Радиочастотный АОКВИ

На рис.1.20 показан АОКВИ на встречных акустических пучках, реализующий косвенный алгоритм.

Рис.1.20. Радиочастотный АОКВИ на встречных акустических пучках

Обрабатываемые сигналы и вводятся в АОМ1 и АОМ2, работающие в линейном режиме дифракции Рамана-Ната, на встречных акустических пучках. Пара линз Л1 и Л2 совместно с фильтрующей диафрагмой Д строят в плоскости ФП изображения выходных апертур обоих АОМ в дифрагированных световых пучках. В качестве ФП используется линейка ПЗС, каждый элемент которой накапливает заряд, осуществляя интегрирование по времени падающего на него светового потока. На рис.1.21 для наглядности показан ход световых лучей в рассматриваемом АОК в линейном режиме дифракции Рамана-Ната.

Рис.1.21. Лучевая картина дифракции света в радиочастотном АОКВИ

на встречных акустических пучках.

Из рисунка видно, что в плоскости восстановления изображений обеих апертур АОМ после фильтрации нулевого дифракционного порядка интерферируют четыре световых волны: 1,2-волны с различным частотным сдвигом (), испытавшие параллельную дифракцию на АОМ1 и АОМ2 соответственно; 3,4-пара также с различным частотным сдвигом (), в которой волны поменялись ролями. Интенсивность суммарного светового поля в плоскости ФП содержит составляющую, изменяющуюся с удвоенной частотой обусловленную биением волн 1-2 и 3-4; постоянную составляющую, порожденную каждой из волн 1..4 индивидуально; медленно изменяющуюся во времени составляющую, вызванную биением волн 1-3 и 2-4. Переменная составляющая интенсивности светового поля на частоте не дает вклада в накопленный в ФП заряд. Две другие составляющие интенсивности приведут к формированию постоянного по пространственной координате ²пьедестала² накопленного заряда, с наложенной на него переменной сигнальной составляющей.

Физическую картину работы АОКВИ дополним формальным анализом. Пусть АОМ1 и АОМ2 возбуждаются радиосигналами

. (1.36)

Учитывая ориентацию акустических пучков, возбуждаемых сигналами и и осуществляемую в оптической системе пространственную фильтрацию световых волн, запишем накопленный на точечном ФП заряд

где -время накопления. Развернув выражение для квадрата модуля суммы, получим после интегрирования

,

(1.37)

где , -энергии сигналов и , -коэффициент пропорциональности, -ВКФ сигналов, причем последнее равенство в (1.37) справедливо приближенно при условии , которое обычно выполняется. Из (1.37) видно, что ВКФ ²наложена² на пространственную ²несущую² , которая физически представляет собой интерференционные полосы, возникающие в результате сложения двух пар световых волн (1-3) и (2-4), ориентированных под углом друг к другу. На рис.1.22 показан примерный вид распределения накопленного заряда, иллюстрирующий характер формируемой ВКФ.

Рис.1.22. Общий вид взаимнокорреляционной функции в радиочастотном

АОКВИ на встречных акустических пучках.

Основное достоинство рассматриваемого АОКВИ состоит в том, что длительность обрабатываемых в нем радиосигналов определяется уже не апертурой АОМ, а временем накопления заряда, которое практически ограничено темновыми токами ФП и лежит в диапазоне 1..10мс. Важно отметить, что при этом сохраняется возможность вести обработку широкополосных сигналов. В АОКВИ этого типа за счет встречного распространения акустических пучков интервал допустимых относительных задержек равен удвоенному значению временной апертуры АОМ. Очевидно, что данный АОКВИ естественно использовать для обработки радиосигналов, которые вводятся в АОМ без предварительного преобразования; его можно в связи с этим назвать радиочастотным АОКВИ на встречных акустических пучках. Как видно из (1.37) и рис.1.22 распределение заряда в плоскости ФП воспроизводит высокочастотную структуру ВКФ радиосигналов. Отсюда следует необходимость при считывании пространственного распределения выделить не менее трех элементарных ячеек фотоприемной линейки ПЗС на один период пространственной частоты. В противном случае из-за пространственного интегрирования в пределах элементарных ячеек линейки считывание будет сопровождаться недопустимой потерей информации. Поскольку число элементов в линейных и матричных ПЗС ограничено, отмеченное обстоятельство приводит к тому, что потенциальные возможности АОМ в этом случае не могут быть полностью использованы. Действительно, число разрешимых точек по времени задержки в данном АОКВИ есть , где -минимальный интервал корреляции сигнала. Так как ( -полоса пропускания АОМ), то . Если допустить, что на интервал корреляции приходится два периода несущей частоты (крайний случай сигнала со 100% шириной спектра), каждый из которых требует не менее трех элементов ФП, то получим необходимое общее число элементов ФП . Ясно, что в ряде случаев () такое требуемое количество элементарных ФП недоступно. Однако при корреляционной обработке радиосигналов вся необходимая информация содержится в комплексной огибающей ВКФ, осциллирующей в большинстве случаев значительно медленнее несущего колебания и требующей для своей передачи соответственно меньшего количества элементов ФП. Поэтому было бы целесообразно так модифицировать схему процессора, чтобы избавиться от пространственной несущей в световом распределении на поверхности ФП. Вариант такого АОКВИ будет рассмотрен ниже. В АОКВИ на встречных акустических пучках может быть также использован режим дифракции Брэгга. При этом геометрия АОВ должна быть реализована согласно схеме рис.1.8, а пространственная фильтрация и трансформация с помощью линз осуществляется так же, как и режиме дифракции Рамана-Ната.

1.3.3. Радиочастотные квадратурные АОКВИ

В радиочастотном АОКВИ на встречных акустических пучках появление пространственной несущей в распределении заряда вдоль линейки ПЗС обусловлено неколлинеарностью сигнальных световых пучков, интерферирующих в выходной плоскости процессора. Очевидно, что если так организовать АОВ, чтобы после дифракции световые пучки были бы коллинеарны, то пространственная несущая в распределении заряда исчезнет. Эти соображения приводят к схеме АОКВИ со скрещенными световыми пучками. На рис.1.23 показан ход световых лучей в таком процессоре для случая АОМ, работающих в режиме дифракции Рамана-Ната, причем не изображены лучи, испытавшие последовательную дифракцию.

Рис.1.23. Лучевая картина дифракции света в радиочастотном АОКВИ со

скрещенными световыми пучками.

Оптическая схема АОКВИ остается такой же, как на рис.1.20 с двумя отличиями: освещение АОМ осуществляется парой скрещенных коллимированных световых пучков в соответствии с рис1.21; производится фильтрация приосевой области пространственных частот линзы Л1 диафрагмой Д (рис.1.23). При этом на ФП интерферируют две пары коллинеарных световых волн 1-3 и 2-4 с близкими частотными сдвигами (), которые, как показано выше, участвуют в формировании ВКФ.

Проведем формальный анализ работы АОКВИ со скрещенными световыми пучками. Пусть АОМ1 и АОМ2 возбуждаются сигналами вида (1.36), причем для общности примем, что сигналы имеют близкие, но, вообще говоря, отличные несущие частоты и . Будем считать, что апертуры АОМ освещаются скрещенными коллимированными световыми пучками, направленными под углами к оптической оси, причем , где -длина акустической волны, соответствующая средней частоте . Тогда комплексная амплитуда светового поля во входной плоскости АОМ1 будет

. (1.38)

С учетом (1.38) и фильтрации, осуществляемой в оптической схеме процессора, запишем выражение для светового поля в плоскости ФП:

Образовав интенсивность света на ФП и исключив из нее составляющую, изменяющуюся с суммарной частотой , запишем выражение для накопленного заряда:

,(1.39)

где -коэффициент пропорциональности, -волновые числа акустических волн, соответствующих сигналам и . Первые два слагаемых образуют зарядовый пьедестал, а третье слагаемое содержит комплексную огибающую взаимной функции неопределенности радиосигналов и .

Особый интерес представляет частный случай обработки радиосигналов с одинаковой несущей частотой , при которой обеспечено пространственное согласование входных световых пучков и акустических волн, т.е. выполнено условие , означающее равенство углов падения и дифракции световых волн на акустической волне с несущей частотой . Физически понятно, а из (1.39) видно, что в этом случае пространственная несущая не образуется, а результат временного интегрирования описывается выражением

, (1.40)

где -по-прежнему энергии сигналов , а - ВКФ их комплексных огибающих. Для получения полной информации о комплексной огибающей ВКФ необходимо сформировать ее мнимую часть, в противном случае результат будет зависеть от неизвестной фазы . С этой целью необходимо организовать квадратурный канал коррелятора. В простейшем случае это можно осуществить с помощью широкополосного электрического фазовращателя на , преобразующем один из коррелируемых сигналов. Полная схема квадратурного АОКВИ со скрещенными световыми пучками показана на рис.1.24 и представляет собой, по существу, два идентичных канала, разнесенных вдоль вертикальной оси .

Рис.1.24. Квадратурный АОКВИ со скрещенными световыми пучками

Пара скрещенных световых пучков создается призменным расщепителем. Фазовращатель позволяет квадратурно дополнить сигнал , т.е. образовать сигнал .

Тогда комплексная огибающая сигнала заменится на и распределение накопленного заряда примет вид

. (1.41)

Имея на соответствующих выходах квадратурного АОКВИ распределения зарядов (1.40) и (1.41), легко сформировать сигнал, пропорциональный модулю комплексной огибающей ВКФ, содержащий необходимую информацию в наиболее удобной форме.

Можно указать альтернативный вариант организации квадратурного канала, основанный на непосредственном воздействии на параметры светового пучка. Если в каком-либо из двух каналов квадратурного АОКВИ (рис.1.24) на пути одного из световых пучков поместить четвертьволновую пластинку, вносящую 90-градусный фазовый сдвиг в дифрагировавшие световые волны с номерами 1 и 4 (рис.1.23), то в результате их биений с волнами 3 и 2 соответственно сформируется требуемая компонента .

С практической точки зрения важна возможность работы АОКВИ со скрещенными световыми пучками в режиме дифракции Брэгга. На рис.3.27 приведена геометрия АОВ скрещенных световых пучков со встречными акустическими пучками, которая обеспечивает формирование двух коллинеарных световых волн с одинаковым частотным сдвигом, необходимых для получения ВКФ.

Рис. 1.25. Геометрия акустооптического взаимодействия скрещенных

световых волн со встречными акустическими волнами

в режиме дифракции Брэгга

Дата добавления: 2015-05-06