ДС Радиооптика_1 / Литература ч.1 / Введение в радиооптику

Введение в радиооптику

ны; Ωz, с − eе угловая частота и фазовая скорость); z(...) − символ одномерного Фурье-преобразования по координате z.

Рисунок 5.2 − Линейная радиооптическая АР

z

а)

б) Рисунок 5.3 − Схема к объяснению принципа обработки сигнала

в радиооптической АР

121

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Пределы интегрирования в (5.1) взяты бесконечными потому, что конечный размер ∆Z АР отражен в финитном АФР, которое равно нулю вне АР: I(z) = rect(z/∆Z)I.

Преобразованием Фурье также связаны радиосигнал ε(t) и его спектр s(Ω0) = t{ε}. Поэтому для получения информации об угловых координатах и частоте источников принимаемого ПВ-сигнала ε(z,t)=ψ(z,t)exp(iΩ0t) необходимо осуществить двумерное его Фурьепреобразование по координате z и времени t

s(Ωz, Ω) = zt{ε (z,t)}, (5.2)

где s(Ωz,Ω) − углочастотный или ПВ-спектр принимаемого ПВ-сигнала, характеризующий распределение его источников по углу θ и частоте F = =Ω/2π.

Операция двумерного Фурье-преобразования может быть осуществлена с помощью простейшего когерентного оптического процессора (КОП) (рис. 5.3, б), состоящего из собирающей сферической линзы Л и двух слоев пространства толщиной fл, равных фокусному расстоянию линзы. Сказанное означает, что если во входной фокальной (предметной) плоскости Р линзы Л сформирован пространственно-когерентный пучок монохроматического света с распределением комплексной амплитуды Е(х,у), то в ее выходной фокальной (спектральной) плоскости π будет в соответствии с (2.7) наблюдаться световое распределение (дифрактограмма), пропорциональное двумерному ПВ-спектру сигнала

где λ − длина световой волны; пространственные частоты вдоль осей х и у в отличие от (2.7) будем (по аналогии с временной частотой ω=2πν)

обозначать как ωx = 2πνх = kx/λfл, ωy = 2πνy = ky/λfл (k = 2π/λ = ω/c − вол-

новое число); x,y{...} = {...} − символ двумерного Фурьепреобразования по x, y.

Таким образом, если между ПВ-сигналом ε(z,t) и распределением света на входе КОП − Е(x0,у0) установить связь вида ε(z,t) ↔ E(x0,y0), то выходная дифрактограмма e(ωx,ωy) будет автоматически отображать в соответствующем масштабе ПВ-спeктр принимаемых радиосигналов, т.e. визуализировать угловое и частотное распределения радиоисточников в пространстве.

Ввод ПВ сигнала в КОП. Наиболее распространенными устройствами ввода радиосигналов АР в КОП являются многоканальные АОМ, осуществляющие пространственную развертку вводимого сигнала вдоль координаты у (см. рис. 5.2). При этом сигнал εn(t), принимаемый n-м эле-

122

Введение в радиооптику

ментом 3 АР, после усиления и преобразования на промежуточную частоту в приемном модуле 2 управляет соответствующим пьезоэлектрическим преобразователем 1 на торце звукопровода 4 n-канала АОМ. В последнем возбуждается бегущая акустическая волна, вызывающая про- странственно-временную модуляцию показателя преломления ∆nn в апертуре оптически прозрачного материала звукопровода, пропорцио-

где Un = Рn0,5 − нормированное напряжение, Bт0,5 (Рn − мощность на выходе приемоусилителыного модуля, подводимая к каналу n согласующей цепи АОМ); КM − размерный коэффициент, характеризующий эффективность АОМ и его согласующих цепей, Bт0,5; КN − коэффициент, описывающий сквозное усиление по напряжению каждого из N приемоусили-

тельных модулей АР; εn= =ψn(t)ехр(iΩ0t) = ψ(zn,t)ехр(iΩ0t)ехр[iϕ(zn,t)] и In

= I(zn) − ПВ-сигнал ε(z,t) и значения АФР I(z), соответствующие элементу n с координатой zn; υ − скорость акустической волны в звукопроводе; ∆у − длина звукопровода АОМ.

а) б) в)

Рисунок 5.4 − Апертура модулятора (а) и режимы дифракции РаманаНата (б) и Брэгга (в)

Вследствие пространственно-временной модуляции показателя преломления (5.4) АОМ по существу представляет собой динамическую фазовую дифракционную решетку, на которой возможны различные режимы дифракции просвечивающего пучка света E0. Характер дифракции существенно зависит от параметра дифракции Q = 2πλl/λa2 (λa − длина акустической волны; l – толщина акустооптической ячейки). Условно считают, что при параметре Q << l (который называют режимом дифрак-

123

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

ции Рамана-Ната), объемную структуру АОМ можно приближенно рассматривать как плоскую. Это позволяет описать процесс пространственной фазовой модуляции светового пучка с помощью функции пропуска-

где Т0 − значение прозрачности невозбужденного звукопровода АОМ (при Um = 0); jn − функция зрачка n-канала, зависящую от x0и y0; ∆nn задается формулой (5.4).

В соответствии с (2.34) дифракционная картина содержит значительное число максимумов с симметричным относительно нулевого порядка распределением интенсивности света (рис. 5.4, б).

Функция ехр (ikl∆nn) − нелинейная, поэтому при большом значении ее аргумента возможны нелинейные искажения ПВ-сигнала, вводимого в КОП. На практике используют линейный режим работы. В этом случае функцию пропускания (5.5) правомерно аппроксимировать двумя

n=1

Световой пучок (5.6) фактически представляет собой оптическую модель ПВ-радиосигнала, принимаемого элементами АР [4].

Преобразования сигнала в КОП. Дискретный ПВ-сигнал εn(t),

принимаемый элементами АР, вводится (адресуется) в многоканальный АОМ (см. рис. 5.2) и считывается с последнего в КОП в виде оптического сигнала (5.6). Этот сигнал подвергается Фурье-преобразованию (5.3) с помощью линзы Л. Характер преобразования удобно проследить на непрерывной модели радиооптической АР, элементы которой размещены непрерывно (бесконечно плотно) вдоль оси z АР и также непрерывно адресованы в соответствующие каналы АОМ по линейному закону адресации (рис. 5.2) х0 = z/mx, где mx = ∆z/∆x (масштаб адресации), ∆z и ∆x − линейные размеры АР и АОМ.

124

Введение в радиооптику

При этом следует учитывать, что элементы реальных АР нельзя разместить плотнее, чем через dz = Λ/2, а каналы АОМ − через dx = 1...1,5 мм, что вызвано как акустооптическим взаимодействием "каналов" так и технологическими ограничениями. Поэтому по порядку величины mx=dz/dx = 10...100.

С учетом (5.7) дискретному оптическому сигналу (5.6) соответствует сигнал непрерывный

где произведение функций Ix(х0)Iy(у0) − непрерывный аналог j(х0,у0). Пренебрегая затуханием, расходимостью акустических волн в

звукопроводе и неидентичностью возбуждения каналов, полагаем Ix(х0) = rect(x0/∆x) и Iy(у0) = rect(y0/∆y). Амплитудно-фазовое распределение I(mxx0) = I(z) определяется параметрами ДН АР: шириной ее главного лепестка и уровнем боковых лепестков. Подставим входной сигнал (5.8) в Фурье-преобразование (5.3), осуществляемое собирающей линзой Л (см.

где е(0)(ωx,ωу) = E0T0∆x∆y/λfл; sinc(х) = sin(πх)/πх; δωx = 2π/∆x, δωy = =2π/∆у − полуширина главного лепестка образа (5.10) по нулевому уровню, приблизительно равная его ширине на уровне 0,5 по мощности;

х{…}, у{...} − одномерные Фурье-преобразования по соответствующим осям:

е(1)(ωx,ωу) = E0T(1) ху {I(mxx)rect(y0/∆y)εn(t + y0/υ − 0,5∆y/υ)}/λfл. (5.11)

Используя теорему о свертке [1, 4] и формулы (5.1), (5.2), а также символ свертки

∞

{Iε} = {I} {ε} = Ф(Ωz ) s(Ωz,Ω) = ∫Ф(Ω′z )s(Ωz - Ω′z ,Ω)dΩz ,

-∞

последнее выражение можно записать в виде

е(1)(ωx,ωy) = е0(1)(ωу)Ф0(ωx/mx) {s(ωx/mx, ωyυ)×

где е(1) = E0T(1)∆z∆y/mxλfл − безразмерный коэффициент, характеризующий эффективность приемоусилительного модуля, канала АОМ и его

125

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

согласующую цепь; Ф0(ωx/mx) = х{I(mxx)/∆z = Ф(Ωz)/∆z, причем Ф(Ωz) − ДН решетки, определяемая соотношением (5.1); s(Ωz,Ω) = zt{ε(z,t)} − ПВ-спектр принимаемого ПВ-сигнала (5.2), который совпадает с углочастотным спектром и характеризует угловое распределение радиоисточников на текущей частоте Ω= 2πF.

Частоты, на которых работают АОМ, как правило, ниже принимаемых АР радиочастот Ω, поэтому принятый радиосигнал с помощью гетеродинного преобразования смещается в область рабочих частот АОМ − Ωa/2π = F − Fг (Fr = Ωг/2π − частота гетеродина). При этом дифракто-

грамма (5.12) смещается на поднесущую пространственную частоту ωу = =Ωr/υ:

Как видно из анализа (5.9) − (5.12), на выходе рассматриваемого КОП формируются два световых распределения. Первое из них е(0), называемое нулевым порядком дифракции, не зависит от принимаемого сигнала и обусловлено нулевым членом разложения (5.9). Информационным слагаемым является ПВ-сигнал е(1) − (5.12), который обусловлен первым членом разложения (5.9) и в дальнейшем называется первым порядком дифракции.

Рассмотрим выражение (5.12) для простейшего случая, когда на АР падает плоская волна с амплитудой εq от точечного монохроматического источника q с обобщенной угловой координатой Ωzq = Ωqcosθq/c и

частотой Ωq. Тогда ε(z,t) = εqexp[i(Ωqt + Ωzqz)] и в соответствии с (5.2) s(Ωz, Ω) = εq δ(Ωz − −Ωzq)δ(Ω − Ωq), где δ − функция Дирака. При подста-

Как видно из (5.14), точечный монохроматический источник q отображается в выходной плоскости (рис. 5.5) КОП в виде смещенного монохроматического светового пятна.

Рисунок 5.5 − Выходная дифрактограмма

126

Введение в радиооптику

Координаты максимума определяются обобщенной угловой координатой Ωzq и частотой Ωq, а форма огибающей − формой ДН АР Ф0 = ФАР и изображающего ядра оптического спектроанализатора (ОСА)

При идеальном звукопроводе без затухания акустической волны, т.е. при равномерной весовой функции Iу(у), Фt(ωy) = sinc(ωy/δωy) = =sinсΩ/δΩ), δωy = 2π/∆y − ширина разрешающего ядра ОСА по уровню

0,7.

В общем случае ПВ-спектра (5.2) в виде суперпозиции бесконечно∞большого числа точечных монохроматических источников s(Ωz,Ω) =

= ∑εq δ(Ωz − Ωzq ) δ(Ω − Ωq) выходное изображение (5.12) можно также

q=1

рассматривать как суперпозицию бесконечного числа элементарных его

∞

∑e(1)

образов (5.14): e(1) = q как видно из (5.14), каждый из них воспроиз-

q=1

водится в масштабе:

cosθ = Ωz/K = ωx/Kmx = (Λ/λfлmx)x; F = Ω/2π = ωyυ/2π = υfлy/2 (5.16)

и с конечным разрешением, не превышающим ширину ДН Ф0 АР − 2θ05 = =δΩz/ksinθ ≈Λ/∆z и соответственно изображающего ядра Ft − δΩ/2π = =δωyυ/2π=υ/∆y. При гетеродинном преобразовании частоты в (5.16) следует учесть смещение на Fг.

Структура выходного изображения. Слагаемое е(0) (5.10) об-

раза (5.9) локализуется на оптической оси КОП (см. рис. 5.5), т.е. его максимум имеет место при ωх = ωу = 0. Оно легко фильтруется в КОП и не интерферирует с образом (5.12).

Поскольку АОМ является нелинейным устройством, то в (5.6) правомерно пользоваться только действительным сигналом ε(z,t) = =Re{ε(z,t)} = (ε+ε*)/2, где символ * − знак комплексного сопряжения. Поскольку спектр действительного сигнала обладает свойством эрмито-

вости s(Ωz,Ω) = s*(−Ωz,−Ω), оптический образ источника радиосигналов е(1) (5.10) в (5.9) отображается в виде е(1) = е(+1) + e(-1), где е(±1) − плюс и минус первые порядки дифракции, которые абсолютно эквивалентны друг другу и отображаются центрально-симметрично относительно оптической оси процессора (см. рис. 5.5).

Общим недостатком раман-натовских АОМ является сравнительно неширокая полоса модуляции ∆F, которая обычно не превышает

127

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

несколько десятков мегагерц и низкая дифракционная эффективность. Стремление расширить ∆F приводит к необходимости увеличить центральную частоту АОМ, что автоматически переводит АОМ в брэгговский режим работы, поскольку параметр дифракции Q = 2πλl/λ2a >> 1. При этом процесс акустооптического взаимодействия более сложен и не подчиняется закономерности (5.6), поскольку фазовая дифракционная решетка, возникающая в звукопроводе вследствие модуляции показателя преломления (5.4), становится принципиально трехмерной. Этот случай называют режимом дифракции Брэгга [26]. Несмотря на усложнение природы дифракции, выходная дифрактограмма сохраняет пространственную структуру (5.9). При угле падения света на АОМ, называемом углом Брэгга − θБ = ±λ/2λа (λ − длина волны света, λа − длина акустической волны) акустооптическая ячейка избирательно селектирует только один полезный дифракционный порядок (+1 на рис. 5.4, в и рис. 5.5), однако смещает его на поднесущую пространственную частоту ωуБ = ksinθБ.

Следует отметить, что АОП к настоящему времени подтвердили свое право на жизнь. Ими эффективно реализованы основные алгоритмы обработки различных радиосигналов (полосовая и согласованная фильтрации, корреляционный и спектральный анализы, операции векторной алгебры). Однако ряд технико-технологических проблем АОП требует еще своего решения. Продолжается поиск новых более технологичных и дешевых материалов для звукопроводов АОМ и технология их изготовления.

В последние годы ведется большая работа по созданию элементной базы интегральной оптики и оптических интегральных схем (ОИС) для обработки информации − оптических интегральных процессоров. Оптические волноводные методы обработки информации используют как преимущества оптического канала передачи информации (возможность параллельной обработки, высокое быстродействие, помехозащищенность и т.п.), так и достоинства, присущие собственно ОИС (высокая надежность и компактность, малая подводимая мощность, возможность монолитного исполнения). Реализация оптических процессоров радиочастотных сигналов требует разработки широкополосных АОМ, основанных на взаимодействии поверхностных акустических волн с оптическими волноводными модами. До настоящего времени такие АОМ изготовлялись главным образом на кристаллах ниобата лития. Однако полная интеграция (источник света − АОМ − фотоприемник) пока еще не достигнута.

В настоящее время существует несколько разновидностей инте- грально-оптических корреляторов аналоговых и цифровых сигналов. Реализованы варианты устройств как с пространственным, так и временным интегрированием. Их работа основана на взаимодействии когерент-

128

Введение в радиооптику

ных световых пучков в планарных оптических волноводах с дифракционными решетками, индуцированными ПАВ, с последующим преобразованием Фурье пространственно-модулированного оптического сигнала планарными волноводными (геодезическими) линзами, а также выделением фотоприемником требуемого выходного сигнала. По достигнутым параметрам интегрально-оптические корреляторы и спектроанализаторы пока уступают АОП на объемных акустических волнах. В современной радиоэлектронике АОП корреляционного типа применяются для обработки сигналов радиолокационных станций и систем помехозащищенной радиосвязи. Главное применение АОП спектрального типа − радиоастрономия (как пример, − функционирующий отечественный радиотелескоп РАТАН-600).

Поскольку завтрашний день радиооптики ориентирован на внедрение прогрессивных методов оптотехники, а последняя, для эффективной обработки сигналов, предполагает использование каналов оптоволоконной связи, то следует рассмотреть и эти системы канализации энергии.

6 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЛС

6.1 Общие положения

Волоконно-оптический канал (линия) связи (ВОКС, ВОЛС) − это вид среды передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Волоконно-оптическая сеть − это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются ВОЛС. Технологии волоконно-оптических сетей помимо вопросов волоконной оптики охватывают также вопросы, касающиеся электронного передающего и приемного оборудования, их стандартизации, протоколов передачи, вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей и многое другое.

Преимущества ВОЛС

Широкая полоса пропускания − обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014 Гц [32 − 35]. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волноводу (ОВ) потока информации в несколько терабит в секунду, что и является наиболее важным преимуществом ОВ над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время промышленное ОВ имеет затухание 0,151 − 0,3 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что совместно с небольшой дисперсией позволяют

129

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 и более км [36].

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле (ВОК) позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой ибыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Поскольку ОВ изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Малый вес и объем. ВОК имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями (в расчете на одну и ту же пропускную способность). Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним ОВ с диаметром 0,1 см. Если ОВ "одеть" во множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля [37, 38]

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приемапередачи. Системы мониторинга целостности ВОЛС, используют свойства высокой чувствительности ОВ, могут мгновенно отключить "взламываемый" канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным ОВ, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям и к небольшим перепадам давления [39]. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество ОВ заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "земельных" петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия новообразования ОВ повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабаты-

130