравісного поля. Розробка дифузного випромінювача змінної яскравості; розрахунок системи параметрів виробу, визначення показників якості.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 15.03.2013Зміст теореми Найквіста-Шенона. Задача на визначення сигналу, відновленого за допомогою фільтрації. Схема включення ФНЧ. Балансна амплітудна модуляція. Однотональний Ам-сигнал з балансною модуляцією. Аналітичний сигнал обвідної заданого коливання.
контрольная работа [137,5 K], добавлен 22.10.2010Методи та види радіолокаційного огляду простору, період огляду і час опромінювання. Пошук цілі по джерелу місцеположення і курсу цілі. Явище вторинного випромінювання радіохвиль під час радіолокаційного пошуку. Ефективна відбивна поверхня розсіювання.
лекция [962,8 K], добавлен 29.12.2013Оптичні властивості тонких плівок нітриду титану. Електрофізичні та сорбційні характеристики прополісу. Дослідження закономірностей розсіювання тонкими плівками TiN і прополісу світлових потоків при різних формах поляризації падаючого випромінювання.
магистерская работа [1,6 M], добавлен 29.09.2015Застосування OFDM сигналу на фізичному рівні мережі WIMAX. Введення станції користувачів в систему і ініціалізація. Виділення часу на можливість передачі. Пряме виправлення помилок. Методи боротьби із завмираннями. Адаптивна модуляція і Кодова залежність.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 28.01.2015Особливості та елементи конструкційного виконання амплітудного пеленгатора. Напрямок надходження сигналів відносно РСН, порядок його визначення. Кількісні співвідношення, що визначають можливість реалізації сумарно-різницевого амплітудного пеленгатора.
реферат [33,8 K], добавлен 05.02.2011
