Оптоэлектронные информационно-измерительные системы передачи информации эффективно работают при условии, что соотношение «сигнал/шум» на входе приемника излучения превышает некоторое пороговое значение. Уменьшение соотношения «сигнал/шум» на входе приемника излучения при работе в области порога приводит к быстрому росту погрешности измерения и, соответственно, к резкому ухудшению качества измерения [2; 3; 6].
Работа информационно-измерительных систем при пороговых режимах мало изучена. Известно лишь, что вместе с полезным сигналом через элементы оптоэлектронной информационно-измерительной системы практически всегда проходят помехи, называемые шумами, которые могут генерироваться и в самих элементах системы. Накладываясь на полезный сигнал, эти помехи искажают его параметры, что неизбежно ведет к возникновению погрешностей измерения. В большинстве случаев эти помехи являются случайными, статистические характеристики которых зависят от характера задачи, структуры и состава элементов оптоэлектронной информационно-измерительной системы. Для уменьшения инерционности оптоэлектронной информационно-измерительной системы и снижения значения ее динамических погрешностей полоса пропускаемых частот частотной характеристики системы расширяется, что ведет к повышению уровня помех и росту искажений параметров полезного сигнала от них. Таким образом, тенденции изменения динамических погрешностей и погрешностей от шумов при уменьшении инерционности информационно-измерительных систем противоположны, и существуют такие параметры системы, определяющие ее частотную передаточную функцию, при которых сумма динамической погрешности и погрешности от шумов будет минимальной для заданных условий работы [5].
Помехоустойчивость оптоэлектронных информационно-измерительных систем зависит от многих причин: характеристик источника излучения, параметров передающей оптической системы, свойств среды распространения излучения, параметров приемной оптической системы и приемника излучения.
Соотношение сигнал/шум 
на
входе приемника должно быть не меньше заданного порогового значения. В
противном случае это приводит к непропорционально быстрому росту погрешности и
увеличению вероятности аномальных явлений при дальнейшей обработке
измерительной информации [2; 4].
Неэффективное использование мощности лазерного излучения в
оптических схемах ведет к уменьшению соотношения сигнал/шум. С достаточной
степенью точности отношение сигнал/шум 
в
гетеродинных лазерных информационно-измерительных системах определяется по
формуле [2]:
, (1)
где h – постоянная Планка; λ – длина волны оптического излучения; h – квантовая эффективность фотоприемника; Df – полоса пропускания избирательного усилителя; с – скорость распространения света; Ри, Рр – мощности измерительной и референтной световых волн соответственно.
Анализ формулы показывает, что соотношение сигнал/шум зависит от соотношения мощностей Ри, Рр. Существуют две основные схемы фазовых интерференционных информационно-измерительных систем перемещений: с акустооптическим преобразованием частоты на входе интерференционной схемы и с преобразованием частоты на выходе интерференционной схемы (рис. 1).
Оптическая схема информационно-измерительной системы перемещений с акустооптическим преобразованием частоты на выходе интерференционной схемы показана на рисунке 1а. Исходное лазерное излучение Pии, проходя светоделительный куб СК и интерферометр Майкельсона, попадает на акустооптический модулятор (АОМ), теряя часть своей мощности. На АОМ поступают два световых пучка под углом дифракции друг к другу, причем мощности этих пучков равны P1 = P2 0,125Pии [2].
При расчете соотношения интенсивностей интерферирующих световых волн в акустооптических схемах принято допущение о том, что световая волна, проходя акустооптический модулятор, распадается на дифракционные порядки без поглощения их интенсивностей в модуляторе, и мощность дифракционных порядков выше первого пренебрежительно мала [1; 4].
Рис. 1. Оптическая схема информационно-измерительной системы с акустооптическим преобразованием частоты: а) на выходе интерференционной схемы; б) на входе интерференционной схемы
Оптимальное значение параметра фазовой модуляции света a = 0,7, что соответствует соотношению мощностей P+1 < 0,15P0 в нулевом P0 и первом P+1 дифракционных порядках. При большем значении параметра a в акустооптическом модуляторе возникают нелинейные искажения. При дифракции Рамана-Ната возникают «+1» и «–1» дифракционные порядки, причем мощности их равны [2]:
,
.
Произведя несложные математические вычисления с мощностями референтного и измерительного световых пучков, получаем
,
.
Подставляя значения Pр и Pи в формулу (1), получаем
.
Оптическая схема информационно-измерительной системы с акустооптическим преобразованием частоты на входе интерференционной схемы показана на рисунке 1б. Исходное лазерное излучение Pии подают на АОМ, где при a = 0,7 получают на выходе АОМ следующие значения рассеянного излучения [2]
,
.
Учитывая потери мощности лазерного излучения при прохождении через оптическую систему, получаем
,
.
Соответственно, подставляя значения Pр и Pи в формулу (1), получаем для схемы на рисунке 1б
.
Из приведенных выше вычислений видно, что отношение соотношения сигнал/шум различных оптических схем интерферометров
.
Увеличение количества преломляющих и отражающих поверхностей в оптической системе также снижает соотношение сигнал/шум измерительного сигнала, так как на границе раздела двух сред (например, воздух – стекло) мощность измерительного сигнала уменьшается.
В вышеприведенных математических выражениях для упрощения сравнительного анализа не учитывались потери оптической мощности на границах раздела сред. Такое допущение справедливо только для сравнения возможных оптических схем построения информационно-измерительных систем. При проведении энергетического расчета оптических схем необходимо учитывать максимальные потери мощности оптического сигнала на отражение при преломлении. Их определяют по формуле:
. (2)
Коэффициент пропускания τпр из-за потерь на отражение при преломлении всей оптической системы равен
, (3)
где h – число преломляющих поверхностей.
При этом если имеется N поверхностей с одинаковыми значениями r, то их общий коэффициент пропускания равен
. (4)
Если при расчете использовать формулы (2–4), то относительное соотношение сигнал/шум при одинаковом источнике лазерного излучения оптических схем с акустооптическим преобразованием на входе и на выходе достигает 2,5¸3.
Из рассмотренных схем оптическая схема с акустооптическим преобразованием на входе является наиболее предпочтительной с точки зрения помехоустойчивости. Исследование данных схем ведет к необходимости уменьшения количества отражающих и преломляющих поверхностей их оптической части. Этого можно добиться введением в схему оптических волокон, выполняющих деление и объединение оптических измерительных сигналов.
Рецензенты:Таранцева К.Р., д.т.н., профессор, проректор по научной работе Пензенского государственного технологического университета, г. Пенза;
Ломтев Е.А., д.т.н., профессор кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология» Пензенского государственного университета, г. Пенза.