Исследование и разработка методов акустооптической обработки сигналов с большой временной длительностью

На развитие науки и техники в последнее время оказывает сильное влияние прогресс в области систем обработки информации. Прежде всего, этому способствует стремительное развитие микроэлектроники и, как следствие этого, значительный рост производительности цифровых устройств. Во-вторых, совершенствование устройств и методов, осуществляющих сбор и передачу информации в вычислительное устройство. В связи с этим увеличивается доля систем работающих в режиме реального времени.

Системы обработки информации, как правило, представляют собой комбинированные устройства, где используются как цифровые, так и аналоговые подсистемы.

Определенную роль в обработке информации играют оптические методы обработки [1−3, 37] которые, в ряде случаев, имеют преимущество в быстродействии перед другими системами благодаря трехмерности передачи и обработки информации, уникальной особенности, присущей только оптическим системам среди существующих устройств обработки сигналов. Третей координате в таких устройствах соответствует оптическая ось системы, вдоль которой распространяется световой поток, а модуляторы света и элементы оптической обработки обычно располагаются в плоскостях, перпендикулярных этой оси. В зависимости от числа координатных осей в этих плоскостях оптические процессоры подразделяются на одномерные и двумерные. Прогрессу оптических методов также способствуют разработки в области источников света (например, лазерных диодов) и быстродействующих матричных фотоприёмников с широким динамическим диапазоном.

Первые оптические системы обработки сигналов в основном представляли собой двумерные процессоры. Впоследствии были разработаны одномерные системы, главным образом на базе акустооптических устройств, используемых как широкополосные преобразователи электрического сигнала в световой сигнал. В дальнейшем появилось целое поколение архитектур двумерных оптических систем, в которых в качестве входных преобразователей используются одномерные устройства. Реализация таких процессоров, как правило, не столь проста, но при конструировании таких систем имеется большая гибкость. Наиболее широкое распространение в таких системах для модуляции световых потоков нашли акустооптические ячейки (акустооптические модуляторы света (АОМ)), технология производства которых сегодня достаточно хорошо отработана [25,43−45]. Вследствие этого такие системы стали называться устройствами акустооптической (АО) обработки, или акустооптическими процессорами (АОП) [4−6,38]. С помощью АОМ удается вводить информацию в световые пучки со скоростью, которая соизмерима с предельно достижимой скоростью обработки, обусловленной скоростью распространения пучков оптического излучения. В результате производительность АОП оказывается большей, чем у любых других типов оптических процессоров, хотя акустооптические ячейки по самой своей природе могут выполнять обработку лишь одномерных массивов данных. Следует отметить что, передача информации посредством бегущей акустической волны приводит к небольшой задержке ввода информации и не позволяет хранить информацию долгое время. Главным привлекательным свойством АОМ является возможность использования высоких несущих частот (1ГГц и выше) и широкополосных сигналов (более 300МГц).

В действительности модуляция, выполняемая АОМ, является сложным процессом. В каждый момент времени дифрагированный свет модулируется по пространственной переменной пропорционально части электрического сигнала, подаваемого на АОМ, а также он имеет доплеровское смешение, то есть, в каждой пространственной точке свет одновременно модулируется и во времени входным сигналом. Такая двойная модуляция имеет важное значение для разработки оптических процессоров, в которых различные вычислительные операции выполняются непрерывно. Кроме этого пропорциональность глубины модуляции приложенному сигналу соблюдается только в случае, если дифракционная эффективность АОМ не превышает нескольких процентов, а модуляционные свойства АОМ существенно зависят от угла падения светового пучка, что необходимо учитывать при проектировании оптических систем.

Основными элементами оптических систем являются линзы, выполняющие двумерное преобразование Фурье и осуществляющие все взаимные связи в оптическом процессоре. В классическом двумерном процессоре время играет пассивную роль: данные размещаются во входной плоскости и обрабатываются методами пространственного интегрирования (ПИ) в оптической системерезультаты вычислений считываются в выходной плоскости в течение определённого интервала времени, после чего на вход оптической системы вводится новый массив данных. При использовании в такой системе в качестве устройств ввода акустооптических модуляторов временной интервал интегрирования исследуемых сигналов в них определяется временной апертурой акустооптического модулятора, т. е. длительностью распространения сигнала в АОМ и, следовательно, зависит от размеров звукопровода модулятора и скорости ультразвуковой волны. Такие устройства называются устройствами с пространственным интегрированием (ПИ) [39], и их преимуществом является довольно широкая относительная полоса частот, которая может достигать 40%.

Применение АОМ и фотоприёмников с накоплением (как правило, это фотоприемник на основе приборов с зарядовой связью (ФПЗС)) способствовало развитию оптических процессоров, в которых обработка выполняется непрерывно. Одним из примеров такой обработки оптических сигналов являются системы с временным интегрированием (ВИ) [40, 41].

При прохождении потока данных через такую систему необходимые вычисления осуществляются непрерывно, а промежуточные результаты запоминаются (накапливаются) в фотоприёмнике в виде зарядов, обусловленных воздействием светового потока. В таких устройствах временной интервал определяется временем накопления в фотоприемнике интерферирующих световых полей, вследствие чего может существенно превышать величину, получаемую в устройствах с ПИ и, следовательно, длительность обрабатываемых сигналов, не связана с параметрами АОМ. Однако использование, в устройствах с ВИ, принципа накопления интерферирующих световых полей приводит к тому, что выходной сигнал помимо полезной информации содержит постоянную составляющую, которую можно отфильтровать электронным способом.

Обычно АОП предназначаются для выполнения ряда конкретных задач. Как уже было отмечено ранее, с их помощью легко осуществляются вычисления Фурье преобразования, и как следствие этого, операции корреляции и свертки, вычисление функции неопределённости сигнала [9−15].

Таким образом, используя одномерные входные устройства, можно создавать реальные высокопроизводительные одномерные и двумерные оптические процессоры. Их архитектура оказывается весьма гибкой, вследствие широких возможностей конструирования схем с пространственными и временными переменными. Однако оптические процессоры, позволяя выполнять большие объёмы вычислений, обладают не очень высокой точностью (1−10)%. Из-за этого целесообразно их применение лишь в тех областях, где высокая скорость вычисления играет большую роль, чем их точность.

Отмеченные выше задачи можно решить с применением цифровых процессоров, обладающих высокой точностью и большим динамическим диапазоном. Основная часть таких устройств корреляционного и спектрального анализа сигналов строится с применением БПФ-процессоров, обеспечивающих высокую скорость вычисления дискретного преобразования Фурье. При увеличении полосы обрабатываемых частот точность и динамический диапазон такого процессора снижается, а масса, габаритные размеры, потребляемая мощность возрастают. В результате в стационарной аппаратуре полоса частот цифровых процессоров составляет несколько десятков мегагерц, а в бортовой несколько мегагерц. В то же самое время акустооптические процессоры, имеют возможность обрабатывать сигналы с полосой несколько сотен мегагерц, обладая при этом малыми габаритами и потребляемой мощности.

Следовательно, исследование и разработка обобщенных акустооптических методов достаточно актуальна, поскольку позволяет при помощи нескольких основных типов компонент решать довольно широкий класс задач.

Техника АОП развивается уже на протяжении более трех десятилетий, и сегодня на первый план выступают исследования, ведущие к расширению функциональных параметров систем и их техническому воплощению средствами современной технологии.

Важным параметром обработки сигналов является произведение времени обработки на ширину полосы, которое характеризует степень сложности сигнала или производительность оптической системы. Требования к производительности постоянно повышаются в связи с применением сигналов все более сложной формы, например, для борьбы с помехами и возможностью несанкционированного доступа к информации. Применение при обработке сигналов дальномерной и доплеровской радиолокационной информации сигналов с большой временной длительностью позволяет повысить разрешающую способности, как по дальности, так и по скорости. В спектроанализаторах с увеличением временной апертуры прямо пропорционально растет разрешение по частоте.

В радиоастрономии использование больших времён накопления информации позволяет выявить слабые сигналы на фоне шумов.

Таким образом, исследования путей увеличения временной апертуры и производительности акустооптических систем носит актуальный характер.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка акустооптических методов и устройств обработки сигналов с большой длительностью, имеющими улучшенные характеристики по сравнению с известными.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:

— анализ известных методов и устройств, выявление факторов, ограничивающих их технические параметры и поиск путей их преодоления;

— разработка и исследование новых методов и схем обладающих преимуществом по сравнению с известными;

— экспериментальная проверка теоретических положений и принципов, положенных в основу разработанных методов и устройств.

В главе 1 рассматривается оригинальный способ увеличения временной апертуры в системах с ПИ защищенный авторским свидетельством [57]. Длинный по времени сигнал проходит через один модулятор и разделяется на временные отрезки (равные временной апертуре модулятора) за счет импульсной регистрации. Временные парциальные отсчёты спектра сигнала записываются на ФПЗС в голографической оптической схеме и в дальнейшем в вычислительной машине после восстановление когерентно суммируются с соответствующими фазовыми коэффициентами. В результате достигается увеличение временной апертуры в количество раз равное количеству зарегистрированных спектров. Данный способ позволяет значительно увеличить временной интервал, ограничение которого, в данном случае, обуславливается ростом объемов вычислений и быстродействием вычислительной машины. В главе приведены теоретические расчёты и экспериментальные исследования макета устройства.

Наибольший интерес разработчиков и исследователей АОП проявляется к двумерным методам обработки информации, позволяющие значительно увеличить производительность систем. Такие АОП могут одновременно осуществлять различные вычисления по разным координатам системы, в частности, производить вычисление функции неопределённости сигналов. Среди них следует отдельно выделить системы с одномерными входными устройствами, в основу которых положены схемы одномерных корреляторов и спектроанализаторов с временным интегрированием [10, 13].

Известны схемы [40,80,81] в которых оптические элементы размещаются в двух пространственно разнесенных каналах и, следовательно, чувствительны к внешним воздействиям. Такую схему по характеру построения ее оптической части обычно называют параллельной. В схеме с тройным перемножением [41,82] оптические элементы располагают последовательно вдоль оптической оси устройства, но она сложна в электронной части и требует применения дополнительных опорных гармонических сигналов, дифракция на которых приводит к дополнительным потерям энергии источника оптического излучения. Комбинированные оптические схемы последовательно-параллельными типа имеют ряд преимуществ перед первыми и вторыми [65−67].

В главе 2 рассматривается оригинальный метод двумерной обработки с одномерными входными устройствами защищенный авторским свидетельством [73]. В нём используются преимущества параллельной схемы и исключаются её недостатки за счет объединении ряда элементов схемы и расположения их вдоль одной оптической оси устройства. Приведены теоретические расчёты и экспериментальные исследования макета устройства, реализующего этот метод. и.

Перспективность применения АО методов и систем для обработки сигналов антенных решеток (АР) связана с высоким быстродействием таких систем, возможностью осуществления параллельного обзора пространства и одновременного анализа большого числа сигналов. Однако применяемые для этой цели АО методы обработки с ПИ в ряде случаев не обеспечивают требуемого разрешения по частоте, ограниченного временем распространения сигналов в звукопроводах модулятора. Как уже было отмечено, данное ограничение отсутствует в системах с ВИ, одноканальные реализации которых хорошо известны.

В главе 3 рассматривается предложенный нами в [86] многоканальный метод АО обработки сигналов линейных и кольцевых АР с пространственно-временным интегрированием (ПВИ). Приведены теоретические расчёты и экспериментальные исследования макета устройства. При экспериментальной реализации устройства использовались принципы построения оптической схемы, апробированные при построении двумерного АОП рассмотренного во 2-ой главе.

В главе 4 рассматривается многоканальный метод АО обработки сигналов от двух ортогональных АР с ПВИ [100]. Метод позволяет производить параллельный обзор пространства, определяя в реальном масштабе времени две угловые координаты источников сигналов. Приведены теоретические расчёты и экспериментальные исследования макета устройства, реализующего указанный метод, приведён расчёт отношения сигнал — шум на выходе устройства.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Применение в акустооптическом спектроанализаторе с пространственным интегрированием голографической регистрации спектров отдельных выборок сигнала, и их последующего когерентного суммирования в устройстве.

12 последетекторной обработки позволяет увеличить длительность обрабатываемых сигналов.

2. Предложенный в работе метод акустооптоэлектронной двумерной обработки с интегрированием во времени, предполагающий использование поворота и совмещения световых полей, позволяет осуществить вычисление функции неопределённости сигналов большой длительности.

3. Увеличение длительности обрабатываемых сигналов антенных решёток может быть достигнуто применением принципов построения многоканальных систем с пространственно-временным интегрированием.

4. Использование метода многоканальной акустооптоэлектронной обработки сигналов скрещенных антенных решёток с пространственно-временным интегрированием позволяет осуществить параллельный обзор пространства по двум угловым координатам и имеет высокое отношение сигнал-шум, соответствующее корреляционным системам.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложен метод увеличения временной апертуры в акустооптических системах с пространственным интегрированием, основанный на измерении спектров отдельных выборок сигнала в голографической системе регистрации, восстановлении распределений и их суммировании с фазовыми множителями в цифровом устройстве обработки. Рассмотрен принцип функционирования анализатора спектра с синтезированной апертурой. Приведены теоретические расчёты системы. Предложена схема устройства, защищенная авторским свидетельством, создан и экспериментально исследован его макет.

2. Предложен метод двумерной акустооптической обработки с интегрированием во времени, использующий поворот и совмещение в плоскости регистрации двух полей пространственно параллельно расположенных корреляторов. За счёт выбранной конструкции удалось снизить влияние механических дестабилизирующих факторов на параметры системы и получить лучшее отношение сигнал-помеха. На основе метода предложено защищенное авторским свидетельством устройство формирования функции неопределённости радиолокационных сигналов. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование работы устройства.

3. Для увеличения длительности обрабатываемых сигналов от антенных решёток предложены принципы построения многоканальных систем с пространственно-временным интегрированием, заключающиеся в.

100 использовании второй координаты системы, по которой не формируется диаграмма направленности, для осуществления временного интегрирования. Рассмотрены варианты построения схем для использования с линейными и кольцевыми антенными решётками. Получено выражение для выходного сигнала системы обработки линейной антенной решётки с пространственно-временным интегрированием и приведён расчёт динамического диапазона. Собран и экспериментально исследован макет такого устройства.

4. Предложен акустооптический метод обработки сигналов с пространственно-временным интегрированием от двух линейных антенных решёток. Показано, что для двух скрещенных антенных решёток предложенное устройство позволяет проводить в реальном масштабе времени параллельный обзор пространства по двум угловым координатам. Проведён расчёт отношения сигнал-шум на выходе предложенного многоканального коррелятора. Разработан, создан и экспериментально исследован макет устройства обработки.

Заключение

.

Работа посвящена исследованию и разработке методов акустооптической обработки сигналов, длительность которых превышает типичную для акустооптики величину равную времени распространения сигналов в акустооптическом модуляторе.