Акустооптические методы обработки радиосигналов

Одним из наиболее интенсивно развивающихся в последние годы направлений акустооптики является разработка устройств для обработки информации - акустооптических процессоров. Эти устройства используются для спектрального анализа радиосигналов, обработки сигналов фазированных антенных решеток, вычисления функций корреляции и свертки, голографической записи сигналов и т. д.

Значительный интерес к акустооптическим процессорам определяется простотой их конструкции, компактностью, способностью осуществлять параллельную обработку больших массивов информации в реальном масштабе времени и с большими значениями произведения длительности сигнала на полосу.

В общих чертах работу акустооптического процессора можно представить следующим образом. Радиосигнал, подлежащий обработке, возбуждает в ячейке упругую волну, которая представляет собой пространственно-временной аналог электрического сигнала s(t). При дифракции проходящего через ячейку света в дифрагированный пучок переносится информация, содержащаяся в акустической волне. Далее осуществляется обработка этой информации оптическими методами. Таким образом, роль ячейки в акустооптическом процессоре - ввод информации в световой пучок путем его пространственной модуляции.

Зависимость коэффициента передачи от частоты ультразвука для пространственного модулятора имеет такой же вид, как и частотная характеристика дефлектора. Между этими типами акустооптических устройств имеется много общего. В частности, количество разрешимых элементов в промодулированном световом пучке определяется соотношением (1.1).

3.7. Анализаторы спектра радиосигналов

Акустооптические спектроанализаторы отличаются простотой конструкции и позволяют вести параллельную обработку сигналов в широкой полосе и в реальном масштабе времени.

В зависимости от переменной интегрирования при выполнении преобразования Фурье анализаторы можно разделить на два основных класса. В анализаторах с пространственным интегрированием преобразование Фурье осуществляется по пространственным переменным х, у. В этих устройствах длительность обрабатываемого сигнала определяется постоянной ячейки τ, а диапазон анализируемых частот Δf - полосой пьезо-преобразователя или селективными свойствами акустооптического взаимодействия. Произведение Δf∙τ достигает значений 10²…10³. В анализаторах с временным интегрированием преобразование Фурье осуществляется по временной переменной t с помощью многоэлементных фотоприемников.

Одноканальные анализаторы спектра

Р абота акустооптических спектроанализаторов с пространственным интегрированием основана на свойстве линзы совершать преобразование Фурье оптического сигнала. Если на выходе акустооптического пространственного модулятора, на преобразователь которого подан сигнал s(t), поместить собирающую линзу (рис. 3.7), то распределение света в ее задней фокальной плоскости будет соответствовать мгновенному спектру сигнала s(t) (т. е. спектру выборки сигнала длительностью τ). Формирование оптического спектра в таком устройстве происходит практически мгновенно - за время распространения света от ячейки до фокальной плоскости линзы. Быстродействие же анализатора в целом ограничивается временем ввода информации в апертуру модулятора и временем считывания спектра в фокальной плоскости. Для считывания информации можно использовать фотопленку, движущуюся перпендикулярно плоскости акустооптического взаимодействия, или линейку фотодиодов. Более простыми являются методы считывания с помощью ТВ преобразователей свет-сигнал, или одного фотоприемника, перед которым располагается дефлектор. Но в этих методах в значительной степени теряется главное достоинство акустооптических анализаторов - параллельность обработки информации в реальном масштабе времени.

Откликом анализатора на гармоническое воздействие является световое пятно, центр которого располагается в точке

,

где F_л - фокусное расстояние линзы, z* - координата в фокальной плоскости, f' - частота гармонического колебания.

Ширина светового пятна равна (по критерию Рэлея) δz* = λF_л/ωn. Отсюда вытекает, что разрешающая способность δf, т.е. минимальный интервал между разрешимыми анализатором частотами составляет v/ω=τ^-1. При полосе анализа Δf полное число анализируемых частот равно N=Δf/δf =Δf τ. В режиме раман-натовской дифракции полоса анализа Δf определяется частотной характеристикой пьезопреобразователя. В брэгговском режиме главной причиной ограничения Δf является селективность дифракции. Максимальная величина Δf определяется селективными свойствами акустооптического взаимодействия.

Ч астотное разрешение анализатора ухудшают дифракционная расходимость акустического пучка, его затухание, неоднородность возбуждения ультразвука по поверхности преобразователя. В реальных устройствах необходимо учитывать также и частотную характеристику преобразователя.

Наилучшие результаты дает применение в анализаторах парателлурита, который обеспечивает высокое частотное разрешение при сравнительно небольших размерах кристалла. Например, ячейка из TeO₂ с апертурой ω = 4 см позволяет получить δf = 15,4 кГц, что дает N=1300 в полосе анализа Δf=20 МГц. Хорошие характеристики достигаются и при использовании планарных структур.

В анализаторах рассмотренного типа фотодетекторы регистрируют спектр мощности исследуемого сигнала |S(f)|². Информация о фазе спектральных составляющих при этом теряется. Для получения полной информации о спектре сигнала s(t) используются анализаторы с когерентным детектированием. В выходной плоскости такого анализатора оптический сигнал смешивается с опорной световой волной, полученной от того же источника, что и волна, проходящая через ячейку (на рис. 3.7. дополнительные элементы когерентного анализатора показаны пунктиром). Вследствие биений опорной волны с сигнальным пучком на фотодетекторах выделяются гармонические колебания, амплитуда которых пропорциональна |S(f)|, а частота и фаза соответствуют частоте и фазе составляющих s(t).