Magnich_L_N__Molchanov_V_Ya_-_Akustoopticheskie_u (1239102), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Иными словами, если фурье-образсигнала g(t) будет 0(ω), то согласованный фильтр должен иметь частотную характеристику G*(co). Тогда сигнал на выходе этого фильтра будет иметь вид>=g(t')g(t'где справа — функция автокорреляции сигнала g(t).85На основе акустооптйки можно создать несколькотипов устройств, осуществляющих эту операцию. Достоинством акустооптических процессоров является реализуемость большой величины произведения ΓΔ/. Во всехслучаях необходимым элементом устройства являетсяпространственный ультразвуковой модулятор, которыйвводит обрабатываемый сигнал в световой луч. Для введения опорного сигнала используется либо аналогичныймодулятор, либо амплитудная или фазовая маска соответствующего вида. Акустооптический коррелятор иногданазывают пространственным согласованным фильтром.В зависимости от значения параметра Q пространственных модуляторов процессоры работают либо в режиме Рамана — Ната, либо в режиме Брэгга.Процессоры, работающие в режиме Рамана — Ната(несущая частота обычно ниже 100 МГц), при относительно небольших полосах пропускания, могут иметьвремя обработки до нескольких сотен микросекунд, поскольку затухание звука на этих частотах обычно невелико.
На более высоких частотах, где затухание звукавозрастает, большие времена обработки получать затруднительно. Поэтому процессоры в режиме Брэггаобычно имеют времена обработки порядка несколькихмикросекунд, но зато здесь достижимы полосы частотдо 100—300 МГц.По способу выделения амплитудно-модулированногосигнала процессоры разделяются на когерентные и некогерентные. В когерентном процессоре свет на входефотоприемника является результатом интерференциилучей, дифрагировавших в первом (сигнальном) и втором (опорном) модуляторах.
Сигнал свертки с выходафотоприемника наложен на несущую частоту, равнуюсумме двух частот модуляторов. Когерентный метод выделения сигнала свертки иллюстрируется далее на примере процессора в режиме Рамана — Ната. В некогерентном процессоре свет, дифрагировавший в первоммодуляторе, вторично дифрагирует во втором. Такойспособ детектирования характерен для процессоров в режиме Брэгга.5.2.
Режим Рамана—НатаКогда частота ультразвука не очень велика, синусоидальное звуковое поле создает в звукопроводе фазовуюрешетку, которую можно приближенно считать одно86мерной. Это означает, что световые лучи, прошедшиечерез звуковой пучок, на своем пути не успевают изменить направление распространения, а влияние вариацийкоэффициента преломления сказывается только на фазепрошедшего волнового фронта. Примем, что свет распространяется параллельно волновому фронту звуковойволны. Тогда в нормированном виде уравнение (1.17)запишется в виде Em=Jm(ty), где ψ=— ξ£.>JL/FРис.
5.2. Схема акустооптического процессора в режиме Раманг —Ната:/ — пространственный модулятор; 2 — линза для преобразования углового распределения интенсивности света, вышедшего из модулятора, в пространственное; 3 — фильтр, блокирующий непродифрагированный свет; 4 — линза, собирающая свет на фотоприемник 5; 6 — фильтр, настроенный на сигнал с частотой 2Ω.
F — фокусное расстояние линзПри конструировании 'процессора важной задачейявляется преобразование фазовой модуляции, вносимойв световую волнуакустооптическим модулятором,в амплитудную, которую мог бы регистрировать фотоприемник. В принципе, для этой цели было бы достаточно поместить приемник на таком расстоянии от модулятора, где дифракционные порядки достаточно разрешены, и собрать излучение от ±1-го порядков с помощьюлинзы. Правда, при этом размер устройства долженбыть довольно большим. Существуют другие способывыделения амплитудно-модулированного сигнала, описанные в работах [14], [57].Рассмотрим когерентный процессор, устройство которого показано на рис.
5.2. В процессоре используются87первые порядки дифракции, следовательно, амплитудаэлектрического поля £±ι=/±ι(ψ). При малых фазовыхвозмущениях ψ<^1 £±ι·—'±ψ. Если сигнал на входе пространственного модулятора имеет сложную форму, токаждый из его спектральных компонентов дает свойвклад в дифракционное поле каждого из дифракционных порядков. Пройдя последовательно через два пространственных модулятора, световая волна будет иметьвидгде ψ = ψβ [g (t — Χ/Ό) cos Ω (t — χ] Ό) -fг * ** cosg ( t ) — анализируемый сигнал; r ( t ) — опорный сигнал;ψ — постоянная, зависящая от мощностизвуковойволны.Первая линза осуществляетфурье-преобразованиевыходного излучения и позволяет со своей фокальнойплоскости получить пространственное распределение интенсивности.
С помощью маски экранируется засветкаот излучения, распространяющегося в направлении нулевого порядка. Вторая линза осуществляет обратноепреобразование Фурье и формируетраспределениеинтенсивности, соответствующее выражению2Χ/Ό) cos Ω (/ f Χ[Ό) | .Приемник с широкой апертурой выполняет интегрирование этого распределения интенсивности по координате х. В результате на выходе получим сигнал вида:оКогда длина модулятора существенно превышает длину акустической волны, все члены, содержащиеЖители вида cos (2&x/v) при интегрирований даю! значение, близкое к нулю.
В этом случае(5.1)Второе слагаемое в (5.1) представляет собой функцию свертки сигналов g(t) и r ( t ) , наложенную на несущую частоту. Фильтр, находящийся на выходе фотоприемника, пропускает частоты, лежащие в окрестности2Ω, поэтому он позволяет отделить сигнал свертки отмедленно меняющегося первого слагаемого в (5.1).5.3. Конструкция и параметры низкочастотногопроцессораОсновное преимущество низкочастотного процессора— большое время обработки — может быть реализовано при пропорционально большей длине звукопровода.Однако конструирование оптической системы для равномерной засветки апертуры больше 10 см представляетсерьезные трудности. Поэтому в работе [58] было предложено использовать многоходовой пространственныймодулятор, в котором звуковой луч, испытывая многократные отражения, заполняет прямоугольную апертуру.Длина пути акустического луча составила 85 см.
В качествеакустооптического материалаиспользовалсяплавленый кварц, в котором возбуждалась сдвиговаяволна с поляризацией, перпендикулярной направлениюраспространения света (рис. 5.3). Время обработки составляло 250 мкс, несущая частота процессора 30 МГц,полоса пропускания10 МГц. Так была получена величина ΓΔ/=2,5·103. Отражаясь, сдвиговая волна с выбранной поляризацией при угле падения 45° меняет фазуколебаний на 180°. Поэтому примерно 7% пути приходится на участки, где фаза сигнала сдвинута на 180°.Второй пространственный модулятор (для опорного сигнала) был изготовлен на том же звукопроводе, так что39Два акустических луча распространялись по параллельным путям навстречу друг другу.В этой же работе предложена более простая конструкция многоходового процессора (рис.
5.4). Ее един-Рис. 5.3. Схема пространственного многоходового модуляторасвременемобработки250 мксРис. 5.4. Схема пространственяого модулятора с нескомпенсированным изменением фазызвуковой волныственным недостатком является то, что при каждом отражении изменение фазы звуковой волныостаетсянескомпенсированным. Это обстоятельстводолжноуменьшить выходной сигнал, особенно при вычислениисвертки сигналов с дискретной фазовой манипуляцией.Материалом для процессора в режиме Рамана — Натаобычно служит плавленый кварц, из которого можнополучать большие образцы с хорошим оптическим качеством.5.4.
Динамический диапазонДинамический диапазон определяется как область измененияуровня входного сигнала, в пределах которой пропорционально меняется уровень выходного сигнала. Снизу эта область ограниченасобственными шумами устройства. Основной источник шумов —фоновая засветка, связанная с рассеянием непродифрагированногоизлучения различными дефектами обработки оптической системы,внутренними неоднородностями стекла. Например, мерой, уменьшающей фон, является отказ от склеек в формирующей оптике. Использование плавленого кварца в пространственном модуляторе процессора в значительной степени обусловлено его превосходными оптическими качествами.В работе [55] уровень оптического шума, связанного с формирующей системой, оценивается величиной —50 дБ по отношению90к ^мощности источника света. С другой стороны, уровень исследуемого сигнала не может быть слишком большим, потому что иначевеличина дифрагированного поля не была бы пропорциональнаизменению фазы.
Кроме того, при увеличении акустической мощности возникают дополнительные помехи, связанные с перекачкойсвета из второго порядка первого модулятора в первый порядоквторого модулятора. Величина этой помехи определяется выражением [/ι(ψ)/ 2 (ψ)] 2 .-20 ί -30 IОптическийшумОРис. 5.5.0,Формирование динамическогодиапазонапроцессора приуровне оптического шума —50 дБ.(•/оЛ)2 — уровень сигнала; (/ι/2)2 — уровень перекрестного шумаНа рис. 5.5 приведен график, иллюстрирующий формированиединамического диапазона процессора с учетом этих источниковшума.
Из графика видно, что при оптимально выбранной величинеисследуемого сигнала, динамический диапазон акустооптическогопроцессора не превышает 35 дБ. Все сказанное выше относитсяк процессорам с когерентным детектированием. У некогерентныхпроцессоров величина выходного сигнала пропорциональна произведению эффективностей каждого модулятора. Поскольку для обеспечения интенсивности эти эффективности не должны превышать10% от величины падающего света, сигнал на входе фотоприемникана один-два порядка будет меньше, чем в случае когерентного процессора. Соответственно меньшим должен быть и динамический диапазон процессора.5.5. Режим БрэггаВ высокочастотных процессорах используется толькоизлучение, дифрагировавшее в первый порядок, а светв каждом из модуляторов распространяется под углом{Зрэгга к фронту акустической волны, На шсокой ча91стоте звук в стекле испытывает большое затухание, поэтому звукопровод обычно изготавливается из кристаллического материала.
Поскольку высокое оптическоекачество в кристаллах на большой апертуре недостижимо, процессоры в режиме Брэгга имеют времена обработки сигнала не более 10 мкс. Режим детектированияможет быть как когерентным, так и некогерентным(рис. 5.6).Рис. 5.6. Схемы процессоров в режиме Брэгга:а — с когерентным детектированием; б — с некогерентным детектированием;/ — акустооптическая ячейка; 2 — линза; 3 — диафрагма; 4 — фотоприемникВ некогерентном процессоре свет, непродифрагировавший в первом модуляторе, во второй модулятор непопадает.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
