расчетная работа №3
Акустооптическая ячейка как элемент ввода радиосигналов в оптический сигнальный процесор структура систем оптической обрвботки сигналов
Оптические методы обработки информации нашли в настоящее время широкое применение. Основная сущность этих методов заключается в том, что подлежащая обработке информация записывается на оптический транспарант в виде функции пропускания или изменения показателя преломления, а затем зондируется когерентным или некогерентным пучком света. Анализ светового изображения, полученного после транспаранта и преобразованного, дает параметры исследуемого сообщения
Структурная схема системы оптической обработки сигналов приведена на рисунке 1. Для выполнения заданного алгоритма обработки на аналоговое оптическое вычислительное устройство поступают оптические сигналы, в которых закодирована информация, выдаваемая источником информации. Преобразование электрических сигналов в оптические выполняется источником света и преобразователем входных сигналов в оптический аналог. После выполнения заданного алгоритма обработки аналоговое оптическое вычислительное устройство формирует на выходе системы распределения амплитуд и фаз света, в которых содержатся результаты обработки сигналов, поступающих от источника информации. Преобразователь выходных сигналов измеряет параметры световых сигналов, поступающих на его выход, и выдает получателю информации конечный результат обработки в необходимом виде (как правило, в виде электрических сигналов).
В качестве устройств ввода применяются различные типы пространственно-временных модуляторов света, принцип работы которых основан на взаимодействии света с динамическими неоднородностями, реализуемыми различными физическими эффектами в твердых и жидких средах. Для модуляции света используются электро- и магнитооптический эффекты, явления фотоупругости и др. На основе явления фотоупругости созданы акустооптические модуляторы (АОМ), которые находят широкое применение в оптических системах, осуществляющих одно- и многоканальный спектральный анализ, в акустооптических фильтрах, акустооптических устройствах по обработке сигналов антенных решеток, корреляторах радиолокационных сигналов и др.[6].
|
Рис.1. Структурная схема системы оптической обработки сигналов |
В качестве примера, использующегося в оптических системах обработки информации можно кратко рассмотреть акустооптический измеритель частоты (АОПЧ).
Описание АО измерителя частоты . АОПЧ измеритель конструктивно выполнен в виде единого прибора (АОПЧ) и предназначен для работы в составе систем радиотехнического контроля в качестве измерителя несущей частоты, ширины спектра и амплитуды непрерывных и импульсных сигналов.
АОПЧ включает в себя три блока:
входной СВЧ блок, акустооптический блок и блок обработки информации ( рис. 2а).
Неотъемлемой частью АОПЧ является ПЭВМ типа IBM.
Рис.2а
Пример элементной базы :
СВЧ усилитель типа ICA12-PR011 с коэффициентом усиления 30 дБ, выходной мощностью 1 Вт и уровнем нелинейных искажений вида IР3 порядка 40 дБ,
полупроводниковый лазер KLM-650/20 с длиной волны λ = 0,65 мкм, линейной поляризацией и выходной мощностью P = 20 мВт,
быстродействующая ПЗС линейка типа ТН7813А фирмы «Dalsa» с чувствительностью ~11,5 В·см2/мк Дж и тактовой частотой 50 МГц; общее число используемых фотодиодов составляет ~1024, общая протяженность светочувствительной части линейки х = 10 мм.
СВЧ блок выполняет обеспечение предварительной частотной селекции входных радиосигналов, их усиление до уровня P max ≈1,0 Вт, при котором еще не сказывается саморазогрев пьезопреобразователя в АОЯ и обеспечивается его нормальное функционирование, а также формирование и ввод в АО блок контрольных СВЧ сигналов.
АО блок выполнен по типовой структурной схем (рис.3) .
Оптическая схема АОС приведена на рис. 2. Схема включает в себя
полупроводниковый лазер;
коллиматор;
АО ячейку на основе LiNbO3 Z-среза с апертурой по свету D и скоростью ультразвука V = 3,6⋅103 м / с, на пьезопреобразователь которого через СВЧ- блок подается анализируемый радиосигнал ;
объектив, состоящий из линз 3 и 4 с фокусным расстоянием F , в задачу которого входит «согласование» диаметра дифрагированного пятна света, равного
с используемой фоточувствительной областью ПЗС протяженностью h , приходящейся на полосу рабочих частот ( например - ΔfΣ = 500 МГц, на которой укладывается ~1000 фотодиодов).
Координата центра дифрагированного пятна
где Θd – угол дифракции лазерного луча на АОД, зависит от частоты входного сигнала – f0.
При этом F объектива выбирается из условия обеспечения в АОПЧ требуемой Δ f Σ:
Рис.3 Общий вид оптической схемы
Блок обработки информации выполнен в виде единой платы, на которой размещен приемник на основе ПЗС, устройство управления режимом её работы, устройство обработки и трансляции результатов измерений потребителю. Общий вид
Рис.3
платы, закрепленной на оптическом держателе, обеспечивающем её юстировку в составе АОПЧ, показан на рис. 3. Блок обработки может быть выполнен на основе ПЛИС «Аltera». Его алгоритм функционирования определяется пешаемой задачей. «Опрос» фотодиодов ПЗС осуществляется с тактовой частотой, равной 50 МГц.
Как следует из выше рассмотренного, одним из основных элементов систем обработки и передачи информации является АОЯ (АОМ)
При использовании АОМ в качестве устройства ввода информации большое влияние на основные качественные параметры, так же как разрешающая способность и эффективность дифракции, оказывают геометрические размеры звукопровода, материал, из которого изготовлен звукопровод, а также материал пьезопреобразователя, геометрические размеры пьезопреобразователя, его место положение. Варьируя значениями величин этих параметро , можно добиться максимальной разрешающей способности и эффективности дифракции, что дает возможность, с большей точностью, осуществлять ввод информации и позволит, с большей точностью, измерить скорость звука АОМ, так как возможность применения акустооптического способа измерения скорости звука в жидкости представляет особый интерес. Выше отмечалось, что эффективность дифракции максимальна при выполнении условия Брэгга.