автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Исследование акустооптического процессора для корреляционного и спектрального анализа радиосигналов СВЧ диапазона

од

На прапах рукописи

Сергиенко Александр Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТООНТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССОРА ДЛЯ КОРРЕЛЯЦИОННОГО И СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА РАДИОСИГНАЛОВ СОЧ ДИАПАЗОНА

Специальность: 05 12.01 — Теоретические основы радионжники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт ПетерГнрг - Н)Я.Г1

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Электротехническом Университете имени В. И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель — доктор технических наук профессор Ушаков В. Н.

Официальные оппоненты: ■доктор технических наук профессор Куэичкин А. В. кандидат технических наук доцент Бухенский Л. Ф.

Ведущая организация — Центральный научно-исследовательский испытательный институт Министерства обороны, г. Москва

Защита состоится и1," ОМГЗ^З „ 1995 г. в час. на заседании диссертационного совета Д063.36.03 Санкт-Петербургского Гобу-дарствениого Электротехнического Университета имени В. И. Ульянова (Ленина) но адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " ^ ™ С2/А/$>6 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Егорова С.Д

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Б последнее время п радиотехнических системах различнош назначения чисто применяются широкополосные сигналы большой длительности. Использование таких сигналов, наливаемых сигналами с большой базой, позволяет улучшить помехозащищенность радиоснстем, обеспечить кодовое разделение капало» и системах связи, повысить точность и разрешающую способность радиолокационных и навигационных средств.

Широкое распространение упомянутых сигналом делает весьма акгут альной задачу создания эффективных средств для их обработки. Т.'.кие средства можно разделить на две основные группы: цифровые к аналоговые.

Цифровые устройства обладают высокой точностью вычислений, гибкостью, большим динамическим диапазоном. Однако, быстродействие цифровых процессоров отстает от насущных потребностей. Кроме того, их масса, габариты, энергопотребление и стоимость быстро возрастают с увеличением полосы частот обрабатываемых сигналов.

Среди аналоговых средств весьма перспективными являются акусто-оптические (АО) устройства, которые в настоящее время позволяют обрабатывать в реальном времени сигналы с полосой частот п сотни мегагерц в гигагерцевом диапазоне. Кроме того, они обладают таким достоинством оптических методов обработки информации, как простота полпения важнейших интегральных преобразований. Особенный интерес при обработке сигналов с большой базой представляют АО устройства с временным интегрированием, допускающие длительность обрабатываемых сигналов, измеряющуюся десятками миллисекунд и ограниченную временем накопления фотоприемннка.

Однако, алгоритмы обработки сигналов, реализуемые с помощью известных схем акустооптических корреляторов с временным'интегрированием (АОКВИ), как правило, отличаются от оптимальных, что не позволяет в полной мере реализовать возможности АО методов.

В то же время сочетание акустооптических процессоров с цифровыми устройствами позволяет улучшить характеристики аппаратуры и получить качественно новые функциональные возможности. Цифровал посяз-Дпскторняя обработка сигналов может асполь?от.тг.с* дл? устранения вышеупомянутпй нсидоалыркик алюритмов, л та.тнапример, аня г'ы-11'»,чнп1ия спектрального анализа в АО корреляторе. Тргбурмо® Онгтро-

действие цифровых схем при этом невелико, что позволяет создавать компактные устройства с низким энергопотреблением. Таким образом, разработка гибридных акусто-оптико-цифровых процессоров для обработки широкополосных радиосигналов является весьма перспективной.

Из вышесказанного видна актуальность проведения теоретических и экспериментальных исследований акустооптических процессоров (АОП), анализа алгоритмов их работы, расчета предельно достижимых параметров, создания цифровых схем последетекторной обработки.

Цепь работы — исследование АОП для корреляционного и спектрального анализа СВЧ радиосигналов, включающего в себя двумерный квадратурный АОК13И, разработанный на кафедре Теоретических основ радиотехники СПб ГЭ ГУ, и устройство последетекторной цифровой обработки сигналов на базе персонального компьютера.

Основная задача исследования. В процессе выполнения работы в соответствии с поставленной целью решались задачи статистического анализа АОП при обработке детерминированных и случайных радиосигналов с учетом влияния реальных факторов.

Новые научные результаты:

• предложен алгоритм обнаружения случайного сигнала, позволяющий полностью реализовать частотные возможности двумерного АОКВИ и имеющий малые потери чувствительности по сравнению с оптимальным алгоритмом, исследованы его характеристики, разработана соответствующая схема последетекторной обработки сигналов;

• рассчитан динамический диапазон двумерного АОКВИ при обработке как детерминированных, так и случайных радиосигналов, предложена методика определения оптимальных уровней входных сигналов устройства и времени интегрирования с целью максимизации данного параметра;

• проведен анализ влияния преднамеренных помех на чувствительность и динамический диапазон АОКВИ при корреляционной обработке детерминированного сигнала;

• экспериментально проверена возможность квадратурной корреляционной обработки и спектрального анализа радиосигналов в диапазоне СВЧ.

Практическая ценность. Полученные результаты могут служить основой для разработки акустооптйч&гкнх процессоров, предназначенных для обработки широкополосных радиосигналов как щлермяниро-

_ з —

ванного, так и случайного характера п радиотехнических системах различного назначения. Предложенные алгоритмы послсдстекторной обработки сигналов расширяют функциональные возможности и улучшают качественные показатели акустооптического процессора радиосигналов СВЧ диапазона.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международной конференции "Оптика лазеров-93," С.Петербург, 1993 г.; международной конференции по оптической обработке информации, С.Петербург, 1993 г.; IEEE Ultrasonics Symposium, США, Балтимор, 1993 г.; международном симпозиуме по поверхностным волнам а твердых и слоистых структурах и национальной конференции по акустоэлектронике, Москва — С.Петербург, 1994 г.; IEEE Ultrasonics Symposium, Франция, Канны, 1994 г.; научно-технических конференциях СПб ТЭТУ,' 1993 1995 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ: 6 статей и 5 тезисов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав .с выводами, заключения и приложения. Основная часть работы изложена на 126 страницах машинного текста. Работа содержит 52 рисунка и 9 таблиц. Список литературы включает 59 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во и ведении обоснова на актуальность темы, определена сущность проблемы.

В первой главе сделан обзор методов, применяющихся при решении задач корреляционной обработки широкополосных радиосигналов. Произведен сравнительный анализ цифровых процессоров и аналоговых устройств, представляющих различные направления так называемой функциональной электроники. Среди последних рассмотрены получившие наибольшее практическое распространение: устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ), приборы с зарядовой связью (IIBC), акустоотггические процессоры (АОП), а также гибридные Г1АВ-ИЗС структуры. Подчеркнуты их достоинства и недостатки, отмечены функциональные и конструктивные особенности, охарактеризованы предельные параметры. Указано, что по функциональным и предельным частотно-временным параметрам выгодно отличаются AOII.

Для корреляционной обработки сложных сигналов наиболее эффек-

тиино использование АОКВИ, позволяющих обрабатывать сигналы, ширина спектра которых ограничена полосой пропускания акустооптиче-ского модулятора (АОМ), а максимальная длительность определяется временем накопления фотоприемника. Рассмотрены .основные разновидности таких корреляторов, отмечены их особенности, не позволяющие в полной мере реализовать возможности акустооптических методов. Так, при применении АОКВИ с линейной модуляцией интенсивности света для обработки радиосигналов полоса рабочих частот АОМ и- модуляционные возможности источника света используются крайне неэффективно. Кроме того, пространственное распределение накопленного заряда отражает непосредственно взаимную корреляционную функцию (ВКФ) обрабатываемых сигналов. В случае радиосигналов эта ВКФ содержит высокочастотное заполнение, необходимость считывания которого дискретным фотоприемником требует повышенного числа элементов последнего. Аналогичный недостаток имеется и у радиочастотного АОКВИ на встречных акустических пучках, где также формируется ВКФ радиосигналов, содержащая высокочастотное заполнение.

Данная проблема отсутствует в радиочастотном АОКВИ со скрещенными световыми пучками, формирующем пространственное распределение заряда, пропорциональное вещественной части ВКФ комплексных огибающих обрабатываемых радиосигналов. Однако для сохранения полной информации о ВКФ появляется необходимость в дополнительном квадратурном канале обработки. Описаны известные варианты реализации квадратурного канала в схеме АОКВИ со скрещенными световыми пучками. Отмечено, что электронный, акустический, оптический и оптоэлек-тронный методы обладают существенными недостатками: узкополосно-стью либо повышенной конструктивной сложностью. Пространственно-параметрический ДОКВИ в силу особенностей формирования опорного сигнала позволяет осуществлять квадратурную корреляционную обработку только в активном режиме обнаружения и лишь для сигналов с чисто угловой модуляцией.

Отмечено, что двумерный квадратурный радиочастотный АОКВИ, разработанный на кафедре Теоретических основ радиотехники СПС ГЭТУ, архитектура которого также основывается на использовании скрещенных световых пучков, не обладает .указа иным и выше недостатками. Он сочетает в себе предельно ю шнрокололосность, ограниченную па раметрами используемых АОМ, с низкой сложбосгыо конструкции. Схс ма коррелятора изображена на рис.1.

Рис. 1

Привадится описание данного устройства. С помощью призменного расщепителя светового потока 2 по входной плоскости А ОМ 3 и 4 создаются скрещенные световые пучки. Особенностью данной схемы является то, что модуляторы разнесены друг относительно друга вдоль вертикальной координаты у. Каждый АОМ освещается лишь одним из двух скрещенных световых пучков, что обеспечивается с помощью диафрагмы 1, имеющей два непрозрачных квадранта. Обрабатываемые радиосигналы возбуждают в звукопроводах АОМ встречно распространяющиеся акустические волны. Пространственный фильтр, включающий в себя астигматическую пару (сферическая 5 и цилиндрическая 6 линзы), щелевую диафрагму 7 и сферическую линзу 8, устраняет недифрагировашшк свет, восстанавливает исходные световые распределения дифрагированных световых пучков вдоль горизонтальной координаты х и обеспечивает интерференцию между световыми пучками, прошедшими через АОМ 3 ¡1 4, вдоль вертикальной координаты у. В выходной плоскости (1:1,1/1) размещены линейки ПЗС-фотоприемников 9, осуществляющие временное накопление заряда.

Отмечается, что преимущества оптических методов обработки сигналов над цифровыми отнюдь не являются абсолютными. Оба метода перспективны, но каждый из них имеет свою область применения. Сочетание этих методов может привести к созданию весьма многообещающих и эффективных систем. Для повышения гибкости оптических процессоров целесообразно объединять аппаратуру параллельной оптической обработки с цифровыми устройствами управления и контроля. Эффективное распределение вычислительной нагрузки между оптическими н электронными устройствами позволит создать компактные системы с низкой

потребляемой мощностью.

На основании выполненного обзора сделаны следующие выводы:

• быстродействие цифровых процессоров для обработки сигналов в реальном времени отстает от растущих требований практики. Кроме того, с увеличением полосы обрабатываемых сигналов габариты, энергопотребление и стоимость цифровых процессоров существенно возрастают;

• среди аналоговых сигнальных процессоров, представляющих различные направления функциональной электроники, акустооптиче-скис устройства с временным интегрированием способны обеспечить наибольшие значения как полосы (сотни мегагерц), так и длительности (десятки миллисекунд) обрабатываемых сигналов;

• в классе радиочастотных АОКВИ наиболее полно частотные возможности АОМ могут быть реализованы в схеме со скрещенными световыми пучками, устраняющей пространственную Несущую частоту в выходном распределении заряда. Для сохранения полной информации о ВКФ в этом случае необходим дополнительный квадратурный канал обработки;

• среди вариантов реализации квадрат5'рного канала в радиочастотном АОКВИ со скрещенными световыми пучками двумерная схема отличается наибольшей полосой частот в сочетании с наименьшей конструктивной сложностью;

• наилучшие результаты могут быть достигнуты при рациональном сочетании оптической л цифровой обработки сигналов. •

Таким образом, двумерный квадратурный радиочастотный АОКВИ со скрещенными световыми пучками позволяет наиболее полно реализовать частотные возможности АОМ и является (в сочетании с дополнительными цифровыми устройствами) наилучшей основой для создания процессора радиосигналов СВЧ диапазона.

Разработке алгоритмов цифровой последегекторной обработки, исследованию статистических свойств процессора с учетом влияния реальных факторов посвящены последующие главы диссертации.

Во второй главе рассмотрены вопросы функционирования и статистического анализа двумерного квадратурного радиочастотного АОКВИ в режиме обработки детерминированного сигнала. При этом на один вход коррелятора подастся опорный сигнал, сформированный в приемном устройстве, а на другой — принимаемая адди 1 ивная сыеа. сигнала и шума. Принимаемый полезный сигнал является ослабленной но уровню

и сдвинутой во времени копией опорного сигнала.

Покачано, что последетекторная обработка выходных сигналов рассматриваемого АОКВИ позволяет получить распределение модуля ВКФ комплексных огибающих обрабатываемых сигналов и реализовать, таким образом, оптимальный алгоритм обнаружения сигнала с неизвестной начальной фазой. Требуемая последетекторная обработка может быть эффективно реализована средствами цифровой техники, так как необходимое быстродействие невелико (вычисления должны быть выполнены за один цикл накопления, длительность которого з АО устройствах с временным интегрированием достигает десятков миллисекунд).

Исследовано влияние собственных шумов устройства на статистические, характеристики его выходного сигнала. Рассматривается принципиально неустранимый и наиболее существенный для АО устройств с временным интегрированием фактор: дробовый шум фотоприемиика. Вычислены математическое ожидание и дисперсия выходного заряда АОП в точке достижения корреляционного пика с учетом данного шума.

Рассчитан динамический диапазон Ш1 акустооптического процессора в режиме обработки детерминированного сигнала. Этот параметр олре-. делается как отношение максимального уровня входного сигнала, ограниченного насыщением фотопри'емника, к минимальному, соответствующему достижению заданного минимально допустимого отношения сигнал/шум к на выходе коррелятора. При анализе учитывался внешний шум и собственные шумы фотоприемника. Соответствующее выражение имеет вид

ГШ = .Щ^-Т/Тн-а-^ ■ " ,, (а2 + 2аЬ , а + Ь + Т/ТнУ { И + Ы„ )

где В — база обрабатываемого сигнала; Т — время накопления; а и Ь — нормированные уровни входного и опорного сигналов; N¡1 — количество электронов в заряде насыщения фотоприемника; Тн — период насыщения фотоприемника темповыми токами утечки.

Показано, что изменение уровней опорного сигнала и входной смеси сигнала и шума влияет как на динамический диапазон устройства, так и на его чувствительность (минимально допустимое отношение сигнал/шум на входе). Одно и то же значение чувствительности может быть достигнуто при различных комбинациях уровней входных сигналов. Существует их оптимальная комбинация, которая при заданном значении

чувствительности обеспечивает максимальный динамический диапазон. Па основе полученных выражений построены графики зависимости динамического диапазона от чувствительности коррелятора (рис.2). Кривые построены для типичного для ПЗС-фотоприемников числа электронов в заряде насыщения Nu = 7 • 105, Т/Тц = 0,1 и трех значений базы обрабатываемого сигнала: 10*, 105 и 10е.

Произведен анализ полученных результатов. Дано физическое объяснение возрастанию динамического диапазона с увеличением минимального отношения сигнал/шум на входе: при увеличении уровней подаваемых на »ход устройства сигналов уменьшается влияние собственных шумов фотоприемника, поэтому может быть достигнуто меньшее отношение сигнал/шум на входе; в то же время увеличивающийся энергетический Пьедестал в выходном распределении заряда уменьшает используемую сигналом часть зарядовой управляющей способности фотоприемника и, соответственно, динамический диапазон.

Графики рис.2 показывают, что для каждого значения базы обрабатываемого сигнала существует предельно достижимое значение С/Ше1 min, при котором динамический диапазон падает до единицы. Построена зависимость э того значения Сjllle~ от базы сигнала. Показано, что при базе обрабатываемого сигнала, превышающей 10е, чувствительность устройства практически перестает улучшаться, и обработка сигналов становится неэффективной.

Рассмотрено влияние-преднамеренной помехи на работу акусюотп-

ческого процессора. Под такой помехой понимался случайный процесс с распределением, отличным от нормального, поступающий на вход АОП наряду с гауссовским шумом. Кроме того, помеха считалась стационарной, центрированной и не зависящей от сигнала и шума. Получены формулы, описывающие математическое ожидание и дисперсию выходного заряда АОКВИ в точке достижения корреляционного пика с учетом влияния помехи в общем случае и при дополнительном условии узксло-лосности помехи. Полученные результаты применены для анализа конкретного случая гармонической помехи со случайной начальной фазой. Рассчитаны статистические характеристики выходного заряда АОП с учетом влияния внешнего шума, собственных шумов фотоприемника и гармонической помехи. Проанализировано влияние уровня помехи на чувствительность и динамический диапазон АОП (зависимость последнего от отношения помеха/шум показана на рис.3). Установлено, что при мощности гармонической помехи, не превосходящей мощности внешнего гауссовского шума, наличие помехи не приводит к заметному ухудшению рассматриваемых параметров устройства.

В третьей главе рассмотрено применение двумерного квадратурного радиочастотного АОКВИ для дчухкаиального обнаружения случайного сигнала.' При этом на сба входа устройства поступают гдаитгпны'' смеси сигнала л шума. Предполагается, что шумы в двух каналах виелмм, еч5нару;киваемый же случайный процесс одшткоп. Пбмпмо сои ственно обнаружения в данном случае кррчегагляег интерес измерение

временной задержки полезного сигнала и получение информации о его спектре.

Рассмотрены возможные в данной ситуации алгоритмы обнаружения случайного сигнала. Эвристически предложен алгоритм, удобный для реализации с помощью акустооптического процессора с временным интегрированием. Соответствующая решающая статистика имеет вид:

Я = \¥1 + К2 + 2\кп,п(т)\, (1)

где IV],2 — энергии,входных, сигналов за время анализа; й\гт(т) — ВКФ их комплексных огибающих; т— задержка полезного сигналу. Разработана структурная схема устройства последетекторной обработки выходных сигналов двумерного АОКВИ, вычисляющего предложенную статистику.

Исследованы характеристики обнаружения, соответствующие предложенному алгоритму. Получены аналитические выражения для математических ожиданий, дисперсий и коэффициентов взаимной корреляции входящих в (1) составляющих: энергий сигналов, вещественной и мнимой частей ВКФ комплексных огибающих. Большое по сравнению с интервалом корреляции входных сигналов время интегрирования в АОКВИ позволяет считать распределения всех этих составляющих нормальными. • '

Для случая отсутствия полезного сигнала получены аналитические выражения для плотности вероятности и функции распределения статистики 2' И! таким образом, выявлена зависимость между уровнем порога обнаружения и вероятностью ложной тревоги.. При наличии полезного сигнала получить решение аналитически не представляется возможным, поэтому ¡характеристики обнаружения были рассчитаны численно путем статистического моделирования с помощью компьютера. На рис.4 (сплошная линия) приведена зависимость вероятности правильного обнаружения Рпо от параметра обнаружения д, определяемого в данном случае как у — , где М) и N — спектральные плотности мощно-

сти сигнала, и шума, соответственно. График соответствует вероятности ложной тревоги Ю-4. Там же для сравнения приведены характеристик;: обнаружения для оптимальною алгоритма (короткий пунктир) и идеального коррелятора (длинный пунктир).

Проведена количественная оценка потерь чувствительности по сравнению с оптимальным алгоритмом. Показано, что при вероятности ложной тревоги, не превышающей ДО""3, и вероятности пропуска сигнала,

Рпо

0.8 --

0.6 --

0.4

0.2

0.0

Рис.4

меньшей Ю-1, эти потери не превосходят 1 дБ.

Решена задача по расчету динамического диапазона ЛОП в режиме пассивною корреляционного приема с учетом влияния собственных шумов фотоприемника. Использовалось такое же определение динамического диапазона, как и для случая обработки детерминированного сигнала. Вычислены математическое ожидание и дисперсия заряда фотоприемника с учетом шумов последнего. На основе этого получены выражения для границ динамического диапазона и его величины. Последнее выражение имеет вид

1 — Т/Тд — я

DR =

к.

а2 а + Т/Тц '

• +

В NM

где а — нормированный уровень входных сигналов.

Проведен анализ данной формулы для случаев фиксированного и варьируемого времени накопления Г. В первом случае единственный параметр, поддающийся регулировке — это уровень входных шумов а. При его изменении меняются динамический диапазон и минимально допустимое отношение сигнал/шум на входе. Получено выражение, описывающее связь между этими двумя величинами. Показало, что предельно достижимый в данном случае динамическим диапазон определяется числом электроном в заряде насыщения фотонриемника и отношением Т/7 д. Ото же число электронов определяет и максимальную базу эффективно обрабатываемого ели нала. При увеличении базы сверх этого значент: предечъ

011, дБ

I м I II I I |.| | | | | | | гг- ,

-20 -15 С/Шпип, дБ

Рис. 5

пая чувствительность устройства практически перестает улучшаться.

Во втором случае время накопления Т может изменяться, поэтому по стоя иным параметром является не база сигнала, а произведение Д }Тц где Д/ — ширина спектра обрабатываемого сигнала. Одно и то же зна чение минимально допустимого отношения сигнал/шум на входе может быть получено при различных комбинациях параметров а и Г. Показано что существует комбинация, которая при заданном С/ Шв1 щц дает мак симальный динамический диапазон. Соответствующий анализ приводит к уравнениям степени выше третьей, поэтому конкретные результата были получены с использованием численных методов. На рис.5 приведены графики зависимости динамического диапазона от С/Шех щЬ- Кривые построены для Л'д 7 • 105.

Получены также графики зависимостей оптимальных значений уровня входных сигналов и времени и'.¿опления от С(Щ„г „¿ц.

Рассмотрен способ получения информации о спектре обнаруживаемого случайного сигнала путем дискретного преобразования Фурье, выполняемого над массивом отсчетов ВКФ комплексных огибающих входныз; сигналов. Показано, что предельное спектральное разрешение определяется временной апертурой используемых АОМ. Для полной реализации этой потенциальной разрешающей способности число элементов фотоприемника должно быть не меньше, чем база акустоонтического модулятора. Проведен анализ искажений получаемого спектра, возникающих из-за. ненулевого размера элемента фотоприемника. Показано, что данные

искажения могут рассматриваться как результат прохождения эквивалентного временного сигнала через линейный фильтр с импульсной характеристикой, соответствующей профилю изменения чувствлтельнс>сти вдоль апертуры элемента фотоприемника, и приводят к детерминированным мультипликативным искажениям спектра, которые при необходимости могут быть скомпенсированы.

В четвертой главе изложены результаты экспериментального исследования акустооптического процессора.

Создан лабораторный макет двумерного квадратурного радиочастотного АОКВИ со' следующими параметрами: средняя рабочая частота -— 1560 МГц, полоса частот — 500 МГц, время накопления — 10 мс. В качестве фотоприемника использовалась ПЗС-матрица 368x288 элементов.

Для обеспечения многофункциональной последетекторной'обработки сигналов в акустооптическом процессоре создана программа, выполняющая следующие основные функции: управление и обмен данными с блоком сопряжения, реализующим интерфейс между ПЗС-матрицей и персональным компьютером; обнаружение случайного радиосигнала согласно предложенному алгоритму; оценка времени задержки обнаруживаемого сигнала'в двух приемных каналах; спектральный анализ и оценка параметров спектра; вывод информации в наглядной форме (з виде графиков) и реализация удобного пользовательского интерфейса; генерация модели выходных распределений линеек ГГЗС и проведение последетекторной обработки этих смоделированных данных.

Программа написана с использованием транслятора Turbo Pascal 7.0 и предназначена для компьютеров класса IBM PC.

Проведено тестирование разработанного программного обеспечения путем моделирования выходных сигналов ПЗС-фотоприемника.

Проверена работоспособность макета в комплексе с персональным компьютером. Корреляционной обработке подвергались непрерывные гармонические и частотно-модулированные сигналы СВЧ диапазона, производился последетекториый цифровой спектральный анализ. Полученные результаты свидетельствуют о функционировании акустосптя-ческою процессора в соответствии с теоретическими представлениями.

Заключение

Основные результаты работы могут быть сформулированы сл«а<7ю-

ш,ич образом:

1. Вычислен динамический диапазон двумерного АОКВИ в режиме корреляционного приема детерминированного сигнала. Показано, что на его величину влияют следующие факторы: база обрабатываемого сигнала, время накопления, уровни входного и опорного сигналов, а также параметры фотоприемпика: количество электронов в заряде насыщения и темновой ток утечки.

2. Рассчитана зависимость м^жду динамическим диапазоном и чу и ствительностью устройства при корреляционном приеме детерминированного сигнала. Показано, что при заданном минимальном значении отношения сигнал/шум на входе существуют оптимальные уровни входного и опорного сигналов, обеспечивающие максимальный динамический диапазон.

3. Получена зависимость предельной чувствительности двумерного АОКВИ в режиме корреляционного приема от базы обрабатываемо-1х> детерминированного сигнала. Показано, что существует максимальное значение базы эффективно обрабатываемого сигнала, составляющее для типичных параметров фотоприемника примерно 10е. При превышении этого значения минимальное отношение сигнал/шум на входе практически не улучшается и при типичных значениях параметров фотоприемника стремится к величине около -48 дБ.

4. Проведен анализ влияния преднамеренных помех различного тила на динамический диапазон и чувствительность двумерного АОКВИ в режиме обработки детерминированного сигнала. Рассчитанные значения указанных параметров зависят как от модели помехи, так и от формы принимаемого сигнала. В частном случае гармонической помехи показано, что ее наличие не приводит к заметному ухудшению динамического диапазона и чувствительности, если мощность помехи не превышает мощности внешнего нормальна! о шума.

5. Отмечено, что алгоритм обработки, реализуемый в схеме радиочастотного АОКВИ на встречных акустических пучках, является оптимальным для двухканального обнаружения случайного сигнала. С целью упрощения технической реализации АОП предложен алгоритм решения данной задачи, использующий устранение пространственной несущей частоты в выходном распределении заряда АОКВИ. Рассчитаны соответствующие характерис тики обнаружения. Показано, чк> потери чувствительности по сравнению с онти-

малыши алгоритмом не превышают 1 лБ. Лля реализации предложенного Метода разработана гибридная структура AOII на основе двумерного АОКВИ.

6. Вычислен динамический диапазон двумерного АОКВИ при двухка-нальной корреляционной обработке случайного сигнала. Показано, что возможны два варианта оптимизации режима работы устрой ства в зависимости от того, задало ли время накопления. При по стоянном времени накопления заданной чувствительности соответ -ствует оптимальная величина ¿'ровней входных сигналов, обеспечивающая максимальный динамический диапазон при фиксированной базе сигнала. При варьируемом времени анализа фиксируется не база, а ширина спектра сигнала, а время накопления является, наряду с уровнями сигналов, оптимизируемым параметром..

7. Рассчитана зависимость динамического диапазона от чувствительности устройства при корреляционной обработке случайного сигнала для двух указанных вариантор оптимизации. Показано, что величина динамического диапазона в данном режиме работы при использовании типичных фотоприемников может достигать 25-30 дБ в зависимости от ширины спектра сигнала и требуемой чувствительности.

8. Показана возможность получения спектральной информации о принимаемом случайном сигнале путем выполнения преобразования Фурье над ВКФ комплексных огибающих входных сигналов. Определено предельно достижимое частотное разрешение и показано, что оно определяется базой используемых АОМ.

9. Экспериментально исследована работа двумерного квадратурного АОКВИ в диапазоне СВЧ в комплексе с цифровыми ««тройствами последетекторной обработки сигналов. Подтверждена возможность осуществления квадратурной обработки и спектрального анализа радиосигналов в гигагерцевом диапазоне частот.

По материалам диссертации опуПлнкопяпы следующие работы:

1. А. N. Rogov, А. В. Sergienko, V. N. Ushakov. Detection and Estinin' lion of Stochastic Signal Parameters by Quadrature Timc-Inrewratins Acousto-Optic Correlator //. Proc. SPIE, 1993. — Vol.2051. - P.fiPC-

i'ltM.

2. А. Б. Сергвенио, В. Н. Ушаков. Характеристики обнаружения аку-стооптпческош коррелятора с временным интегрированием в активной режиие // Известия ГЭ'ГУ — 1993. — Вып.469. — С.57-62.

3. А. N. Rogov, А. В. Sergienko, V. N. Ush&kov. Dynamic Range of Quadrature Radio-Frequency Time-Integrating Acousto-Optic Correlator // IEEE International Ultrasonics Symposium: Proc.— Baltimore, 1993. — P.471-474.

4. A. N. Rogov, A. B. Sergienko, V. N. Ushakov. UHF multifunctional acousto-optic processor experimental investigation // Int. Symp. oin Surface Waves' in Solid and Layered Structures and National Conf. on Acoustoelectronics: Proc. — Moscow; St.Petersburg, 19941 — P.276-279. ;

5. A. H. Рогов, А: Б. Сергиенко, В. H. Ушаков. Гибридны^ акустооп-тический процессор для спектрально-корреляционного анализа радиосигналов И Известия ТЭТУ. — 1994. — Вып.473. — С.61-64.

6. V. N. Usliakov, А. N. Rogov, А. В. Sergienko. Nontraditional acousto-optic correlators // IEEE International Ultrasonics Symposium: Proc. — Cannes, 1994. — Vol.2, P.889-992. .

7. A. H. Рогов, А. Б. Сергиенко, В. H. Ушаков. Динамический диапазон радиочастотного акустооптического коррелятора с временным интегрированием // Оптика лазеров-93: Тез.-докл. междунар. конф., С.Петербург, июнь 1993г. — СПб., 1993. — 4.2. — С.ЗЭ4.

8. А. II. Рогов, А. Б. Сергиенко, В. И. Ушаков. Корреляционные- аку-стооптические процессоры для систем лазерного зондирования атмосферы //XI Симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы: Труды. — Тонек, 1993. — С.97-98.

9. А. N. Rogov, А. В. Sergienko, V. N. Ushakov. Detection and PJstiiua-tion 'of Stochastic Signal Parameters by Quadrature Time-Integrating А со us U к Correlator //Int. Conf. on Optical Information Processing: ЛЬ-.,!. — St.Petersburg, 1993 — Rcf>ort 126.

10. A. N. Rogov, A. B. Sergienko, V. N. U&liakov. Dynamic Range of Quadrature Radio-Frequency Time-Integrating Acousto-Optic Coirelator /J IEEE Ultrasonics Symposium: Abstracts. — Baltimore, 1993. — Report Pi-3.

11. A. N. Rogov, A. B. Sergienko, V. N. Ushakov. UHF multifunction^! acousto-optic processor experimental investigation // int. Symp. oil Surface Waves in Solid and Layeied Sf.:iicHir«s mu< National Com. <>tt Acouslooloctroaics: Abstracts. — Moscow; SU'ciiMsburg, Н»;<4.

Подписано в печапОб.09.95 Формат 60*34/16 Пгчать офсетная. Заказ № ХЗЗ Печашпй лист 1,25 Тираж ЮО ^К-3-

тпрннт МГП "Поликом" !')7376. Санкт -Петербург, ут Проф. Пгпсг.а, 5