книги / Обработка радиосигналов акустоэлектронными и акустоопритческими устройствами
..pdfСледовательно,
При |
больших значениях (с/ш)с ф это отношение стремится |
к 4, т. |
е. отношение сигнал/шум на выходе рассматриваемого |
акустооптического коррелятора по крайней мере в 4 раза меньше, чем на выходе согласованного фильтра. Если (с/ш)вых= 1 , то это означает, что при прочих равных условиях отношение сигнал/шум на выходе согласованного фильтра равнялось бы примерно 4.12, т.е. около 6.15 дБ.
Акустооптические корреляторы с интегрированием во времени обладают уже в настоящее время потенциальными возможностями обрабатывать сигналы с произведением полосы на длительность порядка 10®-гЮ8, что соответствует увеличению отношения сиг нал/шум на выходе согласованного фильтра на 60-г-80 дБ. На этом фоне уменьшение выигрыша на 6 дБ не кажется значительным. Од нако оно приведет к соответствующему снижению чувствительности корреляционного приемника, о чем нужно помнить при проекти ровании таких устройств. Полученные результаты не являются общими для всех типов акустооптических корреляторов с инте грированием во времени. В каждом конкретном случае требуется проводить оценку отношению сигнал/шум на выходе устройства.
|
|
|
|
|
|
ЛИ ТЕРАТУРА |
|
|
|
|
|
||||
1. |
S p r a g u e |
R. A. , |
K o l i o p o u l o s |
С. L. Time |
integrating acousto |
||||||||||
2. |
optic correlator. — Appl. Opt. 1976, v. 15, N 1, p. 89—92. |
||||||||||||||
Б у х а р и н |
|
H. А., |
Е с е п к п н а |
H. А., |
|
К о т о в |
|
Б. А. и др. Аку- |
|||||||
|
стооптпческнй коррелятор с интегрированием во времени. — Автометрия, |
||||||||||||||
3. |
1981, № |
3, |
с. 38—42. |
Acousto-optical |
signal |
processing system / |
|||||||||
P a t е n t |
3, |
634, |
749 (US) |
||||||||||||
4. |
R. M. Montgomery. |
|
M. |
Приборы |
с |
переносом |
зарядов. — M. : |
||||||||
С e к e H |
К ., |
Т о и п с е т |
|||||||||||||
5. |
Мир, 1978. — 376 |
с. |
|
|
|
optical |
signal |
processing. — Optical |
|||||||
K e l l m a n |
|
Р. |
Time integrating |
||||||||||||
6. |
Engineering, 1980, v. 19, N 3, p. 370—375. |
сигналов |
оптическими мето |
||||||||||||
T e p n и H |
T. M. |
|
Спектральный |
анализ |
|||||||||||
7. |
дами. — ТИИЭР, 1981, т. 69, № 1, с. 92—108. |
Дж. У. Интегрирую |
|||||||||||||
К е л л м э н |
П ., |
Ш е й в е р |
X. |
Н. , |
М а р р и |
||||||||||
|
щие приемники с акустооптическим разделением |
каналов. — ТИИЭР, |
|||||||||||||
|
1981, т. 69, № 1, с. 108—116. |
|
10. |
Е. , |
Ч и р к о в |
А. С. Введение |
|||||||||
<8. А х м а |
н о |
в |
С. А ., Д ь я к о в |
||||||||||||
|
в статистическую радиофизику и оптику. — М. : Наука, 1981. — 640 с. |
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ФАЗОСТАБИЛЫ1ЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ АКУСТООПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯТОРА
Электронно-оптическая обработка информации по оценкам специалистов имеет ряд преимуществ перед другими методами обработки и определяет одно пз наиболее перспективных направ лений в области обработки сигналов [1]. В связи с этим встает вопрос о разработке и внедрении в производство элементов элек тронно-оптических систем, обладающих рядом специфических требований. Одним из таких элементов является усилитель мощ ности для возбуждения акустооптического модулятора (АОМ).
Требования к усилителю полностью определяются парамет рами АОМ и уровнем входного сигнала.
Для получения индекса модуляции 0.5 рад в модуляторе из
плавленого кварца с преобразователем из пиобата |
лития среза |
|
Y = 36° с отношением длины преобразователя к его |
ширине |
по |
рядка 0.1 на частотах около 100 МГц требуется мощность 0.5 |
Вт. |
В зависимости от рабочей частоты и материала звукопровода вход ной импеданс модулятора составляет 10—45 Ом. С помощью со гласующих цепей он легко преобразуется к стандартной величине 50 Ом. Поэтому сопротивление нагрузки усилителя целесообразно выбрать равным 50 Ом.
Возбуждение ультразвуковой волны в АОМ достаточно просто п эффективно достигается па частотах от десятков килогерц до 200—300 МГц. Затухание волны в звукопроводе значительно начи нает проявляться на частотах выше 200 МГц. Наибольший инте рес представляет обработка сигналов с полосой частот более 10 МГц, поэтому средняя рабочая частота должна быть не менее 15—20 МГц.
Шумы, проходящие на вход оптической системы, распределя ются в прострапстве соответственно их спектральной плотности и могут быть устранены вне полосы частот сигнала. Полоса частот усилителя может превосходить полосу частот сигнала без ухуд шения отношения снгпал/шум на выходе оптической системы. Поэтому для возбуждения АОМ целесообразно использовать уни версальный усилитель с полосой, охватывающей весь диапазон частот от 10 до 200 МГц.
Динамический диапазон усилителя должен соответствовать динамическому диапазону оптической системы, т. е. составлять примерно 50 дБ [2]. При уровне максимального неискаженного сигнала 0.5 Вт для достижения динамического диапазона 50 дБ в полосе 200 МГц при использовании входных каскадов с коэф фициентом шума 4 дБ и усилением около 20 дБ необходимо огра ничить коэффициент усиления до 60 дБ.
В многоканальной системе обработки одной из наиболее важ ных характеристик является фазоамплитудная стабильность уси лителя в заданном динамическом диапазоне. Для того чтобы кар тина в выходной плоскости оптической системы в области главного
Рис. 1. Принципиальная схема усилителя.
и первого боковых лепестков оставалась неискаженной, дисперсия разброса фазы сигналов между каналами не должна превышать 8-f-lO градусов.
Для компенсации постоянного набега фазы между |
каналами |
в усилитель целесообразно включить фазовращатель. |
Добиться |
плавной регулировки фазы в пределах 360° при неизменной ам плитудно-фазовой характеристике в широкой полосе частот можно только ценой значительных потерь в фазосдвпгающпх цепях и соответствующего увеличения шумов, так как фазосдвигающие
цепи с варикапом должны работать при малом уровне сигнала. Наиболее приемлемой оказывается ступенчатая регулировка фазы с помощью коммутации линий задержки и плавная регулировка в пределах величины одной ступеньки изменения фазы. Общепри нятым стандартом является дискрет переключения фазы 22.5°. Поэтому в усилитель целесообразно ввести широкополосный фазо вращатель с плавной регулировкой фазы на 22.5°.
На основе сформулированных требований был разработан широкополосный усилитель мощности (рис. 1). В качестве основных усилительных элементов использованы широкополосные микросборки С1.153.УП1 с коэффициентом шума не более 4 дБ во всей рабочей полосе и коэффициентом усиления 20 дБ в показанном на схеме включении. Микросборка фазовращателя собрана по схеме, представленной на рис. 2 с использованием малошумящих транзи сторов КТ 310 1А. Малое выходное сопротивление развязывающих эмитерных повторителей V2, V3 обеспечивает постоянство ампли-
тудно-фазовой характеристики при регулировке фазы на 30 во всей рабочей полосе частот. Фазовращатель вносит затухание 6 дБ. Для согласования выхода второй микросборкп С1.153.УП1
с выходным усилителем мощности служит модернизированная микросборка С1.155.УП1, которая отличается от серийно выпу скаемой использованием на выходе более мощных транзисторов КТ 640.
Мнкросборка имеет усиление 12 дБ и обладает линейной амплитудной характеристикой при уровне вы ходного сигнала до 2 В на иагрузке 100 Ом. Выходной усилитель мощ-
Рпс. 3. Амплитудная и фазоамплптудпая характеристики усилителя.
/=160 МГц, Jf=60 дБ.
ности, собранный по схеме с последовательным возбуждением, имеет усиление 18 дБ и развивает выходную мощность 1.5 Вт на иагрузке 50 Ом. Общий коэффициент усиления широкополосного усилителя составляет 64 дБ. В схеме предусмотрена ручная регу лировка усиления глубиной 10 дБ.
Рис. 4. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики усилителя.
Характеристики усилителя приведены на рис. 3, 4. При вы ходной мощности до 0.5 Вт максимальный уход фазы между вхо дом и выходом не превышает 8 °. Амплитудно-частотная характери
стика имеет неравномерность 2 дБ в полосе от 10 до 220 МГц. Неравномерность увеличивается с введением регулировки уси ления.
Экспериментальный образец усилителя при испытаниях пока зал удовлетворительные результаты. Описанная схема может быть принята в качестве базовой при конструировании усилителей для возбуждения акустооптических модуляторов.
|
ЛИ ТЕРАТУ РА |
|
|
1. |
Р а д и о э л е к т р о н и к а за |
рубежом, |
1981, № 13, с. 1. |
2. |
П р е с т о п К. Когерентные |
оптические |
вычислительные машины. — |
|
М. : Мир, 1974. — 276 с. |
|
|
С. В. КУЛАКОВ, Б. П. РАЗЖИВИН, Д. В. ТИГИН
АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА С ВЫСОКОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ
Акустооптцческий анализатор спектра (рпс. 1), в котором вход ной сигнал вводится в оптическую систему при помощи акустиче ского модулятора света (АМС), дает возможность производить непрерывный мгновенный анализ спектра сигналов. Максимально высокая скорость обработки информации является главным до стоинством устройства, определяющим его широкое применение
Рис. 1. Акустооптцческий анализатор спектра радиосигналов.
1 — лазер; 2, з, 5 — линзы; 4 — акустический модулятор света.
Ь различных областях радиоэлектроники [1—3]. Полосы частот анализа в современных устройствах могут составлять сотни мега герц. Разрешающая способность по частоте определяется длитель ностью выборки сигнала, находящейся в апертуре оптической си стемы. Этот параметр ограиичивается затуханием ультразвуковых волн в АМС, их дифракционной расходимостью, предельными раз мерами кристаллов, которые используются в качестве среды за держки модулятора света, и рядом других факторов. В современ ных АМС высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов воли длительность выборки анализируемых сигналов не превы шает 10—20 мкс. При этом точность измерения спектра сигнала Часто оказывается недостаточной.
Увеличение разрешающей способности акустооптического ана лизатора спектра может быть достигнуто за счет использования в устройстве многоканального АМС и линий задержки, через ко торые входной сигнал подается на входы АМС (рис. 2). Данная схема описана в появившихся в последние годы работах [2, 3].
Оптический аналог устройства, в котором увеличение разрешающей способности анализатора фурье-спектра оптического сигнала, записанного на фотопленке в виде растра с построчным разложе нием, описан, например, в работе [4].
Подобная идея высказывалась ранее авторами данной публи кации. В литературе до настоящего времени отсутствует теорети ческий анализ работы акустооптического анализатора спектра, содержащего многоканальный АМС и линии задержки. Получен-
Рнс. 2. ЛкустооптическIiii анализатор спектра с мпогокапалышм АМС.
1 — л а з е р ; 2 , д, 5 — л и н з ы ; 4 — м н о г о к а н а л ь н ы й АМС; 6 — л и н и и з а д е р ж к и .
ные авторами результаты, приводимые в дайной работе, в какой-то мере позволяют восполнить этот пробел.
При подаче произвольного сигнала s (t) па вход АМС (рис. 1)
в задней фокальной плоскости интегрирующей линзы в области I дифракционного порядка (в режиме дифракции Рамана—Ната, промежуточном режиме или режиме Брэгга) формируется свето вое распределение, которое по пространственной координате изменяется в соответствии с мгновенным спектром сигнала [51:
tü'-fP.U
S T (ju>x, t) = b |
^ |
S (x) e~JU>xXdx, |
vt—Р.5Г,
где b — некоторый постоянный коэффициент; L — длина светозвукопровода, равная vT; v — скорость распространения упру гих волн в светозвукопроводе; Т — длительность временной вы
борки анализируемых сигналов.
Основной, исчерпывающей характеристикой любого анализа тора спектра является его аппаратная функция. Аппаратная функция — это отклик анализатора спектра на ^-функцию в ча стотной плоскости, т. е. на гармоническое воздействие. Аппарат ная функция акустооптического анализатора спектра описывается соотношением [5]
sin [ 0 . 5 («о, + - ^ ) д ]
0-5 (ш* -f ~ ) £
Разрешающая способность данного анализатора спектра опре деляется по Рэлею:
По известной аппаратной функции анализатора спектра и спек тральному распределению на его входе можно определить спектр на выходе устройства:
СО
5y(;'wx, <)= ^ S [jo>')g(b>x, to', t)da>'.
В анализаторе спектра, схема которого приведена на рис. 2, содержится JV—1 линия задержки, где N — число каналов в мно
гоканальном АМС. Каждая лпння задержки осуществляет за держку сигнала на время Т , равное длительности временной вы
борки сигнала в одном канале АМС. Найдем отклик устройства на
гармонический входной |
сигнал |
s (i)=sin ( w't). |
|
|||
В |
п-м канале АМС |
будет |
распространяться |
упругая волна |
||
|
S„ (х , t) = |
sin [to'f — k'x — (n — 1) ш 'Г], |
|
|||
где n |
— номер канала АМС, ?г=1 , 2 , |
., N; к' = |
ai'lv — постоян |
|||
ная |
распространения |
акустической волны. |
|
|||
Световая волна, |
образующая + 1 |
дифракционный порядок, |
после дифракции света на звуковой волне в п-м канале (в случае
дифракции Брэгга дифракционный порядок будет единственным) определяется выражением [5]
e+i(3, у, t)^O .ba0Q-J,:'x .
при —0.5Ага+ (/г—1)а ^ у ^ —0 .5Na-\-na, гдеа0 — коэффициент
модуляции света, пропорциональный амплитуде входного сигнала; а — размер одного канала АМС вдоль координаты у ; шс в — ча
стота световой волны.
Световое распределение в области I дифракционного порядка в задней фокальной плоскости интегрирующей линзы определяется
двухмерным преобразованием Фурье от распределения дифрагирован ных световых волн на выходе многоканального AMG:
|
0.5L |
Q.bNa |
|
|
е+1(ч*. |
t) = $ |
$ |
e+1 (х, |
у, t)e-JW* xe-J '°yÿdxdy = |
|
—0.5Ь —0.5М* |
|
|
|
— в |
Л (в0) |
.in О.Ы. ( . , + У) |
||
|
+ |
0.5вШу X |
||
v |
sin 0.5Лга fcof/+ |
со' — ) |
|
|
-----------— ----- (ff-i)T-/] |
||||
Л |
/ |
|
Г\ |
е |
sin 0.5в i а»у -)- to' — J
Таким образом, аппаратная функция анализатора спектра с много канальным AMG и линиями задержки описывается соотношением
|
|
|
|
|
sin 0.5L |
-f- |
у ^ gin О.бшув |
|
|
||
|
|
|
шу. |
*) — |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 Æ i ( . ,+ |
i |
) |
Х |
|
|
|
|
|
|
|
sin 0.5N e (<а„ 4 - to' — ^ |
|
|
|
|
|
||
|
|
V |
_______________________ \ у ^ |
Д/~-L- n—ju*r[0.5(N -l)T —t] |
|
|
|||||
|
|
^ |
|
|
/ |
Т\ в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin 0.5а I соу -(- ^ ~ ) |
|
|
|
|
|
||
|
Световое распределение по |
координате <ax |
определяется выраже |
||||||||
нием |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin 0.5£^шх + |
|
|
|
|||
|
|
|
|
(?+1 (шх) = |
0-5ь(ш х + - ^ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
тем самым по координате <ох, |
как и в случае |
анализатора |
спектра |
||||||||
с |
одноканальным |
АМС, обеспечивается |
разрешающая |
способность |
|||||||
|
|
|
|
|
|
2тс |
|
|
|
|
|
|
Световое |
распределение по координате <в |
определяется |
выра |
|||||||
жением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin 0.5eta sin О.бЛГв(<оу-f to' |
|
|
||||
|
|
е+1 (“у) = |
о.бвш |
|
|
7 |
Г Г |
|
|
||
|
|
|
|
|
v |
sin 0.5а ( (üy + |
Ü)' — J |
|
|
||
Нули функции |
sin О.5ао)у/О.5аа)у расположены вдоль координаты |
||||||||||
a |
точках ± |
2% |
п. |
Функция |
£sin 0.5ЛГа ^сОу + |
|
представляет |
||||
— |
--- ---------- j ----------— |
sin 0.5а I |
' |
I s |
собой многолепестковую функцию, где расстояние между главными
максимумами по координате ч>у |
равно 2 я/я, а нули расположены |
||
в точках |
+ ( 2 îï//Va) п. |
|
|
При |
изменении частоты |
ш' |
дифракционный максимум будет |
смещаться как по координате |
оу так и по иу прочерчивая растр. |
Изменение частоты <о' на величину 2 п /Т , т. е. на элемент разре
шения по координате t y соответствует смещению дифракционного максимума по координате <оу на величину 2^ Id. В данном случае
возможна неоднозначность определения частоты а/, так как в пре
делах главного лепестка функции sin |
0 .5 amÿ/0 .5 a<y |
могут одно |
временно |
находиться |
два главных |
максимума функции [sin 0.5iVa -f-co'jf/a)]/[sm 0.5a (u>y-\-w'Tja)]. Поло
жению дифракционного пятна по ко ординате соответствует грубый (с точностью до номера строки) от счет частоты с разрешающей спо собностью 1 /Г , который можно уточ
нить по координате с у где разре-
Рис. 3. Мпогокапалышн АМС, выполняю
щий задерн;ку сигнала в каждом |
капале. |
1 — многоканальный светозвукопровод, |
2 — воз |
буждающие пьезопреобразователи, з — компен сирующие усилители, 4 — приемные пьезопреобразователн.
шающая способность равна 1 IN T , но при этом весь частотный диапазон ограничен (|<uff|^ к/а) пределами диапазона однознач
ного измерения частоты с у На один элемент разрешения по коор динате сод. приходится N элементов разрешения по координате
«у Таким образом, разрешающая способность анализатора спектра
смногоканальным АМС и линиями задержки определяется вели чиной &fp= i/N T .
Спектр произвольного сигнала в данном анализаторе спектра определяется интегралом суперпозиции
СО
*(«*. <у t) = 5 |
(/“')£ (и', “ж. <у |
-со |
|
Приведенная на рис. 2 схема анализатора спектра с многока нальным АМС и линиями задержки может быть несколько видо изменена. Линии задержки как специально вводимые в схему эле менты могут быть устранены. Функцию задержки сигнала на время, равное длительности распространения акустической волиы в канале (Г ), может выполнять многоканальный АМС, в котором пьезопреобразователи (возбуждающий и приемный) размещаются