光电子论文-李振兴-信号处理中的声光效应

光电子期末论文：信号处理中的声光效应1信号处理中的声光效应李振兴2013级22920132203618厦门大学信息科学与技术学院电子信息系电子工程专业摘要：声光信号处理技术具有大瞬时带宽、大动态范围和高速并行处理能力，而频谱分析技术是其重要的研究分支。首先介绍了声光效应，然后大致介绍了声光信号处理在各领域的应用，最后对其应用前景进行了展望。关键词：声光效应；声光信号处理应用；声光器件；频谱分析；相干检测Acousto-opticEffectinOpticalSignalProcessingZhengxing·liGrade：2013StudentID:22920132203618Electronicengineeringofelectronicinformationdepartment,Instituteofinformationscienceandtechnology,XiamenUniversity.Abstract：Acousto-opticsignalprocessingtechnologyhasalargeinstantaneousbandwidth,largedynamicrangeandhighspeedparallelprocessingability,andspectrumanalysistechnologyisanimportantresearchbranch.Acousto-opticeffectareintroducedfirst,andthenOutlinestheacousto-opticsignalprocessinginvariousfieldsofapplications,finally,itsapplicationforegroundisprospected.Keywords:Acousto-opticEffect;Acousto-opticsignalprocessingapplications；Acousto-opticdevice；Spectrumanalysis;Coherentdetection一、声光效应（Acousto-opticEffect）声光学（Acousto-Optics）是研究光与声相互作用引起的物理效应及其规律与应用的一门新的边缘性学科。早在20世纪30年代初，科学家就已在实验中论证了声光互作用现象，并开辟了声光学的研究领域。经过研究，从宏观上弄清了声光互作用的物理实质，将其分为两类：一类称喇曼—奈斯（Raman-Nath）声光衍射，另一类称布喇格（Bragg）声光衍射。这样，从理论上为声光学的发展奠定了基础。然而，在激光问世以前，由于声光互作用所引起的光的频率和方向的变化均很小，对于非相干光没有什么实用价值，因而长期以来未受到重视。超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称之为声光效应。声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播，当激光通过此介质时，就会发生光的衍射，即声光衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声波场而变化。其中衍射光偏转角随超声波频率的变化现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制。光电子期末论文：信号处理中的声光效应2Bragg型衍射二、声光器件（AO：Acousto-Opticdevice）2.1声光器件的前提条件及优势当今，许多现代化的雷达已不再发射频率固定且未加调制的脉冲信号，取而代之的是采用各种先进的调制技术，这些调制技术包括线性调频、频率捷变、直序扩频、调相、跳频等。这些调制技术使发射的脉冲信号时间—带宽积增大，并使有效辐射功率（ERP）下降。据统计，国际上1994年有近7%的雷达使用了扩谱技术，目前这个指标已达到30%，预计到2020年将会超过70%。除雷达信号外，还有各种混合信号、通信信号等，频率范围由0.5GHz～40GHz。因此，电磁波信号环境正变得越来越复杂，它包含了形式不同的各种信号，覆盖着日益增宽的频率范围。在这样宽的频率范围和复杂信号环境下，ESM/ELINT（ElectronicSupport光电子期末论文：信号处理中的声光效应3Measures/ElectronicIntelligence）系统要对信号进行搜索、截取、定向和分析，就必须有一种高灵敏度、大动态范围的宽带高速处理器及系统，这就是以布喇格声光器件（Braggcell）为核心的声光接收系统。实验已经证明，声光信号处理技术具有处理大带宽信号和检测分析这些复杂信号的能力。目前，国外报道的AO处理器的瞬时工作带宽为5MHz～2000MHz，分辨率为20kHz～1MHz，完全可以满足ESM/ELINT系统的需要（电子情报要求1MHz，通信要求20kHz），而传统的RF接收机仅仅能接收、分析布喇格声光器件所能处理的频率的2%～3%。在扩频通信领域，目前以数字信号处理（DSP）技术为基础的数字解扩技术存在的主要问题是无法对大时间—带宽信号进行处理，处理增益无法提高。而声光相关器可直接在中频和射频上对信号进行解扩和解调处理，且具有很高的处理增益。目前以空间积分声光相关器为基础的接收机的处理增益为30dB～33dB；以时间积分声光相关器为基础的接收机的处理增益为50dB～80dB。由于声光信号处理技术具有大瞬时带宽、大动态范围、高处理增益和高速并行处理能力，因此在电子战中的实时信号检测与分析、电子欺骗干扰、通信对抗和雷达测距测向等方面有着广阔的应用前景。2.2声光器件简介声光器件是一大类发展迅速的新型器件，西方各国以及俄罗斯都投入了大量的人力物力，特别是美国三军、各大公司和所属的研究所在这方面做了大量研究工作，并取得了可喜的进展。声光信号处理技术是在相干激光出现以后才得以迅速发展，现在正从实验室走向现场应用，并从军用到民用发展。它们种类繁多、用途广泛，其中以声光器件为基础的声光信号处理技术在雷达、通信、电子战和无线电天文学等领域具有广泛的应用前景。声光信号处理技术的关键技术是声光频谱分析技术和声光相关技术。2.3声光器件中使用的技术主要使用的是声光频谱分析技术和声光相关技术，其中声光频谱分析技术应用于声光频谱功率分析系统；声光相干技术应用于各种相关器。一、空间积分声光相关器光电子期末论文：信号处理中的声光效应4二、时间积分声光相关器三、时间、空间混合相关器1、匹配型空间积分声光相关器2、频分多路空间积分声光相关器3、空分多路混合声光相关器三、声光信号处理应用信号处理中的声光方法具有完成十分广泛的信号处理任务的潜在能力，并且十分适用于解决未来电信号处理中的各种问题。已经成功地证实了利用这种方法实现频谱分析、频率分道、卷积与相关，以及其他一些模拟操作功能。大多数这些功能的共同点在于宽瞬时带宽工作的能力，这也正是声光信号处理十分诱人之处。加上它还有同时处理多个信号的能力，这样我们就有了一个十分有用的器件。3.1军事现代声光技术是现代电子战的关键技术之一。从20世纪80年代开始，西方国家便投入巨资和人力研究此项技术，并把这项技术的进展作为其军事设备战斗力的重要标志，目前已有很大进展，有的已装备部队。美国远景研究规划局（ARPA:AdvancedResearchProjectsAgency）有一个将光学处理器引入系统（TOPS:TransitionofOpticalProcessorsintoSystems）的计划。TOPS计划特别重视将声光信号处理子系统引入现存的和未来的电子战系统中，，如在SAR（合成孔径雷达）成像、雷达和通信对抗中的应用等。声光频谱分析仪是新一代的雷达接收机，它能接收多种形式的信号，能接收多个同时到达的信号，截获概率接近100%，并有很宽的频率覆盖域。所以它能满足战场上对实时信号处理的要求。主要用于电子战、测距、通信等。光电子期末论文：信号处理中的声光效应53.2在扩频通信中的应用扩频通信的原理出现得很早，但真正的研究是20世纪50年代中期在美国开始的。美国军事机关看到，一般通信方式在强干扰情况下，很难准确检测出有用的信号。另外，对通信保密的要求也越来越强烈。20世纪50年代美国麻省理工学院研究成功NOMAC（NoiseModulationandCorrelationSystem）系统，成为扩频通信研究发展的开端，从此，军事通信机关对军事通信、空间探测、卫星侦查等方面广泛应用扩频通信方式的研究十分活跃。3.3在高动态高码率解扩接收机中的应用在现代通信中，为增加保密性，减少通信间的干扰，很多通信设备采用了扩频体制。随着CDMA（码分多址）技术的不断成熟与完善，扩频被很快应用到许多领域中，最典型的是在GPS接收机中的应用。特点：特点是多普勒频移大，码速率高，并且飞行时间短，必须在很短的时间内完成信号的捕获与跟踪，保证尽快进入数据解调。3.4合成孔径雷达成像SAR人们称为合成孔径雷达（SAR）的高分辨率微波成像技术，是自发明激光以来业已证明的相干光学信号处理技术的最成功的应用。用。从20世纪50年代第1台机载SAR成像器直到80年代的航天飞机成像雷达实验，基本上都是采用准确的相干光学系统将记录在摄影胶卷上的数据形成高分辨率雷达图像。光学处理式SAR成功的原因在于：摄影胶卷可以当作一种性价比高的，兼具高密度存储介质与二维空间—光学传感器功能的器件，而且相干SAR信号处理的需求与二维相干光学信号处理技术之间具有内在的匹配性。利用光学式SAR信号处理，所需完成的大函数核二维积分变换可以简单地将相干光通过数据胶卷和光学处理器来实现，所形成的结果是一个聚焦在输出面上的图像。四、结论及声光信号处理的前景展望从以上我们不难看出，声光信号处理已经广泛地应用于多种行业，其大瞬时带宽、大动态范围和高速并行处理能力为其在现代军事、通信、民用中的发展奠定了基础。同时随着其技术的发展与延伸，将会出现更多依赖声光效应而生的声光器件，在各领域大放异彩。五、参考文献1、LugtAV.OpticSignalProcessing.NewYork：Wiley，19922、HornerJL.OpticalSignalProcessing.NewYork：AcademicPress，19874、江修富，邵定蓉.时间积分声光相关器相关峰提取的新方法.电子学报，1999年第9期5、江修富，邵定蓉.时间积分声光相关器光学结构的分析.北航学报，1998年第5期6、程乃平江修富邵定蓉.声光信号处理及应用,京：国防工业出版社，2004.8ISBN7-118-03451-7