автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Перестраиваемый акустооптический согласованный фильтр для радиоимпульсов с частотной модуляцией

На правах рукописи

Антонов Юрий Геннадьевич

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ РАДИОИМПУЛЬСОВ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Специальность. 05 12 04 - Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2007

003173651

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им В И Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Ушаков В Н

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Кулаков С В , кандидат физико-математических наук, с н с Саенко И И

Ведущая организация - федеральное государственное унитарное предприятие НИИ «Вектор»

Защита состоится «_П__» КОЗь* 2007 г в часов на заседании

диссертационного совета Д 212 238 (Й Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им В И Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул Проф Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Учёный секретарь диссертационного совета

Баруздин С А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Основным элеметом радиолокационных и связных систем, обеспечивающим помехоустойчивость их работы при белом гауссовском шуме, является согласованный фильтр, простота и качество реализации которого во многом определяют параметры приёмника

Современная тенденция развития связных систем с расширением спектра и радиолокационных систем требует использования сложных сигналов с шириной спектра более 100 МГц, что позволяет улучшить их основные показатели Однако реализация таких систем во многих случаях становится нетривиальной Например, высокие требования к ширине полосы частот радиосигнала при одновременных ограничениях, накладываемых на массу, габариты и потребляемую мощность аппаратуры, затрудняют возможность применения многих сложных сигналов Так, при формировании широко используемых сигналов с фазокодовой манипуляцией с широкой полосой частот сталкиваются на сегодняшний день с существенными техническими трудностями Использование сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) позволяет сформировать требуемую полосу частот, но при реализации систем с такими сигналами сталкиваются с жесткими требованиями к линейности закона частотной модуляции во всей полосе частот Это приводит к необходимости применения специальных устройств формирования сигнала и его обработки Кроме того, широкополосные сигналы претерпевают искажения из-за частотной дисперсии среды, в которой они распространяются, особенно сильно проявляются такие искажения в ионизированных средах

Квазиоптимальная фильтрация сложных сигналов допускает значительные вариации параметров последних, но, несмотря на это, не является приемлемым решением указанных проблем из-за значительного проигрыша в отношении сигнал-шум оптимальному приемнику

В настоящее время наиболее перспективными являются системы, способные адаптироваться к окружающей обстановке, а одним из ключевых направлений в кардинальном улучшении тактико-технических характеристик радиотехнических систем является совершенствование функциональных устройств обработки сигналов

Многие задачи по обработке и формированию сигналов на частотах приблизительно до 2 ГГц успешно решаются с помощью фильтров на поверхностных акустических волнах, а поиски новых путей повышения рабочих частот этих устройств и продвижения в диапазон 2-10 ГГц привели к разработке концепции создания фильтров на объемных акустических волнах Однако произвольным образом менять импульсную характеристику акустоэлектронных фильтров невозможно, что затрудняет их применение, а также не до конца изучен вопрос о температурной стабильности указанных устройств в сверхвысокочастотном диапазоне.

Также в настоящее время широко распространены методы цифровой обработки сигналов, которые позволяют строить устройства, отличающиеся стабильностью характеристик и адаптивностью Однако главным препятствием, ограничивающим применение цифровых устройств в обозначенных задачах, является недостаточное быстродействие и высокое энергопотребление по отношению к функцио-

нальным устройствам Так, реализация согласованного фильтра, обрабатывающего сигнал с полосой частот около 100 МГц и базой 100, является в настоящее время непростой задачей, а при увеличении базы сигнала на порядок за счет увеличения полосы сигнала - практически нереализуемой

На сегодняшний день хорошо разработанными являются методы акустооп-тической обработки сигналов, которые позволяют проводить спектральный анализ и корреляционную обработку сигналов При этом параметры обрабатываемых сигналов ограничиваются лишь характеристиками устройства ввода сигнала в оптическую схему - акустооптического модулятора (АОМ) АОМ на кристалле ниобата лития позволяет вводить в оптическую схему радиоимпульсы с полосою частот около 1 ГГц и длительностью около 1 мкс Известны АОМ с полосой частот в 3 ГГц Существенным преимуществом акустооптических процессоров является пространственно-временной характер обработки сигналов, который позволяет иметь дополнительные алгоритмические возможности Использование в схемах акустооптических процессоров пространственных жидкокристаллических модуляторов света делает их адаптивными Основные оптические элементы таких процессоров - линзы не являются уникальными, и весь процессор может быть реализован весьма компактно и надежно Современные полупроводниковые лазерные диоды и фотоприемники также компакты и надежны Энергопотребление определяется лишь усилителем мощности (около 0 5 Вт) для возбуждения ультразвуковой волны в кристалле АОМ и лазерным диодом (например, полупроводниковый лазер с мощностью излучения 50 мВт может потреблять около 0 2 Вт)

Таким образом, акустооггшческие процессоры являются весьма перспективными устройствами для обработки сложных широкополосных сигналов с изменяющимися параметрами

Импульсы с квазилинейной частотной модуляцией представляют интерес во многих прикладных задачах как для радиолокационных систем, так и для систем связи В работе рассматривается вариант оптимальной фильтрации таких импульсов

Весьма перспективным устройством для оптимального обнаружения на фоне гауссовского шума импульсов с квазилинейной частотной модуляцией является адаптивный акустооптический фильтр (АОФ) с самофокусировкой света и жидкокристаллическим фазовым модулятором (ЖКФМ) Он выгодно отличается от других известных схем акустооптических фильтров, в первую очередь, простотой реализации Однако при его реализации возникают некоторые трудности, обозначенные ниже

Отсутствие эквивалентной радиотехнической схемы АОФ с ЖКФМ затрудняет проведение количественных оценок его работы Отсутствует методика расчета фазовой функции ЖКФМ, обеспечивающая согласование АОФ с сигналом Количественно не определены потери, возникающие вследствие рассогласования фильтра и импульсов с квазилинейной частотной модуляцией или вследствие рассогласования фильтра из-за ступенчатой фазовой функции ЖКФМ, так как последний имеет дискретную структуру электродов Не ясны пути уменьшения внутренних шумов, обусловленных в основном фотоприемником

Изложенное свидетельствует об актуальности исследования АОФ с самофокусировкой света

Цель исследования оптимизация параметров и характеристик АОФ с ЖКФМ при обработке сигналов с частотной модуляцией

Научная новизна В результате проведенных исследований решен ряд задач по учету влияния реальных параметров и характеристик элементов АОФ с ЖКФМ на его функционирование Выполнен статистический анализ работы АОФ в условиях воздействия внешних и внутренних шумов Все полученные результаты являются новыми

Основные научные результаты

1 Установлено, что ЖКФМ с локально непрерывной структурой электродов выгодно отличается от ЖКФМ с традиционной стругаурой, так как при одном том же уменьшении максимального значения отклика АОФ в первом случае число электродов оказывается на порядок меньшим

2 Доказано, что потери в значении отношения сигнал-шум в АОФ, обусловленные дискретными структурами электродов ЖКФМ (традиционной и локально непрерывной), при одном и том же относительном отклонении скорости изменения мгновенной частоты тем больше, чем

- больше база обрабатываемых импульсов,

- меньше количество электродов,

- меньше отношение энергии сигнала к спектральной плотности мощности шума на входе фильтра

3 Произведена оптимизация режима работы АОФ с целью получения максимального отношения сигнал-шум на выходе при воздействии на его вход внешних и наличии внутренних шумов Найдены условия, при которых доминируют шумы разной природы (внешние, дробовые, лавинного умножения, усилителя) Установлено, что предельно достижимое отношение сигнал-шум на выходе устройства определяется дробовыми шумами фотоприёмника

Научные положения, выносимые на защиту

1 Анализ отклика АОФ, согласованного с ЛЧМ-импульсом, на воздействие импульса с законом частотной модуляции, отличным от линейного и представленным суммой первых четырех полиномов Лежандра, позволил получить количественные оценки проигрыша в значении отношения сигнал-шум на выходе

2 Локально непрерывная структура ЖКФМ позволяет минимизировать потери в значении выходного отношения сигнал-шум АОФ в сравнении с традиционной структурой ЖКФМ при одинаковом числе управляющих элементов

3 Оптимизация режима работы АОФ по критерию максимума отношения сигнал-шум на выходе при наличии внешнего и собственных шумов показала, что потери в значении отношения сигнал-шум в практически важных режимах работы фильтра определяются дробовыми шумами фотоприемника

Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты могут служить основой для разработки акустооптической аппаратуры согласованной фильтрации импульсов с квазилинейным законом частотной модуляции, имеющей по отношению к известной улучшенные количественные показатели и отличаю-

щейся более широкими функциональными возможностями Они также позволяют оценить предельно достижимые значения основных параметров и характеристик АОФ с учётом влияния реальных факторов как детерминированной, так и случайной природы, включая внутренние шумы различного происхождения

Внедрение (использование-) результатов работы В результате выполнения научно-исследовательских работ и опытно-конструкторской работы на кафедре Теоретических основ радиотехники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им В И Ульянова (Ленина) спроектирован и изготовлен опытный образец перестраиваемого акустооптиче-ского согласованного фильтра для радиоимпульсов с частотной модуляцией, используемый в разработках заказчика Также результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета на кафедре Теоретических основ радиотехники Оба обстоятельства подтверждены соответствующими актами

Достоверность научных и практических результатов подтверждается адекватностью применяемых математических моделей, хорошим согласованием теоретических результатов и натурных экспериментов, сопоставлением с результатами, полученными другими авторами

Апробация работы Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях

IV Всероссийская научная конференция студентов радиофизиков, г Санкт-Петербург, 2000 г , International conférences for young researchers "Wave Electronics and Its Applications m the Information and Télécommunication Systems", St Petersburg, 1999-2007, Международная конференция по телекоммуникациям, г Санкт-Петербург, 13-15 июня, 2001 г, International Forum on Lasers for Measurments and Information Transfer, St Petersburg, 2003, научно-технические конференции профессорского - преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», г Санкт-Петербург, 1999-2007 г

Кроме того, результаты работы автора отмечены дипломом за доклад «Исследование перестраиваемого акустооптического согласованного фильтра для ЛЧМ-импульсов» на IV Всероссийской научной конференции студентов радиофизиков

Публикации По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 1 статья опубликована в журнале, входящем в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, 13 работ - в трудах международных научно-технических конференций (7 работ представлены в электронном виде)

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 62 наименования Основная часть работы изложена на 131 странице машинописного текста Работа содержит 58 рисунков, 1 таблицу

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели исследования, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость работы, приведены защищаемые положения

Первый раздел диссертации посвящен обзору устройств согласованной фильтрации радиосигналов Рассмотрены способы построения согласованных фильтров для широкополосных импульсов с квазилинейной частотной модуляцией Прежде всего, отмечены цифровые системы, которые бурно развиваются и совершенствуются в связи с появлением на рынке относительно дешёвых быстродействующих сигнальных процессоров и программируемых логических матриц с количеством ячеек, превышающим 1 млн, и тактовой частотой около 500 МГц Обсуждены наиболее дешевые и отличающиеся простотой реализации способы фильтрации радиосигналов с помощью средств функциональной электроники Отмечены фильтры на акустоэлектронных компонентах Рассмотрены адаптивные акустооптические фильтры с пространственным интегрированием гетеродинного и негетеродинного типов на базе электрически управляемых жидкокристаллических матриц Обращено внимание на модифицированную структуру АОФ с самофокусировкой света, которая наилучшим образом подходит для фильтрации частотно-модулированных импульсов В этой схеме импульсной характеристикой можно управлять с помощью ЖКФМ, который выступает в роли корректора фазочастот-ной характеристики фильтра, и поэтому к нему предъявляются весьма скромные требования

На основании выполненного обзора сделаны следующие выводы

- Акустооптические устройства по ширине полосы частот (~ 1 ГГц) обрабатываемых сигналов и адаптивным возможностям, обусловленным пространственно-временным представлением сигналов, выгодно отличаются от цифровых и акустоэлектронных устройств Возможность обработки в них сигналов в реальном времени, сочетающаяся с относительной простотой технической реализации, делает их перспективными в системах радиолокации и связи

- Рассмотренные варианты реализации согласованных фильтров с перестраиваемыми импульсными реакциями для обработки коротких (около 1 мкс) широкополосных (более 100 МГц) импульсов с частотной модуляцией позволили свести результаты анализа в таблицу, дающую возможность сопоставить основные характеристики различных вариантов фильтрации

- Из всех возможных вариантов реализации адаптивного согласованного фильтра для широкополосных (до 1 ГГц) импульсов с квазилинейной частотной модуляцией наибольший интерес представляет модифицированный акустооптиче-ский фильтр с самофокусировкой света, имеющий наилучшие показатели по энергопотреблению, габаритам и стоимости.

- Реальные параметры и характеристики элементов модифицированного аку-стооптического фильтра с самофокусировкой света делают актуальной задачу анализа работы фильтра с учетом влияния аппаратных факторов как детерминированного, так и случайного характера

Таблица

Тип фильтра Форма обрабатываемых радиосигналов длительностью ~ 1мкс Электронная перестройка Реализация перестройки Максимальная ширина спектра обрабатываемых сигналов, МГц Энер-гопо-треб-ле-ние, Вт Габариты при максимальной ширине спектра

Цифровой Любая есть Использование программируемых интегральных схем ~100 200 десятки > 2 куб дм

Акустооптичес-кий коррелятор с пространственным интегрированием Любая есть На базе пространственного модулятора света -1000 единицы ~ 2 куб дм

Модифицированный АОФ с самофокусировкой света Квази-ЛЧМ есть С помощью линейки фазовра-щающих элементов -1000 единицы < 1 куб дм

Акустоэлек-тронный Любая В общем случае нет - сотни < 1 « 1 куб дм

Во втором разделе диссертации изложена теория работы фильтра с самофокусировкой света с произвольной фазовой функцией ЖКФМ при воздействии на вход импульсов с произвольным законом частотной модуляции, проведен анализ отклика фильтра при поступлении на вход импульсов с квазилинейным законом частотной модуляции, оценено влияние структуры управляющих электродов ЖКФМ на работу фильтра

Структурная схема АОФ для обработки импульсов с частотной модуляцией изображена на рис 1 Когерентный свет от лазерного источника ЛИ после коллиматора, состоящего из двух цилиндрических линз Л1 и Л2, равномерно освещает апертуру АОМ Нормально падающий на АОМ световой поток имеет плоский фа-

зовый фронт и постоянное значение напряжённости электрической компоненты светового поля Е0 вдоль оси Ох.

ЛЗ

Эта волна испытывает дифракцию на вариациях оптической плотности вещества, которые возникают вследствие распространения в кристалле модулятора ультразвуковой волны, возбуждаемой пьезоэлектрическим излучателем при приложении к нему напряжения входного сигнала в(г). Непосредственно за АОМ расположен ЖКФМ, на котором поток света приобретает дополнительный фазовый сдвиг, причём такой, что напряжённость электрического поля света «+1» порядка дифракции за ЖКФМ Ёжкфм имеет фазовую функцию, описываемую квадратичным законом, точно такую же, как если бы свет прошёл через Фурье-линзу (тонкую линзу), и поток света сходится (фокусируется) в некоторой области пространства, где и расположен фотоприёмник.

Роль ЖКФМ заключается в том, чтобы в случае обработки импульсов с квазилинейным законом частотной модуляции скорректировать фазовый фронт света за АОМ до квадратичной зависимости, необходимой, чтобы лучи света сходились в области фотоприёмника. При этом структура фазового модулятора проста (электрически управляемая {иупр) линейка фазовращающих элементов), так как его роль заключается лишь в корректировке импульсной характеристики фильтра.

Изображённая на рис. 1 линза ЛЗ может быть использована для уменьшения размеров АОФ, так как она позволяет приблизить точку самофокусировки света. С другой стороны, путём её перемещения вдоль оптической оси можно производить настройку фильтра.

Физическая трактовка работы акустооптического фильтра заключается в следующем. Свет испытывает дифракцию на движущейся вдоль АОМ фазовой решёт-

ке, образованной акустическим пучком, пространственный период которой, для определенности, уменьшается так, что лучи света вдоль всей решетки преломляются на всё больший и больший угол и сходятся в некоторой точке пространства -точке самофокусировки Так как дифракционная фазовая решетка образована акустическим пучком, то она перемещается вдоль АОМ со скоростью ультразвука V и вместе с ней перемещается точка схождения лучей Во время проекции сфокусированного света на точечный фотоприемник (например, лавинный фотодиод ФД со щелевой диафрагмой) формируется импульс тока i(t), форма которого описывается распределением интенсивности света Таким образом, фототок будет пропорционален квадрату модуля напряженности электрической компоненты световой волны E,„„

i(t) = М|Ефд| =М

Js(t-x/V) exp[j©(x)] exp[-jk^-X) ] dx n A Zf

(1)

где M - размерный коэффициент преобразования, L - длина АОМ, ®(х) - фазовая функция ЖКФМ, xf, zf - координаты фотоприемника, к - волновое число света, s(t) - комплексный сигнал, такой, что s(t) = Re{s(t)}

Полученное в диссертации выражение (1) раскрывает алгоритм преобразования сигнала в АОФ Из выражения видно, что, меняя электронным способом фазовую функцию ®(х), можно существенным образом влиять на результат, получаемый после интегрирования, а это означает, что можно менять импульсную характеристику фильтра

Анализ выражения (1) позволил построить эквивалентную структурную схему АОФ, которая приведена на рис 2 и состоит из линейного фильтра ЛФ и квадратичного детектора огибающей, реализуемого двумя устройствами квадратором и фильтром нижних частот (ФНЧ) для фильтрации высокочастотных компонент, образуемых после операции возведения в квадрат

ЛФ —р 1 X —i ФНЧ

hn*

Рис 2

В эквивалентной схеме линейный фильтр имеет комплексную импульсную характеристику, определяемую выражением

lWt) = Ahexp[j0(V t)] exp

-jk-

2 zf

(2)

где Аь = 1 с"1 - коэффициент для согласования размерности Для перехода к вещественной форме записи импульсной характеристики достаточно взять вещественную часть выражения (2) Ъ.1№ (0 = Ле(ЬЛФ (0)

Представление АОФ в виде эквивалентной структурной схемы удобно для рассмотрения этого устройства с радиотехнической точки зрения Например, при анализе работы фильтра с учётом воздействия внешних шумов можно рассматривать прохождение сигнала и шума через каждый хорошо известный и изученный радиотехнический узел, что и сделано при статистическом анализе отклика фильтра в следующем разделе диссертации

В работе найдено общее правило отыскания фазовой функции ЖКФМ, которую необходимо реализовать, чтобы АОФ был согласован с частотно-модулированным импульсом s(t)

где хе[0,У ти], С - постоянная величина, необходимая для реализации фазовой функции на базе ЖКФМ, А0 — амплитуда импульса, ти - длительность импульса

В случае, когда линейный фильтр согласован с сигналом (имеет место равенство (3)), эквивалентная структурная схема АОФ соответствует оптимальному обнаружителю радиосигналов со случайной начальной фазой и амплитудой Таким образом, согласованный АОФ является оптимальным обнаружителем радиоимпульсов с частотной модуляцией, причём операция детектирования осуществляется на этапе регистрации света фотоприёмником

АОФ с самофокусировкой света наилучшим образом подходит для обработки импульсов с квазилинейной частотной модуляцией, так как в этом случае относительно просто реализуется ЖКФМ В диссертации выполнен анализ отклика фильтра при поступлении на его вход несогласованных с ним радиоимпульсов, которые имеют постоянную амплитуду и несколько отличный от линейного закон частотной модуляции При этом для определенности рассмотрен фильтр, согласованный с ЛЧМ-импульсом

Характер нелинейности закона частотной модуляции связан со многими особенностями генерации импульсов (в особенности маломощных) с нелинейным законом вольт-фарадной характеристики варикапа, с нелинейной связью между частотой генерации и емкостью колебательного контура, с нелинейным законом управляющего напряжения, прикладываемого к варикапу, с паразитными емкостями транзистора и другими особенностями Поскольку факторов много и некоторые из них принципиально случайные, то невозможно точно определить закон частотной модуляции Однако можно ожидать, что реальный закон в силу перечисленных особенностей является весьма гладкой функцией, что подтверждается на практике

В диссертационной работе введены параметры, характеризующие отклонение закона частотной модуляции от линейного, с использованием ортонормиро-ванных полиномов Лежандра, которые наилучшим образом удовлетворяют поставленной задаче Так любой физически реализуемый закон частотной модуляции может быть представлен в виде аддитивного ряда полиномиальных функций Причем, первые два коэффициента характеризуют среднюю частоту радиоимпульса и девиацию частоты соответственно Отличие от нуля третьего коэффициента говорит

(3)

о параболической форме закона частотной модуляции, а четвёртого — о кубической При отклонении закона частотной модуляции от линейного необходимо учитывать все коэффициенты разложения, но их значения с увеличением номера быстро убывают до пренебрежимо малых на практике значений В работе построены графики зависимости пикового значения отклика АОФ от значений первых четырех коэффициентов при полиномах Лежандра, характеризующих закон частотной модуляции входных импульсов

Анализ отклика АОФ, согласованного с ЛЧМ-импульсом, на воздействие импульса с квазилинейной частотной модуляцией показал уменьшение максимального значения фототока по сравнению со значением при согласованной фильтрации и это уменьшение тем больше, чем больше база импульсов Отклонение девиации частоты импульсов с линейной частотной модуляцией также приводит к уменьшению пикового значения отклика Так, при базе обрабатываемых импульсов, равной ста, и отклонении девиации частоты на 10 % максимальное значение отклика уменьшается на 90 %

Перестройка импульсной характеристики АОФ с самофокусировкой света осуществляется за счет корректировки фазового фронта света за АОМ с помощью ЖКФМ Фазовая функция модулятора реализуется с помощью конечного числа его управляющих электродов и является ступенчатой или кусочно-ломаной функцией Во многих случаях фильтрации это обстоятельство приводит к потерям в значении выходного отношения сигнал-шум

В диссертации выявлены закономерности уменьшения выходного сигнала из-за дискретной структуры электродов фазовых модуляторов двух типов с традиционной структурой управляющих электродов и с локально непрерывной структурой электродов Для определенности рассмотрен случай обработки ЛЧМ-импульсов согласованным АОФ, причем для согласования фильтра требуется корректирующее действие ЖКФМ

ЖКФМ традиционной структуры выполнен в виде линейки электрически управляемых фазовращаюндах элементов Он представляет собой конструкцию из двух плоскопараллельных стеклянных пластин с зазором около 10 мкм между ними, заполненным органическим веществом — жидким кристаллом "На внутренние стенки стекол нанесены полупрозрачные электроды (рис 3) Свет распространяется через управляющие полупрозрачные электроды (слева направо для вида, изображенного слева, и в глубину для вида, изображённого справа) Аналоговый мультиплексор служит для коммутации управляющего напряжения

При приложении напряжения к электродам формируется электрическое поле, пропорционально которому меняют свою исходную ориентацию молекулы органического вещества, так что меняются оптические свойства жидкокристаллического вещества При распространении световой волны с определённой линейной поляризацией через полупрозрачные электроды модулятора световая волна приобретает различные фазовые сдвиги

Показано, что причина, приводящая к значительным энергетическим потерям, заключается в том, что плавная корректирующая фазовая функция с помощью

ЖКФМ аппроксимируется ступенчатой функцией. Для того, чтобы уменьшить амплитуду этих ступенек, необходимо увеличить число управляющих электродов.

общий электрод

Е,

\

жк У' У' р

У' у

ч у

управляющие электроды

и

тт

127

УПР

аналоговый мультиплексор

Рис. 3

В работе предложено использовать в акустооптическом фильтре ЖКФМ с локально непрерывной структурой электродов. Структура модулятора остаётся прежней, за исключением управляющих электродов. Отличие заключается в том, что между низкоомными управляющими электродами наносится высокоомное покрытие. Тогда напряжение между электродами будет меняться не скачком, а плавно по линейному закону без резких изменений оптической плотности вещества. Легко заметить, что выгодным оказывается ширину низкоомных электродов уменьшать до предельно малых величин. Таким образом, плавную фазовую функцию можно аппроксимировать кусочно-ломаной кривой. Кусочно-ломаная аппроксимация требуемой фазовой функции не имеет скачков фазы - лишь небольшие перегибы, и при том же числе электродов отклонения реализуемой функции от требуемой значительно меньшие, чем при ступенчатой аппроксимации. Это приводит к меньшему рассогласованию АОФ.

Рассмотрение работы АОФ с учётом дискретной структуры ЖКФМ показало, что ЖКФМ с локально непрерывной структурой электродов выгодно отличается от ЖКФМ с традиционной структурой, так как при одном том же уменьшении максимального значения отклика АОФ в первом случае число электродов оказывается на порядок меньшим.

В третьем разделе диссертации проведён анализ работы перестраиваемого акустооптического фильтра в условиях воздействия шумов.

Получено выражение для расчёта отношения сигнал-шум на выходе АОФ с импульсной характеристикой, задаваемой фазовой функцией ЖКФМ, при воздействии на его вход аддитивной смеси гауссовского шума и сигнала с постоянной амплитудой и частотной модуляцией. При этом отношение сигнал-шум определено как отношение максимального приращения математического ожидания выходного сигнала к его среднеквадратическому отклонению (в момент времени, когда достигается максимум математического ожидания). Анализ работы фильтра привёл к следующему выражению:

Члоф =40.^-7=4^=, (4)

где Щ) = 1(0/1т„ - нормированная функция выходного сигнала, 1ШХ - максимальное значение выходного сигнала при согласованной фильтрации, 10 - момент времени, когда выходной сигнал 1(0 достигает своего максимального значения (при согласованной фильтрации это значение равно единице), qCФ = Л/Е_./\¥0 - параметр, где В5 - энергия входного радиоимпульса, W0 - спектральная плотность мощности шума на входе фильтра

Отметим, что формула (4) для расчета отношения сигнал-шум в символьном отношении оказалась идентичной известной формуле

В диссертации проведён анализ отклика АОФ, согласованного с ЛЧМ-импульсом, на воздействие импульса с квазилинейной частотной модуляцией, с учетом воздействия внешнего белого гауссовского шума и рассчитаны потери в значении отношения сигнал-шум, которые возникают вследствие несогласованности фильтра и импульса При решении использовались результаты анализа, проведенного во втором разделе диссертации

Для расчета потерь составлено выражение, характеризующее проигрыш перестраиваемого АОФ с самофокусировкой света по отношению к согласованному АОФ и учитывающее посредством значения 1(10) любую детерминированную природу рассогласования фильтра

^ | = 2018

ч«.да0)=1)

'<••> -'ж?

(5)

В результате расчёта потерь установлено, что рассогласование приводит к существенному проигрышу в отношении сигнал-шум Так, для ЛЧМ-импульсов с базой 100 и полосою частот 100 МГц при среднеквадратическом отклонении закона частотной модуляции от линейного на ~ 5 МГц потери в отношении сигнал-шум составляют не менее 7 дБ

В диссертационной работе дана оценка потерям в значении отношения сигнал-шум, возникающим из-за рассогласования АОФ и сигнала вследствие дискретной структуры ЖКФМ С использованием выражения (5) и результатов второго раздела проведена оценка потерь АОФ, в котором для перестройки импульсной характеристики используется ЖКФМ как с традиционной структурой электродов, так и с локально непрерывной Расчет выполнен для случая АОФ, согласованного с ЛЧМ-импульсами Найдены зависимости потерь в отношении сигнал-шум от базы обрабатываемых сигналов и числа управляющих электродов ЖКФМ

В частности, установлено, что выигрыш при использовании модулятора с локально непрерывной структурой элеюродов при подстройке импульсной характеристики значителен при заданных потерях количество электродов сокращается примерно на порядок Таким образом, предложенная локально непрерывная струк-

тура электродов с высокоомным напылением выгодно отличается от традиционной структуры электродов

В диссертации проведён анализ работы фильтра с учетом шумов фотоприемника Отмечено, что шумы фотоприемника (лавинного фотодиода) являются доминирующими внутренними шумами акустооптического устройства, и поэтому именно они были приняты во внимание при проведении статистического анализа При анализе учтены шумы следующей природы внешние, дробовые, лавинного умножения, усилителя

Задача статистического анализа АОФ решена в общей постановке, позволяющей учесть как внутренние, так и внешние шумы Необходимость такой формулировки задачи обусловлена нелинейностью рассматриваемого алгоритма преобразования сигнала

Получено выражение, описывающее отношение сигнал-шум на выходе АОФ Его структура позволила определить конкретный вклад в выходное отношение сишал-шум различных источников шума

Поставлена и решена задача оптимизации режима работы фильтра, который соответствует максимуму отношения сигнал-шум Показано, что предельно достижимое отношение сигнал-шум на выходе устройства определяется дробовыми шумами фотоприемника

В четвёртом разделе диссертации содержатся результаты экспериментальных исследований, в процессе проведения которых было выполнено следующее

Созданы два варианта реализации АОФ В одном варианте перестройка импульсной характеристики осуществляется путем перемещения проекционного объектива между АОМ и фотоприёмником, в другом - с помощью ЖКФМ

Значения основных параметров макетов составляют

- рабочая полоса частот . 79 МГц,

- центральная частота . 140 МГц,

- длительность радиоимпульсов 1,5 мкс Построена интерференционная экспериментальная установка, с помощью

которой была определена модуляционная характеристика ЖКФМ, т е зависимость изменения фазы световой волны от приложенного напряжения к ЖКФМ Определена рабочая область управляющих напряжений и максимальный фазовый сдвиг, который составил 9 я

В макетах АОФ были осуществлены режимы

- фильтрации ЛЧМ-импульсов с оценкой максимального отклика фильтра при поступлении на его вход радиоимпульсов, согласованных и рассогласованных с ним по средней частоте и скорости изменения мгновенной частоты,

- согласованной фильтрации ЛЧМ-импульсов при наличии гауссовского шума, имеющего равномерный энергетический спектр в рабочей полосе частот, с оценкой отношения сигнал-шум на выходе фильтра при этом действие внутренних шумов АОФ минимизировалось, главным образом, за счет уменьшения лавинных шумов фотодиода путем уменьшения прикладываемого к р-п переходу диода напряжения

Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований свидетельствует о справедливости теоретических положений, лежащих в основе функционирования рассмотренного в работе АОФ

В приложение включены акты об использовании теоретических и экспериментальных результатов диссертационной работы в научных разработках и в учебном процессе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные результаты работы

1 Построена теория работы перестраиваемого АОФ для оптимальной обработки импульсов с частотной модуляцией Показано, что в рамках принятых приближений фильтр эквивалентен линейному фильтру с квадратичным детектором огибающей выходного сигнала Получено выражение для расчета фазовой функции ЖКФМ, необходимой для согласования импульсной характеристики фильтра с частотно-модулированными импульсами

2 Проведен анализ отклика АОФ, согласованного с ЛЧМ-импульсом, на воздействие импульса с квазилинейной частотной модуляцией и выявлено, что

- уменьшение максимального значения фототока тем больше, чем больше база импульсов,

- рассогласование приводит к существенному проигрышу в значении отношения сигнал-шум Так, для ЛЧМ-импульсов с базой 100 и полосою частот 100 МГц при среднеквадратическом отклонении закона частотной модуляции от линейного на ~ 5 МГц потери в отношении сигнал-шум составляют не менее 7 дБ

3 Установлено, что ЖКФМ с локально непрерывной структурой электродов выгодно отличается от ЖКФМ с традиционной структурой, так как при одном том же уменьшении максимального значения отклика АОФ в первом случае число электродов оказывается на порядок меньшим

4 Доказано, что потери в значении отношения сигнал-шум в АОФ, обусловленные дискретными структурами электродов ЖКФМ (традиционной и локально непрерывной), при одном и том же относительном отклонении скорости изменения мгновенной частоты тем больше, чем

- больше база обрабатываемых импульсов,

- меньше количество электродов,

- меньше отношение энергии сигнала к спектральной плотности мощности шума на входе фильтра

5 Произведена оптимизация режима работы АОФ с целью получения максимального отношения сигнал-шум на выходе при воздействии на его вход внешних и наличии внутренних шумов Найдены условия, при которых доминируют шумы разной природы (внешние, дробовые, лавинного умножения, усилителя) Установлено, что предельно достижимое отношение сигнал-шум на выходе устройства определяется дробовыми шумами фотоприемника

6 Осуществлена экспериментальная проверка функционирования АОФ и исследованы режимы согласованной и несогласованной фильтрации ЛЧМ-импульсов без внешнего шума и согласованной фильтрации ЛЧМ-импульсов при наличии

внешнего гауссовского шума, имеющего равномерный энергетический спектр в рабочей полосе частот Анализ экспериментальных результатов подтвердил соответствующие теоретические положения

Таким образом, выполненные в рамках настоящей работы исследования позволили улучшить характеристики, определить требования к реальным элементам и установить предельно достижимые значения параметров АОФ

Опубликованные работы по теме диссертации

1 Antonov, Y.G Adaptation algorithm for chirp acousto-optic matched filter (Алгоритм адаптации акустооптического согласованного фильтра для импульсов с линейной частотной модуляцией) / Y G Antonov, А N Rogov, V N Ushakov // Wave Electronics And Its Applications In Information And Telecommunication Systems Proc of II Intern Conf For Young Researchers - St Petersburg, 1999 - Bellmgham, 1999 -Vol 3900 -P 236-241

2 Experimental research of tuneable chirp acousto-optic matched filter (Экспериментальные исследования перестраиваемого акустооптического согласованного фильтра для ЛЧМ-импульсов) / Y G Antonov, А N Rogov, D О Moscaletz, V N Ushakov П International forum on wave electronics and its applications in the information and telecommunication systems Proc of III Intern Conf For Young Researchers -St Petersburg, 14-18 September, 2000 - St Petersburg, 2000 - P 152-156

3 Антонов, Ю Г Алгоритм адаптации перестраиваемого акустооптического согласованного фильтра для ЛЧМ-импульсов / ЮГ Антонов, А Н Рогов, В Н Ушаков И Материалы междунар конф по телекоммуникациям - г Санкт-Петербург, 13-15 июня, 2001 г - СПб , 2001 - С 99-103

4 Antonov, Y.G Investigation of influence of time-bandwidth product of chirps on effectiveness of their processing by tuneable acousto-optic matched filter (Исследование влияния базы ЛЧМ-импульсов на эффективность их обработки перестраиваемым акустооптическим согласованным фильтром) / Y G Antonov, VN Ushakov // 16-th European Frequency and Time Forum Proc of V Intern Conf For Young Researchers - St Petersburg, 12-14 March, 2002 - St Petersburg, 2002 - P D-093 - D-096

5 Experimental investigation of modulation characteristic of liquid-crystal phase modulator (Экспериментальное исследование модуляционной характеристики жидкокристаллического фазового модулятора) / Y G Antonov, S V Grigoriev, D О Moskaletz, D S Tokarev // Lasers for measurements and information transfer Proc of SPIE Vol 5381 -St Petersburg, 2003 - Bellmgham, 2004 -P 278-285

6 Автоматизированный акустооптический спектрометр-фазометр /ЮГ Антонов, С В Грачёв, Д О Москалец, В Н Ушаков // Изв ТРТУ / Таганрог гос радиотехн ун-т -2006 -№3 -С 179-184

7 Акустооптические процессоры корреляционного и спектрального анализа широкополосных сигналов / ЮГ Антонов, С В Грачев, ДО Москалец, КП Наумов, В Н Ушаков // Наука, образование и общество в XXI веке материалы междунар науч -техн конф - г Санкт-Петербург, 15 июня, 2006 г - СПб , 2006 - С 78-83

Подписано в печать 17 09 07 Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 96

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С -Петербург, ул Проф Попова, 5

ВВЕДЕНИЕ.

1. Адаптивная согласованная фильтрация широкополосных радиоимпульсов (обзор).

1.1. Акустооптический фильтр с двумерным опорным транспарантом.

1.2. Акустооптический фильтр с самофокусировкой света для импульсов с частотной модуляцией.

Выводы.

2. Перестраиваемый акустооптический фильтр с самофокусировкой света.

2.1. Теория работы и эквивалентная структурная схема акустооптического фильтра.

2.2. Анализ отклика фильтра при поступлении на вход импульсов с квазилинейной частотной модуляцией.

2.3. Влияние структуры управляющих электродов жидкокристаллического фазового модулятора на работу фильтра.

Выводы.

3. Анализ работы перестраиваемого акустооптического фильтра в условиях воздействия шумов.

3.1. Расчёт отношения сигнал-шум на выходе фильтра при наличии внешнего шума.

3.2. Энергетические потери, возникающие при обработке импульсов с квазилинейной частотной модуляцией.

3.3. Энергетические потери, вызванные дискретной структурой управляющих электродов жидкокристаллического фазового модулятора.

3.4. Оптимизация режима работы фильтра с учётом шумов фотоприёмника.

Выводы.

4. Экспериментальные исследования.

4.1. Структурная схема экспериментальной установки.

4.2. Модуляционная характеристика жидкокристаллического фазового модулятора.

4.3. Адаптивный режим работы акустооптического фильтра в отсутствие внешнего шума.

4.4. Работа согласованного акустооптического фильтра при воздействии аддитивной смеси сигнала и шума.

Выводы.

В статистической радиотехнике хорошо известна структурная схема оптимального обнаружителя сигнала со случайными начальной фазой и амплитудой на основе согласованного фильтра [1]. Эта схема состоит из последовательно включённых согласованного фильтра, детектора огибающей (с однозначной характеристикой) и решающего устройства. Эта же схема рекомендуется для оценки времени запаздывания сигналов. На основе этой схемы реализуют приёмники радиолокационных и многих связных систем, обеспечивая помехоустойчивость их работы при белом гауссовском шуме. Основным элементом этой схемы является согласованный фильтр, простота и качество реализации которого во многом определяют параметры приёмника.

Современная тенденция развития связных систем с расширением спектра и радиолокационных систем требует использования сложных сигналов с шириной спектра более 100 МГц, что позволяет улучшить их основные показатели [2-6]. Однако реализация таких систем во многих случаях становится нетривиальной. Например, в [7] применительно к радиолокационным системам отмечается, что высокие требования к ширине полосы частот зондирующего сигнала при одновременных ограничениях, накладываемых на массу, габариты и потребляемую мощность аппаратуры, затрудняют возможность применения многих сложных сигналов. Так, например, при формировании широко используемых сигналов с фазокодовой манипуляцией с широкой полосой частот сталкиваются на сегодняшний день с существенными техническими трудностями. Там же отмечается, что использование сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) позволяет сформировать требуемую полосу частот, но при реализации радиолокационной системы с такими сигналами сталкиваются с жёсткими требованиями к линейности закона частотной модуляции во всей полосе частот. Это приводит к необходимости применения специальных устройств формирования зондирующего сигнала и его обработки. Со схожими проблемами сталкиваются при реализации широкополосных систем связи.

Применение широкополосных сигналов в радиотехнических системах требует использования в тракте приёмника фильтров с высокой степенью линейности и стабильности (в первую очередь температурной) фазочастотных характеристик для избежания искажений сигналов [8]. Однако полностью избежать этого рода искажений невозможно. Кроме того, широкополосные сигналы претерпевают искажения из-за частотной дисперсии среды, в которой они распространяются, особенно сильно проявляются такие искажения в ионизированных средах (анализ искажений ЛЧМ-импульсов в таких средах проведён в [9]).

Квазиоптимальная фильтрация сложных сигналов допускает значительные вариации параметров последних, но, несмотря на это, не является приемлемым решением указанных проблем из-за значительного проигрыша в отношении сигнал-шум оптимальному приёмнику. Кроме малой чувствительности к параметрам сигналов, другим её достоинством является исключительная простота реализации, которая привлекает разработчиков, например, в [10] исследуется квазиоптимальный фильтр для ЛЧМ-импульсов.

В обзорной статье [11] указаны пути, которые могут содействовать повышению эффективности радиолокационных систем. В числе прочего отмечено, что в настоящее время наиболее перспективными являются системы, способные адаптироваться к окружающей обстановке, и что одним из ключевых направлений в кардинальном улучшении тактико-технических характеристик радиотехнических систем является направление совершенствования схемотехники функциональных устройств, а также, в частности, широкого внедрения быстродействующих акустооптических устройств.

В настоящее время многие задачи по обработке и формированию сигналов на частотах приблизительно до 2 ГГц успешно решаются с помощью компонент на поверхностных акустических волнах, а поиски новых путей повышения рабочих частот этих устройств и продвижения в диапазон 2-10 ГГц привели к разработке концепции создания фильтров на объёмных акустических волнах [12]. Однако акустоэлектрон-ным устройствам присущи недостатки, затрудняющие их применение, а именно: относительно невысокая полоса рабочих частот [13], невозможность произвольным образом менять импульсную характеристику фильтра, а также не до конца изучен вопрос о температурной стабильности указанных устройств в сверхвысокочастотном диапазоне [14].

Также в настоящее время широко распространены методы цифровой обработки сигналов, которые позволяют строить устройства, отличающиеся стабильностью характеристик и адаптивностью. Однако главным препятствием применения цифровых устройств в обозначенных задачах является ограниченное быстродействие и сравнительно высокое энергопотребление по отношению к функциональным устройствам. Так, реализация согласованного фильтра, обрабатывающего сигнал с полосой частот около 100 МГц и базой 100, является в настоящее время непростой задачей, а при увеличении базы сигнала на порядок за счёт увеличения полосы сигнала - практически нереализуемой.

На сегодняшний день хорошо разработанными являются методы акустооптиче-ской обработки сигналов [15-18], которые позволяют проводить спектральный анализ и корреляционную обработку сигналов. При этом параметры обрабатываемых сигналов ограничиваются лишь характеристиками устройства ввода сигнала в оптическую схему - акустооптического модулятора (АОМ). АОМ на кристалле ниобата лития позволяет вводить в оптическую схему радиоимпульсы с полосою частот около 1 ГГц и длительностью около 1 мкс. Известны АОМ с полосой частот, во много раз превосходящей 1 ГГц [19]. Существенным преимуществом акустооптических процессоров является пространственно-временной характер обработки сигналов, который позволяет иметь дополнительные алгоритмические возможности. Использование в схемах акустооптических процессоров пространственных жидкокристаллических модуляторов света делает их адаптивными. Основные оптические элементы таких процессоров -линзы не являются уникальными, и весь процессор может быть реализован весьма компактно и надёжно. Современные полупроводниковые лазерные диоды и фотоприёмники также компактны и надёжны. Энергопотребление определяется лишь усилителем мощности (около 0.5 Вт) для возбуждения ультразвуковой волны в кристалле АОМ и лазерным диодом (например, полупроводниковый лазер с мощностью излучения 50 мВт может потреблять около 0.2 Вт). Таким образом, акустооптические процессоры являются весьма перспективными устройствами для обработки сложных широкополосных сигналов с изменяющимися параметрами.

Импульсы с частотной модуляцией, близкой к линейному закону, представляют интерес во многих прикладных задачах как для радиолокационных систем, так и для систем связи. В работе рассматривается вариант оптимальной фильтрации таких импульсов.

Весьма перспективным устройством для оптимального обнаружения на фоне гауссовского шума импульсов с квазилинейной частотной модуляцией является адаптивный акустооптический фильтр (АОФ) с самофокусировкой света и жидкокристаллическим фазовым модулятором (ЖКФМ). Он выгодно отличается от других известных схем акустооптических фильтров, в первую очередь, простотой реализации. Однако при его реализации возникают некоторые трудности, обозначенные ниже.

Отсутствие эквивалентной радиотехнической схемы АОФ с ЖКФМ затрудняет проведение количественных оценок его работы. Количественно не определены потери, возникающие вследствие рассогласования фильтра и импульсов с квазилинейной частотной модуляцией или вследствие рассогласования фильтра из-за ступенчатой фазовой функции ЖКФМ, так как последний имеет дискретную структуру электродов. Не ясны пути уменьшения внутренних шумов, обусловленных в основном фотоприёмником. Отсутствует методика расчёта фазовой функции ЖКФМ, обеспечивающая согласование АОФ с сигналом.

Изложенное выше позволяет сделать вывод об актуальности проведения исследования АОФ с самофокусировкой света.

В настоящей работе выполнено теоретическое и экспериментальное исследование АОФ с ЖКФМ с целью оптимизации его параметров и характеристик при обработке сигналов с частотной модуляцией.

В результате проведённых исследований решён ряд задач по учёту влияния реальных параметров и характеристик элементов АОФ с ЖКФМ на его функционирование. Выполнен статистический анализ работы АОФ в условиях воздействия внешних и внутренних шумов. Все полученные результаты являются новыми. Их совокупность позволяет сформулировать следующие положения, выносимые на защиту.

1. Анализ отклика АОФ, согласованного с ЛЧМ-импульсом, на воздействие импульса с законом частотной модуляции, отличным от линейного и представленным суммой первых четырёх полиномов Лежандра, позволил получить количественные оценки проигрыша в значении отношения сигнал-шум на выходе.

2. Локально непрерывная структура ЖКФМ позволяет минимизировать потери в значении выходного отношения сигнал-шум АОФ в сравнении с традиционной структурой ЖКФМ при одинаковом числе управляющих элементов.

3. Оптимизация режима работы АОФ по критерию максимума отношения сигнал-шум на выходе при наличии внешнего и собственных шумов показала, что потери в значении отношения сигнал-шум в практически важных режимах работы фильтра определяются дробовыми шумами фотоприёмника.

Выводы

В процессе проведения экспериментальных исследований выполнено следующее.

1. Созданы два варианта макета перестраиваемого АОФ. В одной реализации макета перестройка импульсной характеристики осуществляется с помощью механически перемещаемого проекционного объектива, расположенного между АОМ и ЛФД. В другой реализации макета перестройка импульсной характеристики осуществляется с помощью ЖКФМ. Основные параметры макетов:

- рабочая полоса частот.79 МГц;

- центральная частота.140 МГц;

- временная апертура АОМ.1,5 мкс.

2. Собрана экспериментальная установка и снята модуляционная характеристика ЖКФМ интерференционным способом, необходимая для управления импульсной характеристикой АОФ. Установлено, что максимальный фазовый сдвиг светового луча для имеющегося в наличии модулятора составляет 9 я.

3. В макете АОФ были осуществлены режимы:

- фильтрации ЛЧМ-импульсов с оценкой максимального отклика фильтра при поступлении на его вход радиоимпульсов, согласованных и рассогласованных с ним по средней частоте и скорости изменения мгновенной частоты;

- согласованной фильтрации ЛЧМ-импульсов при наличии гауссовского шума, имеющего равномерный энергетический спектр в рабочей полосе частот, с оценкой отношения сигнал-шум на выходе фильтра.

Анализ результатов проведённых экспериментальных исследований свидетельствует о справедливости теоретических положений, лежащих в основе функционирования рассмотренного в работе АОФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем результаты работы.

1. Построена теория работы перестраиваемого АОФ для оптимальной обработки импульсов с частотной модуляцией. Показано, что в рамках принятых приближений фильтр эквивалентен линейному фильтру с квадратичным детектором огибающей выходного сигнала. Получено выражение для расчёта фазовой функции ЖКФМ, необходимой для согласования импульсной характеристики фильтра с частотно-модулированными импульсами.

2. Проведён анализ отклика АОФ, согласованного с ЛЧМ-импульсом, на воздействие импульса с квазилинейной частотной модуляцией и выявлено, что:

- уменьшение максимального значения фототока тем больше, чем больше база импульсов;

- рассогласование приводит к существенному проигрышу в значении отношения сигнал-шум. Так, для ЛЧМ-импульсов с базой 100 и полосою частот 100 МГц при среднеквадратическом отклонении закона частотной модуляции от линейного на ~ 5 МГц потери в отношении сигнал-шум составляют не менее 7 дБ.

3. Установлено, что ЖКФМ с локально непрерывной структурой электродов выгодно отличается от ЖКФМ с традиционной структурой, так как при одном том же уменьшении максимального значения отклика АОФ в первом случае число электродов оказывается на порядок меньшим.

4. Доказано, что потери в значении отношения сигнал-шум в АОФ, обусловленные дискретными структурами электродов ЖКФМ (традиционной и локально непрерывной), при одном и том же относительном отклонении скорости изменения мгновенной частоты тем больше, чем

- больше база обрабатываемых импульсов;

- меньше количество электродов;

- меньше отношение энергии сигнала к спектральной плотности мощности шума на входе фильтра.

5. Произведена оптимизация режима работы АОФ с целью получения максимального отношения сигнал-шум на выходе при воздействии на его вход внешних и наличии внутренних шумов. Найдены условия, при которых доминируют шумы разной природы (внешние, дробовые, лавинного умножения, усилителя). Установлено, что предельно достижимое отношение сигнал-шум на выходе устройства определяется дробовыми шумами фотоприёмника.

6. Осуществлена экспериментальная проверка функционирования АОФ и исследованы режимы согласованной и несогласованной фильтрации ЛЧМ-импульсов без внешнего шума и согласованной фильтрации ЛЧМ-импульсов при наличии внешнего гаус-совского шума, имеющего равномерный энергетический спектр в рабочей полосе частот. Анализ экспериментальных результатов подтвердил соответствующие теоретические положения.

Таким образом, выполненные в рамках настоящей работы исследования позволили улучшить характеристики, определить требования к реальным элементам и установить предельно достижимые значения параметров АОФ - перспективного устройства функциональной электроники, внедрение которого может внести существенный вклад в развитие современных средств согласованной фильтрации сигналов с частотной модуляцией.

Автор выражает глубокую благодарность заведующему кафедрой ТОР СПбГЭТУ В.Н. Ушакову, а также коллективу научно-исследовательской группы, разрабатывающей акустооптические устройства в СПбГЭТУ, за постоянную помощь и поддержку, без которых эта работа не могла быть выполнена.

126

1.Радиотехнические системы: учеб. для вузов / Ю.П.Гришин, В.П.Ипатов, Ю.М. Казаринов и др.; под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: Высш. шк., 1990. - 496 с.

2. Диксон, Р.К. Широкополосные системы. / Р.К. Диксон; пер. с англ. под ред. В.И. Журавлёва. М.: Связь, 1979. - 304 с.

3. Урядников, Ю.Ф. Сверхширокополосная связь. Теория и применение / Ю.Ф. Урядников, С.С. Аджемов. М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 368 с.

4. Семёнов, A.M. Широкополосная радиосвязь / Семёнов A.M., Сикарев A.A. Воениздат, 1970. - 280 с.

5. Волков, Л.Н. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: учеб. пособие / Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. М.: Эко-Трендз, 2005. - 392 с.

6. Петрович, Н.Т. Космическая радиосвязь / Петрович Н.Т., Камнев Е.Ф., Каблуко-ва М.В.; под ред. Н.Т. Петровича. 2-е изд. - М.: Сов. радио, 1979. - 280 с.

7. Методы современной радиолокации и системы обработки сигналов / Р.П. Быстров, Е.В. Кузнецов, A.B. Соколов, Ю.С. Чесноков И Успехи современной радиоэлектроники. 2005. - № 9. - С. 11-28.

8. Рогашкова, А.И. Распространение ЛЧМ-импульса в ионизированных средах / А.И. Рогашкова // Успехи современной радиоэлектроники. 2005. - № 2. - С. 68-72.

9. Галустов, Г.Г. Квазиоптимальная фильтрация частотно-модулированных сигналов / Г.Г. Галустов, В.П. Рыжов // Радиотехника. 2006. - № 2. - С. 70-72.

10. Развитие радиоэлектронной техники радиолокационных систем / Р.Н.Акиншин, Р.П. Быстров, Е.В. Кузнецов, Д.Ю. Михайлов, A.B. Соколов, Ю.С. Чесноков // Успехи современной радиоэлектроники. 2005. - № 10. - С. 24-58.

11. Гуляев, Ю.В. Резонаторы и фильтры сверхвысоких частот на объёмных акустических волнах современное состояние и тенденции развития / Ю.В. Гуляев,

12. Г.Д.Мансфельд //Успехи современной радиоэлектроники. 2004. - №5-6. -С. 13-28.

13. Петухов, В.К. Фильтры, линии задержки и автогенераторы на поверхностных акустических волнах / В.К. Петухов, И.Г. Мальтер, О.П. Павловский // Радиотехника. -2006.-№3.-С. 72-76.

14. Сучков, С.Г. К вопросу о термостабильности устройств на поверхностных акустических волнах в сверхвысокочастотном диапазоне / С.Г. Сучков // Радиотехника и электроника. 2006. - Т. 51. - № 4. - С. 504-508.

15. Кулаков, C.B. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа сигналов / C.B. Кулаков. JL: Наука, 1978. - 144 с.

16. Оптические устройства в радиотехнике: учебное пособие для вузов / Гринёв А.Ю., Наумов К.П., Пресленев JI.H., Тигин Д.В. Ушаков В.Н.; под ред. В.Н. Ушакова. М.: Радиотехника, 2005. - 240 с.

17. Автоматизированный акустооптический спектрометр-фазометр / Ю.Г.Антонов, C.B. Грачёв, Д.О. Москалец, В.Н. Ушаков // Изв. ТРТУ / Таганрог, гос. радиотехн. ун-т. 2006.-№3.-С. 179-184.

18. Petrov, V.V. Wideband (3 GHz) acoustooptical receiver / V.V. Petrov // International Forum on Wave Electronics and Its Applications: Proc. of IX International Conference For Young Researchers. St.Petersburg, September, 2006. - St.Petersburg, 2006.

19. Цифровая обработка сигналов: справочник / Гольденберг Л.M. и др. М.: Радио и связь. - 1985.-312 с.

20. Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов / Сергиенко А.Б. СПб.: Питер. -2002. - 608 с.

21. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Бернард Скляр.; пер. с англ. Изд. 2-е. - М.: Издательский дом «Вильяме». - 2004. -1104 с.

22. Функциональные устройства обработки сигналов / Егоров Ю.В. и др.; под ред. Егорова Ю.В. М.: Радио и связь. - 1987. - 288 с.

23. Орлов, B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах / Орлов B.C., Бонда-ренко B.C. М.: Радио и связь. - 1984. - 272 с.

24. Задорин, А.С. Динамика акустооптического взаимодействия / Задорин А.С. -Томск: Томский государственный университет. 2004. - 352 с.

25. Наумов, К.П. Акустооптические сигнальные процессоры: учеб. пособие для вузов / Наумов К.П., Ушаков В.Н. М.: САЙНС-ПРЕСС. - 2002. - 80 с.

26. Егоров, Ю.В. Акустооптические процессоры / Ю.В. Егоров, К.П. Наумов, В.Н. Ушаков; под ред. Егорова Ю.В. М.: Радио и связь. - 1991. - 160 с.

27. Слободин, JI. Оптический метод корреляции / Слободин Л. // ТИИЭР. 1963. -Т. 51.-№ 12.-С. 1753-1754.

28. Перестраиваемые согласованные акустооптические фильтры / К.П. Наумов, А.Н. Рогов, В.Н. Ушаков, Е.Э. Чернышёв; под редакцией проф. В.Н. Ушакова и проф. Е.Э. Чернышёва. Санкт-Петербург: Радиоавионика. - 1999.

29. Gerig, J.S. A Simple Optical Filter for Chirp Radar / J.S. Gerig, H. Montague // Proc. of IEEE. 1964. - V. 52 (12). - P. 1753.

30. Бакут, П.А. Оптико-акустический автокоррелятор для сигнала с ЛЧМ / Бакут П.А., Чумак В.Г.-М.: Радиотехника и электроника. 1970.-№9.-С. 1916-1921.

31. Функциональные преобразователи оптических изображений на основе структур полупроводник жидкий кристалл: Учебное пособие / Груздевич Ю.К. и др. - М.: изд. МГТУ,- 1995.-41с.

32. Пространственные модуляторы света / Васильев Д.А., Кассасент Д., Компа-нец И.Н., Парфёнов A.B. М.: Радио и связь. - 1987.

33. Акустооптический согласованный фильтр с электронной перестройкой для обработки сигналов с нелинейной частотной модуляцией / С.Ю. Мищук, К.П. Наумов, А.Н. Рогов, В.Н. Ушаков. М.: Радиотехника и электроника. - 2002. - Т. 47. - № 11. -С. 1-5.

34. Гудмен, Дж. Введение в фурье-оптику / Гудмен Дж.; пер. с англ. М.: Мир. -1970.

35. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Оптика: учеб. пособие для вузов / Сиву-хин Д.В. 3-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ; изд-во МФТИ. - 2002. - 792 с.

36. Борн, М. Основы оптики / Борн М., Вольф Э.; пер. с англ. М.: Наука. - 1970. -856 с.

37. Ландау, Л. Теория поля / Л.Ландау и Е.Лифшиц. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы. - 1941. - 284 с.

38. Денисенко, А.Н. Спектральные и корреляционные характеристики сигналов с нелинейным законом внутриимпульсной частотной модуляцией / А.Н.Денисенко, O.A. Стеценко. М.: Радиотехника и электроника. - 1992. - № 9.

39. Гоноровский, И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов / Гоно-ровский И.С. 4-е изд. - М.: Радио и связь. - 1986. - 512с.

40. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / Баскаков С.И. 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Высш. шк. - 1988. - 488 с.

41. Янке, Е. Социальные функции (формулы, графики, таблицы) / Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Лёш. М.: Наука. ~ 1968. - 344 с.

42. Френке, Л. Теория сигналов / Френке Л.; пер. с англ. под ред. Д.Е. Вакмана. М.: Сов. радио. - 1974. - 344 с.

43. Горяинов, B.T. Статическая радиотехника: Примеры и задачи: учеб. пособие для вузов / Горяинов В.Т., Журавлёв А.Г., Тихонов В.И.; под ред. В.И. Тихонова. 2-е изд. - М.: Сов. Радио. - 1980. - 544 с.

44. Миддлтон, Д. Введение в статистическую теорию связи / Миддлтон Д. Т. 1.- М.: Соврадио. 1961.

45. Левин, Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники / Левин Б.Р.- М.: Советское радио. Книга первая. - 1969. - 742 с.

46. Гудмен, Дж. Статистическая оптика / Гудмен Дж.; пер. с англ. -М.: Мир. 1988. - 528 с.

47. Мандель, Л. Оптическая когерентность и квантовая оптика / Л. Мандель, Э. Вольф.; пер. с англ. под ред. В.В. Самарцева. М.: Наука. Физматлит. - 2000. - 896 с.

48. Давенпорт, В.Б. Введение в теорию случайных сигналов и шумов / В.Б. Давенпорт и В.Л. Рут; перевод с англ. под ред. Р.Л. Добрушина. М.: Издат. иностранной литературы. - 1960.

49. Ван дер Зил, А. Шумы в измерениях / А. Ван дер Зил.; пер. с англ. под ред. канд. техн. наук А.К. Нарышкина. М.: Мир. - 1979.