Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Акустооптическое взаимодействие и его применение для обработки информации 13
1.1. Современное состояние исследований в области акустооптики 13
1.1.1. Дифракция когерентного оптического излучения на ультразвуке 13
1.1.2. Акустооптические методы обработки информации 15
1.2. Расширение возможностей акустооптического взаимодействия 17
Выводы 19
ГЛАВА 2. Особенности взаимодействия когерентного оптического излучения и ультразвука с непрерывным частотным спектром в области высоких частот 21
2.1. Дифракция когерентного оптического излучения на ультразвуке с непрерывным частотным спектром в режиме Брэгга 21
2.2. Влияние затухания ультразвука с непрерывным спектром на эффективность акустооптического взаимодействия в области высоких частот 30
2.3. Влияние неоднородностей среды акустооптического взаимодействия на эффективность брэгговской дифракции когерентного оптического излучения на ультразвуке с непрерывным частотным спектром 36
Выводы 39
ГЛАВА 3. Акустооптические методы обнаружения, определения вида модуляции и внутренней структуры фазоманипулированных широкополосных сигналов 41
3.1. Обнаружение и определения вида модуляции фазоманипулированных широкополосных сигналов при акустооптической обработке 41
3.2. Оценивание внутренней структуры фазоманипулированных широкополосных сигналов в акустооптическом демодуляторе при квадратичной оптоэлектронной обработке 55
3.3. Оценивание внутренней структуры фазоманипулированных широкополосных сигналов в акустооптическом демодуляторе при когерентной оптоэлектронной обработке 66
Выводы 73
ГЛАВА 4. Акустооптическая корреляционная обработка при оценршании времен задержек широкополосных сигналов ...74
4.1. Оценивание времени задержки широкополосных сигналов при многоканальной акустооптической корреляционной обработке 74
4.2. Расширение временного интервала оценивания времен задержек широкополосных сигналов в акустооптическом корреляторе при использовании двух опорных сигналов для модуляции интенсивности источника оптического излучения 84
4.3. Расширение временного интервала оценивания времен задержек широкополосных сигналов в многоканальном акустооптическом корреляторе 93
Выводы 103
Заключение 104
Список литературы 106
- Дифракция когерентного оптического излучения на ультразвуке
- Влияние затухания ультразвука с непрерывным спектром на эффективность акустооптического взаимодействия в области высоких частот
- Оценивание внутренней структуры фазоманипулированных широкополосных сигналов в акустооптическом демодуляторе при квадратичной оптоэлектронной обработке
- Расширение временного интервала оценивания времен задержек широкополосных сигналов в акустооптическом корреляторе при использовании двух опорных сигналов для модуляции интенсивности источника оптического излучения
Введение к работе
В последние десятилетия при решении сложных прикладных задач как правило возникает необходимость увеличения объемов и скорости обработки информации. Учитывая, что традиционные методы обработки, базирующиеся на использовании цифровой техники, несмотря на интенсивное развитие последней, не справляются с этой задачей, резко возрос интерес специалистов по обработке информации к системам и устройствам, использующим достижения оптики, акустики, физики твердого тела и электроники и позволяющим реализовывать операции параллельного преобразования Фурье, свертки и корреляции в широком диапазоне частот в реальном масштабе времени. В основе работы таких устройств лежат эффекты акустооптического взаимодействия — дифракции когерентного оптического излучения на ультразвуковых волнах в фотоупругих средах. Исследованию акустооптического взаимодействия, принципам построения и анализу характеристик устройств на его основе посвящено большое количество работ. В связи с тем, что в последнее время при решении прикладных задач наметился переход к освоению миллиметрового диапазона частот и широкому использованию фазоманипулированных широкополосных сигналов (ФМШПС), возникает необходимость исследования возможности применения для обработки таких сигналов акустооптических устройств. Однако акустооптическому взаимодействию для ультразвука, имеющего широкую полосу частот, лежащему в основе работы таких устройств, до настоящего времени не уделялось достаточного внимания. Поэтому, исследование особенностей акустооптического взаимодействия когерентного оптического излучения и ультразвука с непрерывным широким частотным спектром в области высоких частот и их использование в акустооптических устройствах для обработки ФМШПС в реальном масштабе времени является актуальным.
Цель работы — исследование взаимодействия когерентного оптического излучения и ультразвука с непрерывным ограниченным частотным спектром в области высоких частот, и его применения для обработки широкополосных электрических сигналов.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Исследование влияния на эффективность дифракции когерентного опти ческого излучения на ультразвуке с непрерывным спектром в области высоких частот в фотоупругих средах: ширины спектра ультразвука; затухания ультразвука при его распространении в среде акустооптиче-ского взаимодействия; неоднородностей среды акустооптического взаимодействия.
Исследование возможностей акустооптической обработки при обнаружении ФМШПС и определении вида их фазовой модуляции.
Анализ возможностей акустооптической обработки при определении внутренней структуры ФМШПС в реальном масштабе времени.
Расширение возможностей акустооптических корреляторов с временным интегрированием при оценивании времен задержек ФМШПС.
Объектом исследования является взаимодействие когерентного оптического излучения и ультразвука с непрерывным частотным спектром в области высоких частот в фотоупругих средах, и работающие на его основе устройства обработки ФМШПС.
Достоверность работы подтверждается использованием апробированных методов теории уравнений в частных производных, теории возмущений, математической статистики, электродинамики и статистической физики; совпадением полученных теоретических результатов при переходе к частным случаям с известными; подтверждением отдельных теоретических результатов известными экспериментальными данными.
Научная новизна. Все основные результаты данной работы являются новыми.
1. Определено влияние на эффективность дифракции когерентного оптического излучения на ультразвуке с непрерывным спектром в области высоких частот ширины спектра ультразвука при отклонении центральной частоты спектра ультразвука от частоты Брэгга, затухания ультразвука при распространении в сре- де акустооптического взаимодействия и наличия неоднородностеи среды взаимодействия.
Впервые предложен метод акустооптической обработки для обнаружения и определения вида модуляции ФМШПС, принимаемых в условиях шумов и исследованы его потенциальные возможности.
Предложены методы когерентной и квадратичной оптоэлектронной обработки дифрагированного оптического излучения в акустооптических демодуляторах при определении внутренней структуры ФМШПС и исследована их эффективность.
Разработаны методы увеличения временных интервалов оценивания времен задержек ФМШПС при акустооптической корреляционной обработке и исследованы их потенциальные возможности.
Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что они позволяют: — определить интервал частот, в котором возможна акустооптическая об работка широкополосных сигналов при допустимых искажениях последних; определять конструктивные параметры ультразвуковых модуляторов света для конкретных акустооптических устройств обработки ФМШПС в реальном масштабе времени; оценивать потенциальные возможности и эффективность работы конкретных акустооптических устройств в условиях мешающих шумов и обосновывать целесообразность их применения для обработки ФМШПС, а также подтверждается полученными патентами.
Основные положения выносимые на защиту:
1. Результаты исследования влияния на эффективность дифракции когерентного оптического излучения на ультразвуке с непрерывным спектром в области высоких частот ширины спектра ультразвука с учетом затухания ультразвука и наличия неоднородностеи среды акустооптического взаимодействия.
Метод акустооптической обработки для обнаружения и определения вида модуляции ФМШПС в условиях мешающих шумов и результаты исследования его эффективности.
Результаты исследования эффективности определения внутренней структуры ФМШПС в акустооптических демодуляторах при когерентной и квадратичной оптоэлектронной обработке дифрагированного оптического излучения в условиях мешающих шумов.
Методы увеличения временного интервала для оценивания времен задержек ФМШПС в акустооптических корреляторах с временным интегрированием (АОКВИ) при использовании линии задержки и модуляции интенсивности оптического излучения двумя опорными сигналами, сдвинутыми друг относительно друга на время распространения звука вдоль апертуры ультразвукового модулятора света (УЗМС) и регистрации оптических сигналов в выходной плоскости АОКВИ двумя матрицами фотоприемников и результаты исследования их эффективности.
Личный вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре оптики и спектроскопии Воронежского госуниверситета. Все включенные в диссертацию результаты получены лично автором или при его непосредственном участии. Им сформулированы основные выводы и научные положения, выносимые на защиту.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на XVI EFTF European Frequency and Time Forum (St. Petersburg, 2002), международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж 2002, 2004, 2005), на международной научно-технической конференции «Кибернетика и технологии XXI века» (Воронеж 2003, 2005), VII International conference for young researchers "Wave electronics and its applications in the information and telecommunication systems"(St. Petersburg, 2004).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 18 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 122 страницы машинописного текста, 19 рисунков. Список литературы содержит 184 наименования.
В первой главе проведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованиям различных вопросов акустооптического взаимодействия и его применению в системах обработки информации. Обоснована необходимость развития теории акустооптического взаимодействия для учета влияния на его эффективность ширины спектра ультразвука и характеристик среды взаимодействия и совершенствовании акустооптических методов обработки широко применяемых в современных технических системах ФМШПС. Сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе исследованы особенности акустооптического взаимодействия когерентного оптического излучения и ультразвука с непрерывным ограниченным частотным спектром в области высоких частот. Рассчитаны распределения амплитуд дифрагированных световых волн при акустооптическом взаимодействии в фотоупругих средах. Исследована зависимость амплитуд дифрагированного света от длины области акустооптического взаимодействия, ширины и формы спектра ультразвука и величины отклонения центральной частоты спектра ультразвука от частоты Брэгга. Рассмотрено влияние затухания ультразвука и не-однородностей среды акустооптического взаимодействия на эффективность дифракции когерентного оптического излучения.
В третьей главе рассматривается обнаружение и определение вида модуляции ФМШПС в условиях мешающих шумов в реальном масштабе времени. Предложен метод акустооптической обработки для обнаружения и определения вида модуляции ФМШПС в условиях мешающих шумов. Для конкретной опто-электронной схемы, регистрирующей дифрагированное оптическое излучение, получены аналитические выражения для вероятностей правильного определения вида модуляции принимаемых ФМШПС, на основании которых проведен анализ, позволивший оценить эффективность предложенного метода.
Исследована эффективность оценивания внутренней структуры ФМШПС при когерентной и квадратичной оптоэлектронной обработке дифрагированного оптического излучения в акустооптических демодуляторах в условиях мешающих шумов. Для случая соизмеримости пространственной длительности отдельного импульса ФМШПС с размерами апертуры УЗМС (среды акустооптического взаимодействия) получены аналитические выражения для вероятностей принятия правильных и ошибочных решений при определении наличия и отсутствия скачка фазы во фрагментах сигналов, находящихся в апертуре УЗМС.
В четвертой главе рассматривается расширение возможности оценивания времен задержек ФМШПС в АОКВИ в условиях мешающих шумов в реальном масштабе времени. Предложен метод увеличения временного интервала оценивания времени задержки широкополосных сигналов в АОКВИ с линиями задержки. Для конкретной оптоэлектронной схемы исследована эффективность формируемых оценок времен задержек принимаемых сигналов.
Анализируется предложенный метод увеличения временного интервала для оценивания времен задержек ФМШПС в АОКВИ при модуляции интенсивности оптического излучения двумя опорными сигналами, сдвинутыми друг относительно друга на время распространения звука вдоль апертуры УЗМС и регистрации оптических сигналов в выходной плоскости АОКВИ двумя матрицами фотоприемников. Проведен анализ эффективности формируемых оценок времен задержек принимаемых сигналов и вероятностей правильного принятия решений о величине времен задержек принимаемых сигналов.
В заключении приведены выводы по результатам, полученным в работе.
Дифракция когерентного оптического излучения на ультразвуке
Возрастающая необходимость увеличения скорости и объемов обработки информации при решении прикладных задач повысили интерес к интенсивно развивающемуся направлению акустооптики. В настоящее время в области акустооптики можно выделить два основных направления исследований. Первым является исследование физических основ акустооптического взаимодействия. Исследования дифракции когерентного оптического излучения на акустических волнах начались в 20-х годах прошлого века. Возможность взаимодействия звука со светом была предсказана Бриллюэном в 1922 г. [1] и экспериментально подтверждена Люка и Бикаром [2], а также Дебаем и Сирсом [3]. Бриллюэн предсказал, что частота дифрагированного света должна быть сдвинута за счет эффекта Доплера на величину равную частоте звуковой волны. В [4] Бриллюэн дал общую постановку задачи и ее решение с помощью ряда по функциям Матье, относящееся к случаю нормального падения световой волны.
В 1935 - 1936 гг. Раман и Нат [5] разработали теорию дифракции, в которой предполагалось, что звуковой пучок подобен двумерной фазовой решетке, при взаимодействии с которой направления световых лучей не изменяются. При таком подходе распределение интенсивности света по дифракционным максимумам описывается функциями Бесселя. Последующие исследования показали, что эта теория применима лишь для очень узких ультразвуковых пучков. В дальнейших работах Рамана и Ната была найдена бесконечная система уравнений, которые описывают пространственное поведение различных дифракционных порядков. Существенный вклад в исследование дифракции внес СМ. Рытов [6], связавший строгое решение Бриллюэна с приближенной теорией Рамана — Ната и разработавший метод «плавных возмущений», позволивший рассчитать интенсивность дифракционных максимумов в случае нормального падения света на ультразвуковую волну. К середине двадцатого столетия, когда проблема дифракции света на ультразвуковых волнах была сформулирована в терминах интегральных уравнений [7], параметрической теории [8,9], законов сохранения энергии и импульса фотон-фононного взаимодействия [10].
Начиная с шестидесятых годов двадцатого века начался существенный прогресс в развитии акустооптики. Открытие лазера стимулировало интерес к акустооптическим методам управления когерентными световыми пучками, что повлекло за собой развитие теории акустооптического взаимодействия. Следствием этого стало появление значительного количества работ [11-40], посвященных различным аспектам акустооптического взаимодействия, среди которых можно выделить ряд фундаментальных работ [11-13], в которых детально исследован широкий спектр вопросов акустооптики. Рассмотрена классическая и квантовая теория дифракции электромагнитных волн на звуке в изотропных и анизотропных твердых телах. Исследованы особенности АОВ в раман-натовском, брэггов-ском и промежуточном режимах дифракции, а также некоторые прикладные вопросы акустооптики. В работах [11-13, 17-21] рассматривалось решение задачи дифракции света на ультразвуковой волне в самой общей постановке. В [17] рассматривалось акустооптическое взаимодействие оптического когерентного излучения и ультразвука с узким спектром. В [18] исследовались особенности акустооптического взаимодействия для случая ультразвука с дискретным спектром. В [19, 20] исследованы особенности дифракции на квазимонохроматическом ультразвуковом сигнале Асо/со «1 (Асо — ширина спектра, со0 — центральная частота спектра ультразвука) коллимированного и расходящегося когерентного оптического излучения. В [21 ] рассматривалась дифракция плоской световой волны на акустическом узкополосном сигнале. В [22-24] рассматривались особенности дифракции света на акустических импульсах. Исследована дифракция света на ультразвуковых волнах с амплитудной [25] и частотной модуляцией [26-30]. Однако, несмотря на все многообразие работ, посвященных особенностям акустооптического взаимодействия, следует отметить, что основное внимание уделялось исследованиям дифракции когерентного оптического излучения на ультразвуке, возбуждаемом узкополосными электрическими сигналами, либо сигналами с амплитудной и частотной модуляцией.
Наряду с исследованиями характеристик акустооптического взаимодействия большое количество работ посвящено его применению в системах обработки информации, выполняющих операции преобразования Фурье, свертки и корреляции в широком диапазоне частот в реальном масштабе времени. Основными элементами, практически полностью определяющими параметры и возможности акустооптических систем обработки, являются ультразвуковые модуляторы света (УЗМС). В настоящее время в системах акустооптической обработки радиосигналов наибольшее применение нашли УЗМС, изготовленные на базе кристаллов Те02, LiNb03, РЬМо04 и кварца [11-12, 40-53].
Современные акустооптические системы позволяют реализовывать при использовании одной пространственной координаты до 103 параллельных каналов. При этом их быстродействие достигает 109 операций в секунду, полоса частот обрабатываемых сигналов лежит в диапазоне 50 МГц...2ГТц, динамический диапазон порядка 30...60 дБ [51, 53-55].
Среди современных методов научных исследований одним из наиболее фундаментальных является спектральный анализ. Поэтому большое количество работ посвящено акустооптическим устройствам (АОУ) для его осуществления [50-51, 53-108]. Эффективность работы АОС в условиях мешающих шумов рассматривалась при обнаружении, измерении частоты и ширины спектра узкополосных [78] и широкополосных [79] радиосигналов, а также сигналов с частотной модуляцией [81]. Возможность создания АОС с широкой полосой анализа и высоким разрешением подтверждена рядом экспериментов. В [60] описан АОС со средней частотой 2,8 ГГц, шириной полосы анализа 884 МГц, точность оценки частоты ± 250 кГц, динамический диапазон 45 дБ. В [94] описан акустооптиче-ский приемник с полосой анализа 500 МГц, разрешающей способностью 4 МГц и динамическим диапазоном 40 дБ. В [73] приведены результаты экспериментального исследования макета АОС с временным интегрированием, в котором использовались твердотельные УЗМС, работающие на центральной частоте 20 МГц. Полоса анализируемых частот изменялась от 450 Гц до 3 кГц. Максимально достигнутое разрешение по частоте составило 18 Гц. В [90] рассматривался АОС с полосой анализа 500 МГц и разрешением по частоте 1 МГц. Однако следует отметить, что в большинстве работ рассматривалось применение АОС для оценки характеристик спектров только простых сигналов и сигналов с частотной модуляцией [69-70, 81, 89, 92-93]. Учитывая, что в последнее время при решении прикладных задач наметился переход к использованию ФМШПС возникает необходимость исследования возможностей АОС для их обработки.
Влияние затухания ультразвука с непрерывным спектром на эффективность акустооптического взаимодействия в области высоких частот
На величину интенсивности дифрагированного света влияют, как следует из (2.16), вид спектральной плотности ультразвука и величина расстройки центральной частоты его спектра относительно частоты Брэгга. В силу постоянства спектральной плотности ультразвука поведение кривых на рис.2.3 и 2.4 нетрудно объяснить, используя результаты расчетов, представленные на рис.2.2. При коэффициентах широкополосности Аа /а 0 0,1 (ширина спектра ультразвука мала) изменение интенсивности дифрагированного света в области частот, соответствующей ширине спектра ультразвука, можно считать практически линейным (кривые 1 и 3). Причем при отрицательной расстройке центральной частоты относительно частоты Брэгга Аа 0 =-0,\5а в интенсивность 1 возрастает с увеличением частоты в области ширины спектра, а при положительной расстройке Аб)0 =0,15соБ убывает. С увеличением коэффициента широкополосности Ай)/й)0 = 0,2 возрастает область частот, соответствующая ширине спектра ультразвука и начинает проявляться нелинейный характер зависимости 1 от частоты, что и подтверждает поведение кривых 2 и 4.
Таким образом, рассмотрена брэгговская дифракция когерентного оптического излучения на ультразвуковых волнах с ограниченным непрерывным частотным спектром в области высоких частот. Показано, что интенсивность дифратированного света в основном определяется волновым параметром акустооптиче-ского взаимодействия и величиной отклонения центральной частоты спектра ультразвука от частоты Брэгга. Представлены расчеты распределений интенсив-ностей дифрагированного света для случая, когда спектральная плотность ультразвука постоянна в ограниченной полосе частот. Показано, что при нулевой расстройке центральной частоты спектра ультразвука относительно частоты Брэгга распределение интенсивности дифрагированного света на частотах ультразвука, соответствующих ширине его спектра, практически не меняется. Для расстройки отличной от нуля Лй)0 =±0,15 уБпри коэффициентах широкополосности ультразвука 0,1 зависимость распределения интенсивности дифрагированного света на ультразвуке с частотами, соответствующими ширине его спектра, практически линейна. Для коэффициентов широкополосности 0,1 начинает проявляться ее нелинейный характер.
Полученные результаты позволяют определить интервал частот, в котором возможна акустооптическая обработка широкополосных сигналов при допустимых искажениях последних.
Рассмотрим акустооптическое взаимодействие когерентного оптического излучения и ультразвука с непрерывным частотным спектром с учетом затухания ультразвука при его распространении в изотропной среде взаимодействия для геометрии, представленной на рис.2.1. Для учета затухания ультразвука в среде АОВ введем коэффициент затухания а(со), который для многих материалов определяется как а{р))= Го)2/Лтг2 [11, 62]. Будем считать, что на плоскость z = 0 под углом Брэгга вБ (2.2) к оси z падает плоская электромагнитная волна (2.1), а ультразвук возбуждается электрическим сигналом (2.3). Представляя акустическую волну в виде разложения по плоским монохроматическим волнам с учетом коэффициента затухания
На рис.2.5 представлены зависимости I = I{1)(cox,t)/(uoLDk2/2ARHkz)2— интенсивности дифрагированного света в дальней зоне, нормированной на ее максимальную величину, соответствующую случаю Асо = 0, Асо0 = 0, от нормированной расстройки по пространственной частоте относительно центральной пространственной частоты ультразвука (fx - fx0 )/А/ш . Кривые построены для ниобата лития [11, 47, 49, 62] при Q = 5, Г = 15 дБ/(м-ГГц2), D = 0,01м, /0 = 0,5ГГц, Af/AfM=0,5, Aco0/cos=Q. Кривые 1 соответствуют случаю монохроматического ультразвука (т.е. Асо/со =0), кривые 2 соответствуют значению параметра Аю/(о0 = 0,1, кривые 3 — Асо/саа = 0,2. Из хода кривых видно, что увеличение ширины спектра ультразвука приводит к уширению дифракционных максимумов и уменьшению их интенсивности.
На рис.2.6 и 2.7 представлены аналогичные зависимости 1 от {fx fx0)l А/хы при значениях параметров aD- 0,0375, Асо/со0= 0,1 А//А/ы=0,5 (рис.2.6) и aD =0,0375, Ай)/а)0=0,2 Af/AfM= 0,5 (рис.2.7). Кривые 1 соответствуют значениям параметра Асо0/соБ=0, кривые 2 — Асо0/а Б =+0,15, кривые 3 — Аа 0 /соБ = -0,15. Из хода кривых видно, что при увеличении ширины спектра ультразвука интенсивность дифрагированного света при отрицательной расстройке центральной частоты спектра ультразвука относительно частоты Брэгга Аб)0 /соБ = -0,15 убывает медленнее по сравнению со случаями нулевой Асо0/й)Б = 0 и положительной расстройки Асо0/а Б = +0,15 . Это объясняется более медленным возрастанием коэффициента затухания с увеличением частоты в области ширины спектра.
Оценивание внутренней структуры фазоманипулированных широкополосных сигналов в акустооптическом демодуляторе при квадратичной оптоэлектронной обработке
Рассмотрим акустооптический демодулятор (АОД) ФМШПС на базе аку-стооптического конвольвера (АОК), с квадратичной оптоэлектронной системой (ОЭС) обработки дифрагированного оптического излучения, работающего в реальном масштабе времени. Структурная схема такого демодулятора приведена на рис.3.3, где 1 — источник когерентного оптического излучения; 2 — коллиматор; 3 — два идентичных УЗМС, с размерами рабочих апертур D х Н; 4 — интегрирующая линза с фокусным расстоянием /л; 5 — матрица безынерционных фотоприемников с размерами каждого из них вдоль осей О и Охт] d xd ; 6 — смесители; 7 — фильтры нижних частот (ФНЧ); 8 — квадратичные устройства; 9 — сумматор; 10 — выходное решающее устройство. Апертура УЗМС выбрана так, чтобы пространственная длительность отдельного импульса Ут (V— скорость распространения ультразвука в апертуре УЗМС, т — длительность отдельного импульса) ФМШПС была соизмерима с длиной УЗМС вдоль оси Ох, т. е. T«D/V. Пусть на вход АОД поступает аддитивная смесь X(t) = s(t)+n(t) ФМШПС s(t) с бинарной фазовой модуляцией и белого шума n{t). ФМШПС s(t) с бинарной фазовой модуляцией можно записать в виде [161] где {рк} — совокупность коэффициентов, принимающих значения {-1, 1} и сохраняющих их в пределах импульса, определяющая внутреннюю структуру ФМШПС. Аддитивная смесь X(t), воздействуя на пьезопреобразователи двух идентичных УЗМС АОК, возбуждает в звукопроводах каждого из них бегущие навстречу друг другу акустические волны, достигающие центра апертур УЗМС в момент времени, равный Тм/2. Первый УЗМС АОК освещается плоской монохроматической световой волной (3.2) под углом Брэгга (3.3). Комплексная функция прозрачности УЗМС в рассматриваемом случае может быть представлена в виде [50, 54, 56, 62, 65, 98]
Распределение интенсивности дифрагированного светового потока, освещающего фотоприемники, размещенные в плоскости (, rf) перпендикулярной оси Oz вдоль оси 0, при TM/2 t TM, проводя рассуждения, аналогичные [165], Электрический сигнал на выходе фотоприемника с координатами центра ( f = Аб)0/л/4яУ, rj = О), соответствующего частоте 2а 0 может быть представлен в виде где кп — крутизна характеристики преобразования отдельного фотоприемника, nm(t) — внутренние шумы фотоприемника, имеющие нулевое среднее значение («»(0) = и ФУНКЦИЮ корреляции (ивн(0"Вн(О) = ( вн/2)(/, -О» N» — спектральная плотность внутренних шумов. Из (3.18) — (3.23) следует, что выходной сигнал фотоприемника зависит от закона изменения кодовой последовательности ФМШПС, поступающего на входы АОК. В нашем случае может наблюдаться отсутствие либо наличие скачка фазы. При отсутствии скачка фазы (коэффициенты рк для импульсов, находящихся в апертурах УЗМС АОК равны) на выходе фото приемника наблюдается напряжение постоянной амплитуды с частотой 2со0. Прохождение апертуры УЗМС АОК фрагментом сигнала со скачком фазы (которому соответствует комбинация фазовой последовательности {1, -1} или {-1, 1}) сопровождается изменением амплитуды выходного напряжения фотоприемника мени Гм/2 с последующим изменением в течение временного интервала Гм/2 от - a\F до a\F. Электрический сигнал (3.23) с выхода фотоприемника поступает в квадратурные каналы обработки. После умножения на COS2U 0/ И s m2a 0t в первом и втором каналах соответственно, сигналы проходят ФНЧ и после возведения в квадрат в каждом из каналов суммируются. Выходной сигнал сумматора, вводя обозначенияy{t,х) = cos[a Q(t + x/V)-(р0\, 6(t,х) = cos[cy0(t -x/V) + co0Tu - p0], X = cos(2#?0 - co0Tu ) можно записать в виде
Расширение временного интервала оценивания времен задержек широкополосных сигналов в акустооптическом корреляторе при использовании двух опорных сигналов для модуляции интенсивности источника оптического излучения
Выражения для среднего значения и дисперсии оценки времени задержки принимаемого сигнала, регистрируемого v0 - м каналом /0 - го АОКВИ, в соответствии с (4.9) записываются следующим образом ности превышения порога ви-м канале и вероятность совместного превышения порога в к - м и Л-м каналах /0 - го АОКВИ. Предполагая, что помеховая составляющая на входе пороговых устройств является нормальной, ввиду нормальности шумов, наличия интегрирующих линз и работы УЗМС с малым индексом фазовой модуляции, а параметры опорного сигнала, модулирующего интенсивность светового пучка, совпадают с параметрами принимаемого сигнала, выражения для плотностей вероятностей величин сигналов на входе пороговых устройств /- го АОКВИ с учетом (4.7) можно записать в виде — квадрат отношения постоянной составляющей интенсивности светового пучка, освещающего УЗМС, к среднеквадратичной амплитуде его переменной составляющей; Qn=44,2b2N0C?E / NBHT — отношение внешний шум/внутренний шум на входе порогового устройства. Тогда вероятности ошибочного и правильного принятия решений о регистрации времени задержки анализируемого сигнала в соответствии с (4.10) /-м и /0-мАОКВИ — отношение сигнал/шум; у = утр/2кархС]ЬЕ — величина порога, нормированного на максимум среднего значения выходного эффекта фотоприемника.
Нетрудно показать, что выражения для статистических характеристик оценки времени задержки сигнала /0- м АОКВИ на основании (4.11) — (4.13) принимают вид
Из выражений для принятия решений (4.14) и статистических характеристик оценок времени за держки сигнала (4.15), (4.16) видно, что при 2С -» о Ф(а0) — 0, Ф(д) - 1 и, следовательно, вероятность превышения порога на выходе /- го АОКВИ, регистрирующего время задержки Р — \, вероятности превышения порога на выходе других АОКВИ при і Ф і0 (вероятности ошибок) Рош1 - 0, смещение и дисперсия оценки времени задержки ( тм -У0ТЫ/П ) - 0, а) —
На рис.4.2 и 4.3 представлены соответственно зависимости нормированного смещения (f J ( v0TM jn)-1)-103 и дисперсии a) ( v\ ТІ I п2\\ как функции от величины нормированного порога у. Кривые 1 соответствуют значениям параметров Qa=4,Qc=200, 2 — Qn =4, Qc =400, 3 — Qn = 2 , Qc = 400. Из хода кривых видно, что максимальная точность оценивания времени запаздывания сигналов достигается при = 0,4 0,7 и растет с увеличением отношений сигнал/шум и помеха/внутренний шум. Повышение точности оценивания времени запаздывания при увеличении Qn объясняется тем, что возрастание отношения помеха/внутренний шум при постоянном Qc эквивалентно возрастанию выходного отношения сигнал/внутренний шум.
Таким образом, применение в радиотехнических системах, использующих широкополосные сигналы, нескольких акустооптических корреляторов с временным интегрированием позволяет уменьшить время, затрачиваемое на оценивание временной задержки анализируемого сигнала и, следовательно, на его поиск.
Для предложенных алгоритмов обработки регистрируемых фотоприемниками оптических сигналов на выходе акустооптических корреляторов получены аналитические соотношения для статистических характеристик формируемых оценок временной задержки анализируемого сигнала и вероятностей правильного срабатывания необходимого коррелятора, позволяющие определить условия, при которых точность оценивания времени задержки сигнала максимальна. Расширение временного интервала оценивания времен задержек широкополосных сигналов в акустооптическом корреляторе при использовании двух опорных сигналов для модуляции интенсивности оптического излучения. В предыдущем разделе предложен метод расширения временного интервала оценивания времен задержек анализируемых сигналов за счет увеличения чис ла АОКВИ, что требует больших материальных затрат. В данном разделе рассматривается возможность увеличения временного интервала для оценивания времен задержек в отдельном АОКВИ путем модуляции интенсивности источника оптического излучения двумя опорными сигналами, сдвинутыми друг относительно друга на время Ты распространения ультразвука вдоль апертуры УЗМС, и регистрации выходных оптических сигналов АОКВИ двумя линейными матрицами фотоприемников. Структурная схема такого АОКВИ приведена на рис.4.4.
