Анализаторы на основе акусттптический фильтров

Для анализа спектра радиосигналов могут быть использованы коллинеарные акустооптические фильтры.

На рис. 3.9 приведена одна из возможных схем спектроанализатора с коллинеарной дифракцией. Устройство включает в себя акустооптическую ячейку 1,источник белого света 2 дисперсионный элемент 3, транспарант с переменной прозрачностью 4 и поляризаторы 5. Анализируемый сигнал поступает на преобразователь ячейки 6 и возбуждает продольную упругую волну, которая, отразившись от входной грани фильтра, трансформируется в поперечную. При коллинеарном взаимодействии света с поперечной акустической волной происходит преобразование спектра акустического сигнала в спектр оптический, так как условие фазового синхронизма устанавливает однозначное соответствие между составляющими s(t) и длинами волн света. Продифрагировавшее излучение разлагается в спектр дисперсионным элементом (призмой или дифракционной решеткой), а затем проходит через транспарант с переменной прозрачностью. Транспарант необходим для того, чтобы выровнять спектральную характеристику источника света, а также компенсировать дисперсионную зависимость показателей преломления. Конструктивно такие устройства сложнее анализаторов с ортогональной геометрией; кроме того, для них требуются дисперсионные элементы высокого качества. Но зато коллинеарная геометрия взаимодействия позволяет упростить оптику устройства и снизить потребляемую мощность за счет большой длины взаимодействия.

3.8. Устройства для сжатия радиоимпульсов

С помощью пространственных АОМ можно увеличивать или уменьшать длительность радиоимпульсов и таким образом изменять временной масштаб радиосигналов. Обрабатываемый сигнал s(t) подается на преобразователь модулятора, и возникающее в ячейке пространственно-модулированное акустическое поле считывается узким сканирующим световым пучком. При перемещении пучка в направлении распространения ультразвука со скоростью v_L < v с фотоприемника, регистрирующего дифрагированное излучение, снимается импульс с увеличенной длительностью τ'_и = τ_иv/(v - v_L), где τ_и - длительность исходного радиоимпульса. Если же пучок перемещается навстречу акустической волне, то происходит сжатие импульса: τ'_и = τ_иv/(v + v_L).

Необходимость сжатия радиоимпульсов возникает в радиолокации, когда для увеличения пространственного разрешения локаторов используются импульсы с линейной частотной модуляцией. По физическим особенностям своей работы устройства для сжатия ЛЧМ импульсов близки к ЛЧМ дефлекторам (рис. 1.10).

Акустическая волна с линейной частотной модуляцией действует на проходящий через ячейку свет как цилиндрическая линза с фокусным расстоянием F_c = n ω v/λ Δf, где Δf = f₂ - f₁ - разность акустических частот в точках z = 0 и z = ω.

В устройствах сжатия импульсов постоянная времени ячейки τ=ω/v выбирается равной длительности ЛЧМ импульса τ, поэтому через промежуток времени t = τ после прихода радиосигнала вся ячейка оказывается заполненной акустической волной.

В процессе заполнения ячейки в фокальной плоскости формируется пятно, перемещающееся по оси z^* со скоростью звука. Его размер при этом уменьшается и достигает минимальной величины δz* = v / Δf в момент времени t = τ . Если в точке пространства, где в этот момент находится пятно, расположить фотоприемник с узким входным окном, то снимаемый с него сигнал будет представлять собой импульс длительностью τ'_и = δz*/v = 1/ Δf. Таким образом, ячейка с постоянной τ = τ_и и полосой пропускания Δf позволяет осуществлять сжатие ЛЧМ импульсов с коэффициентом сжатия N = τ_и / τ'_и = Δf τ.

3.9. Акустооптические корреляторы

Важной областью применения пространственных АОМ является корреляционная обработка сигналов. Рассмотрим некогерентный коррелятор с интегрированием по пространству (рис. 3.10).

Устройство позволяет находить корреляционную функцию электрического сигнала s₁(t) и записанного на транспаранте опорного сигнала s₂(t) . Сигнал s₁(t) вводится в световой пучок с помощью пространственного модулятора 1. В фокальной плоскости линзы 2 располагается пространственный фильтр 3, который пропускает +1-ый порядок дифракции, а остальные задерживает. Линза 4 совершает обратное преобразование Фурье оптического сигнала, в результате чего в ее задней фокальной плоскости формируется пространственное изображение сигнала s₁(t). Если сигнал s₂ записан на транспаранте 5, то за транспорантом распространяются три волны нулевого +1-ого и -1-ого порядка, направление распространения которого совпадает с направлением падающего на ячейку света.

Информация содержится в ±1-х порядках. Для ее выделения в фокальной плоскости интегрирующей линзы 6 располагается экран 7 с отверстием, пропускающим только волну -1-ого порядка. Выходной сигнал с фотоприемника является корреляционной функцией квадратов амплитуд сигналов s₁ и s₂.

Световая волна в некогерентных процессорах, продифрагировавшая на первом транспаранте, испытывает повторную дифракцию на втором. В отличие от этого, в когерентных процессорах функция взаимной корреляции получается в результате гетеродинирования на фотоприемнике двух волн: сигнальной и опорной. Примером когерентного процессора может служить анализатор с опорным пучком (рис. 3.7).

К классу когерентных процессоров относится и коррелятор, изображенный на рис. 3.11. От рассмотренного выше некогерентного коррелятора он отличается тем, что фильтр 3 пропускает, кроме +1-го, также нулевой порядок дифракции. При прохождении немодулированной компоненты светового пучка через транспарант 5 возникает волна, которая имеет такое же направление распространения, что и +1-ый порядок от ячейки. Эта волна и является опорной в процессе гетеродинирования.

Выходной сигнал фотоприемника содержит функцию взаимной корреляции сигналов s₁ и s₂. Эта составляющая тока фотодетектора наложена на высокочастотную несущую, ее можно выделитьи с помощью полосового фильтра.

На рис. 3.12 представлена схема компактного коррелятора, который содержит только одну, интегрирующую линзу 3. В этой схеме транспарант 2 помещается сразу после модулятора 1. Коррелятор работает так же, как и устройство, изображенное на рис. 10.4: на фотодетекторе 4 смешиваются +1-ые порядки дифракции, возникающие при прохождении плоской световой волны через ячейку и транспарант.

В некоторых схемах корреляторов вместо транспаранта используется вторая ячейка (рис. 3.13). Такие устройства позволяют находить корреляционную функцию двух электрических сигналов s₁(t) и s₂(t) .

Время корреляции в процессорах с пространственным интегрированием не превышает нескольких десятков микросекунд. Для обработки сигналов с большей длительностью (10^-1с и более) разрабатываются корреляторы с временным интегрированием в матричных фотодетекторах (рис. 3.13).

Контрольные вопросы

1. Перестраиваемые акустооптические фильтры. Принцип действия, разновидности.

2. Коллинеарные акустооптические фильтры. Особенности коллинеарного взаимодействия.

3. Схемы коллинеарных акустооптических фильтров.

4. Неколлинеарные акустооптические фильтры. Их отличительные особенности.

5. Неколлинеарные акустооптические фильтры с широкой угловой апертурой.

6. Акустооптические методы обработки радиосигналов.

7. Анализаторы спектра радиосигналов. Принцип действия, разновидности.

8. Одноканальные анализаторы спектра радиосигналов.

9. Многоканальные анализаторы спектра радиосигналов.

10.Анализаторы спектра радиосигналов на основе акусттптический фильтров

11.Устройства для сжатия радиоимпульсов.

12.Некогерентные акустооптические корреляторы.

13.Когерентные акустооптические корреляторы.

Лекция 4