Тема 9. Электромеханические модуляторы: принципы работы и построения, форма сигнала и его свойства, особенности, достоинства, недостатки, основные параметры и погрешности.

Механические модулирующие устройства получили широкое распространение в силу простоты реализации и отсутствия влияния на спектральные свойства оптического сигнала. Модуляция потока излучения осуществляется периодическим его прерыванием механическими или оптическими элементы с вращательным, либо возвратно-поступательным движением. В тоже время таким устройствам присущ ряд существенных недостатков: наличие вращающихся механических элементов, ограничивающих их частотные свойства; нестабильность частоты модуляции, вызванную нестабильностью вращения двигателя, источника питания и рядом конструктивных факторов; малый срок службы; значительные массы и габариты.

Вращение модулирующего элемента вызывает прерывание потока с частотой f=mn/60 (Гц), зависящей от скорости вращения двигателя n (об/мин) и числа периодов m модулирующего устройства, которое располагается в фокальной плоскости оптической системы. В зависимости от вида рисунка растра, определяющего закон следования прозрачных и непрозрачных участков растра, могут быть реализованы различные виды модуляции (АМ, ФМ, ЧМ и другие).

Простейшим АМ модулятором является вращающаяся, либо совершающая возвратно-поступательные движения, диафрагма с чередующимися прозрачными и непрозрачными участками.

В общем случае оптическая система с растром состоит из объектива, который создает изображение поля излучения в плоскости диафрагмы, растра и приемника, воспринимающего излучение, прошедшее через диафрагму (рис.1). Конденсор обеспечивает равномерное освещение чувствительной площадки приемника

Рис.1. Оптическая система с растром

Если задать освещенность изображения некоторой точки , а в полярной системе координат , расположенной в плоскости установки модулирующего элемента, в виде , а коэффициент пропускания растра в этой точке в виде . Коэффициент пропускания растра может быть представлен рядом Фурье, так как действие растра всегда периодично.

Поток излучения, прошедший через растр в пределах площади диафрагмы σ, равен:

, (1)

где - освещенность диафрагмы σ, dσ – элемент площади диафрагмы σ.

Освещенность E(z, t) рассматриваемой точки может быть представлена в виде некоторого потока, создающего равномерную освещенность E₀(t) по поверхности модулирующего растра и фильтра с коэффициентом пропускания t_ф(z), зависящим от пространственных координат, тогда поток на выходе будет:

, (2)

обозначив , поток на выходе модулятора представим в виде (модулированный поток):

(3)

Входящая в формулу (3) величина Ф₀(t) характеризует поток излучения падающий на модулирующий растр, а t(t) его интегральный коэффициент пропускания. Форма сигнала на выходе модулирующего растра определяется формой изображения источника излучения в плоскости расположения растра и формой прозрачного для потока участка растра.

Интегральный коэффициент пропускания может быть представлен в виде бесконечной суммы синусов и косинусов

,

здесь ;

;

;

,

где - основная частота модулированного растром потока излучения.

Если - четная функция, т.е. законы открытия и закрытия потока излучения одинаковы и начало отсчета времени выбрано в середине периода рисунка растра, то и

Спектр модулированного потока излучения можно вычислить с помощью прямого преобразования Фурье

(4)

.

Спектр модулированного колебания является суммой спектра сигнала до модуляции и совокупности k – гармоник того же спектра, взятых со сдвигом по частоте на величину кратных частоте модуляции (рис.2).

Рис. 2. Спектр модулированного потока

Полагая, что освещенность в изображении источника равномерная, а прозрачные участки растра выполнены в виде круглого отверстия с радиусом r, найдем характер распределения потока на выходе модулирующего растра. При поступательном движении изменение потока описывается функцией вида

, (5)

где q = (r-x/2)/r = (1-x/2r), 0£ x £ 2r и определяет положение координаты центра отверстия растра относительно центра изображения источника излучения, а f(x) характеризует отношение текущего значения s(x) площади перекрытия изображения и отверстия к максимальному значению s_m(x) перекрытия, определяемому площадью отверстия pr², f(x)=s(x)/s_m(x) .

Если модулирующие отверстия имеют прямоугольную форму, то форма изменения потока описывается функцией вида (5), но q принимает значения равные q=(r-x)/r=(1-x/r) при 0£ x £ 2r.

Рис.3. Модулирующее устройство

Рис.4. Зависимость изменение потока от площади перекрытия