книги / Обработка радиосигналов акустоэлектронными и акустоопритческими устройствами

Л.В. ПУГОВКИН, Л. Я. СЕРЕБРЕННИКОВ, В. М. ШАИДАРОВ,

С.М. ШАНДАРОВ

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ АКУСТООПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИКИ

Важным направлением интегральной оптики является созда­ ние интегральных акустооптических устройств обработки инфор­ мации [1]. Требование повышения информационной емкости та­ ких устройств приводит к необходимости их работы в полосе ча­ стот в сотни МГц и до 1 ГГц.

В статье приводятся результаты исследований некоторых

1.Широкополосное возбуждение ПАВ

вразличных срезах ниобата лития торцевым пьезопрсобразователсм

Для возбуждения ПАВ в акустоэлектронике и интегральной акустооптике используют встречно-штыревые преобразователи (ВШП), которые характеризуются высокой эффективностью и ши­ рокими функциональными возможностями для синтеза различных устройств. В то же время им присущи такие недостатки, как слож­ ность изготовления встречно-штыревых структур для работы на частотах выше 300+400 МГц и узкая относительная полоса рабо­ чих частот.

Для широкополосного возбуждения ПАВ в пьезоактивных ма­ териалах нами разработан торцевой пьезоэлектрический преобра­ зователь (ТПП) [2]. Исследования ТПП на звукопроводе из ниобата лития YZ-ориентации показали достаточно высокую эффек­ тивность возбуждения ПАВ и высокую равномерность коэффи­ циента преобразования в широкой полосе частот [2]. Наряду с YZ-ориептацией LiNbOg, перспективными для создания различ­ ных устройств, являются и другие его срезы. В связи с этим нами

В экспериментах определение акустической мощности ПАВ осуществлялось с помощью метода дифракции света при отраже­ нии его от поверхности с ПАВ. В качестве источника света исполь­ зовался He-Ne лазер (Х=0.63 мкм).

На рис. 1 приведены частотные зависимости коэффициента преобразования ТПП с различными апертурами и величинами за­

Из рис. 1 видно, что коэффициент преобразования ТПП па­ дает с ростом частоты. Это можно объяснить влиянием статической

емкости ТПГГ и уменьшением перекрытия тангенциального электрического поля в зазоре между электродами, а также влия­ нием пьезоэлектрического поля ПАВ. Максимальная широкополосность достигается для ТПП с минимальными зазором и апертурой. Так, при FZ-ориеитащш, апертуре ТПП 0.15 см и ве­ личине зазора 5 мкм неравномерность коэффициента преобразо­ вания составляет 6 дБ в полосе частот 2004-1000 МГц при макси­ мальной величине — 14 дБ. На этом же рисунке приведена частотная характеристика широкополосного ВШП для интеграль­ ных акустооптпческих устройств на LiNb03 FZ -ориентации [1]. Он незначительно превосходит ТПП по эффективности, проигры-

К,дБ

Рис. 1. Частотные зависимости коэффициента преобразования.

ТИП: 1 — YZ, L=0.4 см, 6=10 мкм; 2 — Y Z, L=0.15 см, 6=5 мкм; 3 — A'Z, Ь=0.4 см,

6=10 мкм; 4 — YZ+22°, £,=0.3 см, 6=8 мкм. ВШП: 5 — YZ—LiNbOa из [1].

вал в ширкополосностн. Существенным преимуществом ТПП перед ВШП является простота технологии изготовления. Основ­ ная сложность при создании ТПП — обеспечение высокого ка­ чества обработки ребра звукопровода, у которого создается зазор, и создание самого зазора. Для обработки ребра несколько звукопроводов с полированными поверхностями распространения склеизались так, чтобы обеспечить между ними минимальный зазор. Обработка (шлифовка, полировка) поверхности возбуждения ве­ лась до тех пор, пока на ребрах не устранялись дефекты. Для на­ несения электродов в напылительную установку помещались два звукопровода, сложенных поверхностями распространения так, что поверхности возбуждения образовали ступеньку. Располо­ жение кристаллов под углом относительно испарителя позволяло создать на поверхности возбуждения одного пз кристаллов «область тени» у его ребра. После напыления в области тени и об­ разовывался зазор, величина которого зависела от величины сдвпга кристаллов и угла их наклона.

2. Широкополосное ВЛОВ в диффузионных оптических волноводах

Основные особенности волноводного акустооптического взаи­ модействия (ВАОВ) обусловлены неоднородностью взаимодей­ ствующих волн и дисперсией волноводных мод. Неоднородность ВОВ п ПАВ приводит к зависимости эффективности ВАОВ от частоты ПАВ и типа ВОВ. С точки зрения создания широкополос­ ных акустооптических устройств обработки информации, несом­ ненный интерес представляет исследование таких зависимостей в оптических волноводах. LiNb03 : Ti разных ориентаций. Их тео­ ретический анализ может быть проведен для ВАОВ в волноводах любой ориентации, однако он требует громоздких численных рас­ четов на ЭВМ. Более простой задачей является эксперименталь­ ное исследование, основная сложность которого заключается в эффективном возбуждении ПАВ в широкой полосе частот. Применение ТПП позволяет решить эту задачу, поэтому нами проведен ряд экспериментов по исследованию частотных зависи­

сти для разных срезов отличаются незначительно, но чуть более предпочтительным является FZ -срез, имеющий максимальную равномерность нх в диапазоне частот 200-^-800 МГц. Основным фактором, ограничивающим ширину полосы брэгговской дифрак­ ции на частотах выше 100 МГц, является ее принципиальная узкополосность. Расширения полосы можно достичь за счет исполь­ зования скрещивающихся или фазированных пучков ПАВ, а также с помощью ВШП с переменным углом наклона электро­ дов [1 ]. Эффективным методом является применение фазированных пучков ПАВ с частотнозависимым фазовым сдвигом между пуч­ ками. Такой фазовый сдвиг можно создать, используя эффект различия скорости распространения ПАВ по свободной и металли­ зированной поверхности пьезоэлектрика [4]. Для этого поверх­ ность пьезоэлектрика металлизируется, причем область металли­ зации имеет ступенчатую форму. Применение данного эффекта в реальных устройствах требут знания связи между шириной полосы брэгговской дифракции и геометрическими размерами области металлизации. Эта связь может быть найдена при реше­ нии задачи о дифракции плоской световой волны на акустическом поле преобразователя с частотиозависимым фазовым сдвигом между элементами.

Распределение интенсивности акустического поля такого преобразователя в дальней зоне описывается выражением, ана­ логичным известному из оптики [5]:

Прп анализе полагаем, что мощпость сканирующего пучка ПАВ максимальная на частоте /01, т. е. 0лт (101)= 0 . Для получе­ ния максимальной ширины полосы дифракции условие Брэгга должно выполняться точно на частотах /х, /2, а при Л <С / <С/2 его рассогласование должно быть таким, чтобы интенсивность дифракции отличалась от максимальной на 3 дБ. Учитывая это, получим следующее выражение для интенсивности дифракции:

частот, параметры акустооптпческой среды и геометрические раз­ меры преобразователя, (3) является универсальным для описания дифракции световой волны на сканирующем акустическом пучке. Проведенные для /01//02—1 11 оптимальной с точки зрения широко-

этих зависимостей можно по заданному значению 2Д/ определить параметры 8 и Х го, соответствующие оптимальной форме /д (8/). Геометрические размеры преобразователя для заданной акустооптической среды и конкретного диапазона частот можно найти из выражений, полученных при выводе (3):

Дисперсия волноводных мод позволяет реализовать в опти­ ческих волноводах дифракцию с преобразованием мод, которая может иметь широкополосную геометрию. Такая дифракция в волповбдах LiN b03 Ti рассматривалась нами в [6]. Исследова­ ния показали, что на центральной частоте дифракции Т Е 0—Т Е ±

Таким образом, дифракция с преобразованием мод может при­ меняться наряду с дифракцией на сканирующих ПАВ для созда­ ния широкополосных волноводных акустооптических устройств.

3. Торцевые отражатели для интегрально-оптических устройств

Важными элементами устройств интегральной оптики явля­ ются волноводные линзы. Часто они выполняются геодезическими. Недостатком таких элементов является то, что они могут быть лишь положительными. В [7] сообщается об отражении ВОВ

Радиосигнал, имеющий огибающую (5), согласован с процес­ сором. Выделение автокорреляционной функции этого радио­ сигнала может быть осуществлено с помощью рассматриваемого пли ему подобного процессора при условии либо инверсии на­ правления акустической волны, либо осевой инверсии изображе­ ния Т к (я, у) (т. е. его поворота на угол к вдоль оси оптической системы). При выполнении любого из этих условий выделится упомянутая автокорреляционная функция

+ С О

Г ( 0 = \ K(f)h*m( f + t) df =

случае мпогосвязпых) изображений, описываемых функциями

т. е., если каждый элемент алфавита полностью размещается в опти­ ческой апертуре процессора (здесь 2Н — размер оптической апертуры вдоль координаты у). Тогда если в приемном процес­ соре реализуется параллельное или последовательное предъ­ явление всех элементов алфавита, то откликом процессора—ана­ лизатора будет параллельное или последовательное выделение кросскорреляцпониых функций

где tIci и i l j определены в смысле выражения (4).

Дальнейшая процедура, связанная с распознаванием сигнала (изображения), может строиться по известным алгоритмам в за­ висимости от выбранного критерия. В простейшем случае, если выбросы автокорреляционных функций превышают выбросы кросскорреляционных, процедура принятия решений может со­ стоять в нормировке откликов и сравнении с порогом. Если алфа­ вит задай, усиление межэлементной развязки, например, по со­ отношению корреляционных выбросов, может быть достигнуто путем: а) оптимизации параметра х? б) применения амплитудного ограничения, в) двойного кодирования по ортогональным коор­ динатам.

Предложенный метод кодирования, передачи и распознавания двухмерных изображений, являющийся еще одним возможным алгоритмом акустооптического корреляционного процессора,

отличает несомненная простота ii комплекспость решения задачи. Но метод имеет и серьезные ограничения. Прежде всего они за­ ключаются в том, что процесс кодирования сопровождается боль­ шими информационными потерями, делающими принципиально невозможным однозначное восстановление изображения по ра­ диосигналу. Действительно, несмотря па то что данному изобра­ жению при заданных параметрах процессора сопоставляется однозначный и пространственно инвариантный отклик, послед­ нему может быть сопоставлено множество изображений, ведущих к точно такому же отклику, что с очевидностью следует из выра­ жения (3). Поэтому с ростом числа элементов алфавита, а также с возрастанием сложности изображений вероятность сильных кросскорреляцпопных связей будет возрастать, делая неэффек­ тивной простую процедуру принятия решений в процессе распо­ знавания. Упомянутые информационные потери вместе с тем не являются сколько-нибудь решающими, так как целью кодиро­ вания является не достижение информационной адекватности между изображением и кодом, а возможность распознавания изо­ бражения. При конечном алфавите количество информации в не­ котором изображении всегда значительно меньше в среднем, чем в случае, когда все возможные изображения равновероятны. Классические приемы распознавания изображений, связанные с кодированием, всегда опираются па резкое сокращение избы­ точности, эффективное кодирование, аппроксимацию и тому подобные приемы и сопровождаются потерей информации. Более того, даже при отсутствии кодирования, когда процесс распознава­ ния осуществляется на оптическом уровне, матрицы корреляций даже простых совокупностей изображений типа буквенного алфа­ вита [5] вынуждают включать в критерии различения свойства симметрии взаимнокорреляционных функций и другие признаки. Таким образом, областью практического использования описан­ ного алгоритма являются ситуации, когда объем алфавита огра­ ничен десятками элементов, описываемых бинарными веществен­ ными функциями прозрачности. Достоверность этого утверждения проверялась путем моделирования разработаппого метода на ЭВМ п соответствующего машинного эксперимента. Испытывались алфа­ виты простых геометрических образов, цифровые и буквенные алфавиты конкретного начертания. Использовалось одномерное кодирование без оптимизации параметров путем перебора значений постоянной ЛФТ. Табл. 1 содержит значения кросскорреляциопных выбросов на выходе анализирующего процессора для части буквенного алфавита, имеющего начертапие, характерное для средств вывода на печать, применяемых в ЭВМ. Табл. 2 дает пред­ ставление о влиянии параметра ЛФТ па кросскорреляцпопные связи, где значения выбросов приведены для двух случайно выбранных значений параметра

Автор благодарен В. И. Коротчику за помощь в проведении вычислений на ЭВМ.