Акустооптическая ячейка как элемент ввода радиосигналов в оптический сигнальный процесор

расчетная работа №3

 

Акустооптическая  ячейка как элемент ввода радиосигналов  в оптический сигнальный процесор

 

СТРУКТУРА СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРВБОТКИ СИГНАЛОВ

 

        Оптические методы обработки информации нашли в настоящее время  широкое применение. Основная сущность этих методов заключается в том, что подлежащая обработке информация записывается на оптический транспарант в виде функции пропускания или изменения показателя преломления, а затем зондируется когерентным или некогерентным пучком света. Анализ светового изображения, полученного после транспаранта и преобразованного, дает параметры исследуемого сообщения

Структурная схема системы  оптической обработки сигналов приведена на рисунке 1. Для выполнения заданного алгоритма обработки на аналоговое оптическое вычислительное устройство поступают оптические сигналы, в которых закодирована информация, выдаваемая источником информации. Преобразование электрических сигналов в оптические выполняется источником света и преобразователем входных сигналов в оптический аналог. После выполнения заданного алгоритма обработки аналоговое оптическое вычислительное устройство формирует на выходе системы распределения амплитуд и фаз света, в которых содержатся результаты обработки сигналов, поступающих от источника информации. Преобразователь выходных сигналов измеряет параметры световых сигналов, поступающих на его выход, и выдает получателю информации конечный результат обработки в необходимом виде (как правило, в виде электрических сигналов).

В качестве устройств  ввода применяются различные типы пространственно-временных модуляторов света, принцип работы которых основан на взаимодействии света с динамическими неоднородностями, реализуемыми различными физическими эффектами в твердых и жидких средах. Для модуляции света используются электро- и магнитооптический эффекты, явления фотоупругости и др. На основе явления фотоупругости созданы акустооптические модуляторы (АОМ), которые находят широкое применение в оптических системах, осуществляющих одно- и многоканальный спектральный анализ, в акустооптических фильтрах, акустооптических устройствах по обработке сигналов антенных решеток, корреляторах радиолокационных сигналов и др.[6].

Рис.1. Структурная схема системы оптической обработки сигналов

         В качестве примера, использующегося в оптических системах обработки информации можно кратко рассмотреть  акустооптический измеритель частоты (АОПЧ).

         Описание АО измерителя частоты .     АОПЧ измеритель конструктивно выполнен в виде единого прибора (АОПЧ) и предназначен для работы в составе систем радиотехнического контроля в качестве измерителя несущей частоты, ширины спектра и амплитуды непрерывных и импульсных сигналов.

АОПЧ включает в себя три блока:

входной СВЧ  блок, акустооптический блок и блок обработки информации ( рис. 2а).

Неотъемлемой  частью АОПЧ является ПЭВМ типа IBM.

Рис.2а

 

Пример  элементной базы : 

• СВЧ усилитель типа ICA12-PR011 с коэффициентом усиления 30 дБ, выходной мощностью   1 Вт и уровнем нелинейных искажений вида IР3 порядка 40 дБ,
• полупроводниковый лазер KLM-650/20 с длиной волны λ = 0,65 мкм, линейной поляризацией и выходной мощностью P = 20 мВт,
• быстродействующая ПЗС линейка типа ТН7813А фирмы «Dalsa» с чувствительностью ~11,5 В·см2/мк Дж и тактовой частотой 50 МГц; общее число используемых фотодиодов составляет ~1024, общая протяженность светочувствительной части линейки х = 10 мм.

 

СВЧ блок выполняет обеспечение предварительной частотной селекции входных радиосигналов, их усиление до уровня P max ≈1,0 Вт, при котором еще не сказывается саморазогрев пьезопреобразователя в АОЯ и обеспечивается его нормальное функционирование, а также формирование и ввод в АО блок контрольных СВЧ сигналов.

АО  блок выполнен по типовой структурной схем (рис.3) .

Оптическая  схема АОС приведена на рис. 2. Схема включает в себя

• полупроводниковый лазер;
• коллиматор;
• АО ячейку на основе LiNbO3 Z-среза с апертурой по свету D и скоростью ультразвука V = 3,6⋅10³ м / с, на пьезопреобразователь которого через СВЧ- блок подается анализируемый радиосигнал ;
• объектив, состоящий из линз 3 и 4 с фокусным расстоянием F , в задачу которого входит «согласование» диаметра дифрагированного пятна света, равного

с используемой фоточувствительной областью ПЗС протяженностью h , приходящейся на полосу рабочих частот ( например - ΔfΣ = 500 МГц, на которой укладывается ~1000 фотодиодов).

Координата  центра дифрагированного пятна

где Θd – угол дифракции лазерного луча на АОД, зависит от частоты входного сигнала – f0.  

При этом F объектива выбирается из условия обеспечения в АОПЧ требуемой Δ f Σ:

Рис.3 Общий вид оптической схемы

Блок  обработки информации выполнен в виде единой платы, на которой размещен приемник на основе ПЗС, устройство управления режимом её работы, устройство обработки и трансляции результатов измерений потребителю. Общий вид

 

Рис.3

платы, закрепленной на оптическом держателе, обеспечивающем её юстировку  в составе АОПЧ, показан на рис. 3. Блок обработки может быть выполнен на основе ПЛИС «Аltera». Его алгоритм функционирования определяется пешаемой задачей. «Опрос» фотодиодов ПЗС осуществляется с тактовой частотой, равной 50 МГц.

 

       Как следует из выше рассмотренного, одним из основных элементов систем обработки и передачи информации является АОЯ (АОМ)

При использовании АОМ  в качестве устройства ввода информации большое влияние на основные качественные параметры, так же как разрешающая  способность и эффективность  дифракции, оказывают геометрические размеры звукопровода, материал, из которого изготовлен звукопровод, а также материал пьезопреобразователя, геометрические размеры пьезопреобразователя, его место положение. Варьируя значениями величин этих параметро , можно добиться максимальной разрешающей способности и эффективности дифракции, что дает возможность, с большей точностью, осуществлять ввод информации и  позволит, с большей точностью, измерить скорость звука АОМ, так как возможность применения акустооптического способа измерения скорости  звука в жидкости представляет особый интерес. Выше отмечалось, что эффективность дифракции h максимальна при  выполнении условия Брэгга.

 

Исходные данные для  РАСЧЕТА акустооптической ячейки

 

Длина волны светового пучка – ;

Ширина светового пучка – ;

Выходная мощность генератора – ;

    Материал пьезопреобразователя

    Материал светозвукопровода

    Полоса частот 

    Центральная частота   

    Разрешающая способность

    Число разрешимых элементов N= ак/

Дифракционная эффективносить    ,

    

 

Рис.4 . Геометрия АОМ

Расчетные соотношения

 

   Для обеспечения колебаний заданной частоты и для нормальной работы АОМ, в целом, необходимо произвести выбор  материала для изготовления пьезопреобразователя АОМ (если материал не задан) и рассчитать  его геометрические размеры (h -ширина полоска пьезопреобразователя,   d -толщина пластинки пьезопреобразователя,  H-ширина пластинки пьезопреобразователя, l-длина взаимодействия светового пучка с ультразвуком). Для расчета геометрических размеров пьезопреобразователей, использующихся  в АОМ можно воспользоваться данными представленными в таблицах №1,2,3.

 

. 1. Расчет пьезопреобразователя

 

    Основной функцией, выполняемой пьезопреобразователем, является возбуждение ультразвуковой волны в материале звукопровода.  При этом возникают вопросы эффективной трансформации электрической энергии в ультразвуковую и обратно. Электрического и акустического  согласования преобразователей и влияния различных конструктивных элементов (электродов, клеев, промежуточных слоев, тыльных нагрузок), которое необходимо учитывать при разработке АОМ.

Расчёт волнового числа  и длин волн акустической волны в  среде

Длина акустической волны  в пьезослое рассчитывается по формуле

, (1)

где c – скорость света в вакууме, равная ;

 f0 - частота электрического сигнала, на пьезопреобразователе, Гц;

  - показатель преломления пьезопреобразователя,

  - скорость распространения акустической волны в пезопреобразователе, м/с.

Длина акустической волны  в промежуточном слое рассчитывается по формуле

, (2)

где – показатель преломления промежуточного слоя.

Длина акустической волны  в звукопроводе рассчитывается по формуле

, (3)

где - показатель преломления звукопровода.

Волновое число акустической волны в пьезопреобразователе вычисляется  по формуле

, (4)

Волновое число акустической волны в промежуточном слое определятся  выражением

, (5)

Расчёт площадей слоёв

Эффективная площадь  поперечного сечения промежуточного слоя определяется выражением

, (6)

где – ширина пьезопреобразователя, м; – длина пьезопреобразователя, м.

Эффективная площадь первого электрода вычисляется по формуле

, (7)

где – ширина первого электрода, м; – длина первого элетрода, м.

Расчёт акустических сопротивлений слоёв

Акустическое сопротивление пьезослоя определяется из выражения

, (8)

где – плотность материала пьезопреобразователя, кг/м³; – скорость распространения акустической волны в пьезопреобразователе, м/с.

Акустическое сопротивление промежуточного слоя определяется по формуле

, (9)

где – плотность материала промежуточного слоя, кг/м³; – скорость распространения акустической волны в промежуточном слое, м/с.

Акустическое сопротивление  звукопровода определяется по следующей  формуле в случае отсутствия промежуточного слоя.

, (10)

где – плотность материала звукопровода, кг/м³; – скорость распространения акустической волны в звукопроводе, м/с.

При наличии промежуточного слоя, кроме потери энергии, происходит трансформация акустического сопротивления звукопровода, в связи, с чем его можно использовать в качестве элемента для акустического согласования.

Расчёт значения излучаемой акустической мощности пьезослоем и  величины потерь преобразования [11]

Эффективность взаимного  преобразования электрической энергии  в акустическую достигает максимума на частоте основного акустического резонанса, определяемого выражением

, (11)

где – толщина пьезопреобразователя, м.

Статическая емкость  пьезопреобразователя

, (12)

где – постоянная диэлектрическая проницаемость, равная ; – относительная диэлектрическая проницаемость пьезослоя.

Реактивное сопротивление  пьезослоя определяется следующим  образом

, (13)

Так как данная модель рассматривает случай согласованного радиотракта, то внутреннее полное электрическое сопротивление радиогенератора определяется характеристическим сопротивлением радиотракта , то есть

, (14)

Значит, электрическая мощность, которую генератор может выделить в согласованную нагрузку равна

,

Входную электрическую  мощность можно рассчитать через коэффициент отражения  Г по следующей формуле:

 

 

где Z_вх –входное сопротивление линии передачи, Z_н - сопротивление нагрузки.

 

 Акустическая мощность с  электрической входной связана  выражением

 

Р_АК=k²·Р_{эл вх}

 

где    k - коэффициент электромеханической связи материала пьезослоя.

 

 Требуемая акустическая мощность, с учетом геометрических размеров пьезопреобразователя и качества материала

Простейший вариант  согласования заключается в компенсации  реактивной составляющей параллельной индуктивностью

и трансформацией сопротивления R  к  Z_вх например используя четвертьволновый трансформатор на длинной линии с волновым сопротивлением W 

При этом необходимо проверить, чтобы электрическая полоса частот не обужала акустооптическую.

 

           По условию дифракции Брэгга длина пути l, на котором происходит взаимодействие светового пучка с ультразвуком, должна выбираться исходя из неравенства [1].

 

   

,                                                                (15)

где: θ₀ – параметр, характерезующий режим дифракции; n – коэффициент преломления света в звукопроводе; –частота звуковой волны, соответствующая углу Брэгга, - длина волны ультразвука в звукопроводе на частоте ВЧ-сигнала fако можно определить по формуле [1]

 

 

   

     Соответственно и длина пластинки пьезопреобразователя, независимо от того, из какого материала она изготовлена, должна выбираться из условий (15), но с учетом конструктивных особенностей она должна быть чуть больше .

     Толщина пластинки пьезопреобразователя определяется по формуле (1)

            

 

где Lпр - скорость звука в материале, из которого изготоовлен преобразователь.