Использование акустооптической ячейки для определения параметров импульсных сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование акустооптической ячейки для определения параметров импульсных сигналов

А.М. Бобрешов, И.С. Коровченко,

А.В. Олейников, К.А. Прохоров

Воронежский государственный

университет (ВГУ), Воронеж, Россия

Рассматривается измерение параметров анализатора импульсных сигналов на основе акустооптической ячейки. Проводится обоснование выбора акустооптической ячейки в качестве основного компонента устройства. Приводится алгоритм определения основных параметров анализатора при помощи различных импульсных методов. В статье произведено сравнение результатов численного моделирования и экспериментальных кривых отклика регистрирующего устройства, на основе чего сделаны выводы

Ключевые слова: широкополосные сигналы, ШПС, дифракция Брэгга, акустооптическое взаимодействие, акустооптическая ячейка, приёмник.

A.M. Bobreshov, I.S. Korovchenko, A.V. Oleynikov, K.A. Prokhorov

USE OF ACOUSTIC OPTICAL CELL FOR DETERMINING THE PARAMETERS OF PULSE SIGNALS

Measurement of analyzer's parameters of pulsed signals based on an acousto-optic cell is considered. We validate our choice of acoustooptic cell as a main component of the analyzer. An algorithm for determining the basic parameters of a measuring device using various pulse methods is given. The article compares the results of numerical simulation and experimental response curves of the receiver, on the basis of which conclusions were made.

Keywords: broadband signals, PSS, Bragg diffraction, acousto-optic interaction, acousto-optic cell, receiver.

Введение

Импульсные сигналы находят все более широкое применение в современной радиоаппаратуре. Системы, использующие подобные сигналы, имеют ряд преимуществ перед прочими: сложность обнаружения и дальнейшего декодирования сигнала, лучшие характеристики электромагнитной совместимости. В то же время генерация, излучение, прием и обработка, а также разработка соответствующих блоков радиоэлектронной аппаратуры, представляет определенные трудности, для традиционной схемотехнической электроники, поскольку необходимо обеспечивать высокие требования к широкому диапазону частот, малым длительностям сигналов и скорости их обработки [1,2]. В связи с этим представляет большой интерес использовать альтернативные технические решения, в частности преимущества акустооптики, для создания анализаторов импульсных сигналов.

Целью данной работы является экспериментальное исследование параметров импульсных сигналов различной длительности при помощи акустооптической ячейки.

Обоснование выбора кристалла

Основной причиной выбора акустооптической ячейки для приема импульсных сигналов являются особенности акустооптического взаимодействия, которое, в общем случае, можно охарактеризовать частотой акустических колебаний, поляризацией и направлением распространения оптического излучения. Основой эффекта, с физической точки зрения, является изменение диэлектрической проницаемости и, следовательно, показателя преломления под действием возникающих в условиях волнового движения механических напряжений и деформаций (акустических волн). При этом возможно два различных режима дифракции: Рамана-Ната (характеризуется множеством боковых дифракционных максимумов) и Брэгга (только один боковой максимум). Особенностью дифракции Брэгга является возможность получения в выходной плоскости пространственно-распределенного оконного преобразования Фурье от входного сигнала [3].

В случае использования схемотехнических решений сложность согласования различных цепей влияет на импульсный сигнал, который будет претерпевать искажения - уширение спектра и увеличение длительности импульса, фильтрацию в определенных диапазонах частот и переотражения [4]. Данных недостатков лишен акустооптический кристалл, в котором отсутствует дисперсия акустической волны, поскольку скорость распространения не зависит от частоты.

Экспериментальное исследование параметров импульса

Согласно [3] отклик акустооптической ячейки на радиоимпульс должен иметь линейную зависимость от длительности импульса, при условии равенства амплитуд используемых импульсов. Однако, приведенные на рисунке 1 теоретическая и полученная в ходе исследования экспериментальная кривая имеют существенные расхождения в области малых длительностей. Данное несоответствие указывает на несогласованность полосы анализатора. Основными причинами расхождения являются недостаточная полоса пропускания пьезопреобразователя, селективность акустооптического преобразования по углу (недостаточная мгновенная ширина полосы при фиксированном угле), а также возможные нелинейности и шумы фотодиода.

Среди видов модуляции импульсной последовательности можно выделить следующие: изменение периода следования импульсов, манипуляция фазой прихода импульса, манипуляция длительностью импульсов. Исследование дифракционной картины в зависимости от длительности импульса представлено ниже. Структурная схема измерительной установки представлена на рисунке 2. Сигналы с генератора импульсов 1 подаются на модулирующий вход векторного генератора 2, с выхода которого сформированная последовательность радиоимпульсов подается на образец 4.

Рис.1 Зависимость отклика фотоумножителя от длительности импульса. 1) теоретическая кривая; 2) экспериментальная кривая;

Параметры импульсной последовательности определяются по зависимости интенсивности излучения лазера 3 от угла, которая представляет собой пространственный спектр исследуемой импульсной последовательности. Величина интенсивности измеряется при помощи фотодиода BPW24R с собирающей линзой. Следует отметить, что физические размеры линзы выбираются исходя из дальности расположения экрана и минимальной длительности импульсов. Это связано с тем, что при уменьшении длительности модулирующего импульса будет расширяться полоса сигнала, что приведет к распределению мощности по спектру. Кроме того, для корректного анализа длительности сигнала необходимо, чтобы в среде распространялся только один исследуемый импульс. Это накладывает ограничение на частоту повторения[5].

Рис. 2 Структурная схема анализатора 1) генератор импульсов, 2) векторный генератор, 3) лазер, 4) акустооптическая ячейка, 5) линза, 6) регистрирующее устройство.

С целью анализа полной энергии оптического сигнала физические размеры линзы должны быть больше, чем размер дифракционного максимума в пространстве. Полученный сигнал усиливается операционным усилителем AD8055 и подается на вход осциллографа. Данные с осциллографа анализируются в среде Matlab, где производится сравнение полученной кривой с кривой разряда конденсатора. Типовая осциллограмма сигнала представлена на рисунке 3.

Рис. 3 Отклик системы при анализе квазирадиоимпульса длительностью 630нс

Общая схема регистрирующего устройства приведена на рисунке 4. На рисунке 5 представлена электрическая схема включения. В начальный момент распространения акустической волны интенсивность лазера, падающая на фотодиод, начинает увеличиваться. Сигнал проходит через конденсатор и усилитель и попадает на конденсатор. Во время распространения импульса в среде интенсивность на диоде стабилизируется и в случае равномерного распределения интенсивности лазера ток через конденсатор становится равным нулю. В противном случае, полученная нестабильность интенсивности будет изменять напряжение на конденсаторе. После того как импульс полностью пройдет среду, интенсивность на фотодиоде начнет падать и конденсатор начнет разряжаться. Именно эти контрольные точки позволяют определить параметры принимаемого импульса. Для определения точки начала разряда конденсатора следует найти точку расхождения кривой разряда и экспериментальной кривой. Далее проводится линия и рассчитывается разность точек пересечения. Получившийся временной отрезок определяется как время распространения в кристалле плюс длительность импульса. Отсюда при известной длительности импульсов можно получить скорость акустической волны в кристалле. Верно и обратное, зная время распространения в кристалле можно рассчитать длительность принимаемых импульсов.

Рис. 4 Общая схема измерительного устройства 1) Фотодиод BPW24R; 2) Конденсатор ; 3) Усилитель AD8055 4) Конденсатор ; 5) Осциллограф.

Рис. 5 Электрическая схема регистрирующего устройства

анализатор импульсный сигнал акустооптический

Кроме того, благодаря данному методу становится возможным оценить распределение интенсивности лазера по форме пика. Из рисунка 6 видно, интенсивность падающего излучения распределена неравномерно. В ходе работы было установлено, что это связано с неравномерностью интенсивности лазерного излучения.

Рис. 6 Отклик, полученный при неоднородном лазерном пучке

Заключение

Полученные результаты однозначно характеризуют принимаемый сигнал, что позволяет сделать вывод о применимости данного метода для измерения параметров импульсных сигналов.

Литература

1. Лазоренко О. В.,Черногор Л. Ф. Сверхширокополосные сигналы и физические процессы. Основные понятия, модели и методы описания. // Радиофизика и радиоастрономия, 2008, Т. 13, - С.166-194.

2. Лазоренко О. В.,Черногор Л. Ф. Сверхширокополосные сигналы и физические процессы. Методы анализа и применение. // Радиофизика и радиоастрономия, 2008, Т. 13, - С.270-322.

3. Балакший В. И., Парыгин В.Н., Чирков Л.И. Физические основы акустооптики М.: Радио и связь, 1985. - 278 с.

4. Ермаков Г. В., Калугин Д. С., Литовченко Д. М., Рогуля А. В.. Особенности, проблемы и возможности сверхширокополосной радиолокации. // Системы обработки информации, 2005, №4. - С. 30-42.

5. Бобрешов А.М., Коровченко И.С., Олейников А.В. Измерение акустической скорости акустооптического кристалла в широкополосных преобразователях частоты. // Радиотехника, 2018, №3. - С.70-74.

References

1. Lazorenko O. V., Chernogor L. F. The Ultrawideband Signals and Physical Processes. 1. Basic Concepts,Models and Description Methods. // Radiophysics and radioastronomy, 2008, Vol.13, - Pp. 166-194.

2. Lazorenko O. V., Chernogor L. F. The Ultrawideband Signals and Physical Processes. 2. Analysis Methods and Application. // Radiophysics and radioastronomy, 2008, Vol.13, - Pp. 270-322.

3. Balakshi V. I., Parigin V. N., Chirkov L.I. Physical Basics of Acousto-Optics М.: Radio and communication, 1985. - 278 p.

4. Ermakov G.V., Kalugin D.S., Litovchenko D.M., Rogulya A.V. Features, problems and possibilities of ultra wideband radar. // Information processing systems, 2005, №4. - Pp. 30-42.

5. Bobreshov A.M., Korovchenko I.S., Oleynikov A.V. Measurement of the acoustic velocity of an acousto-optic crystal in broadband frequency converters. // Radio Engineering, 2018, №3. - Pp.70-74.

Размещено на Allbest.ru