聲光相關/卷積器

聲光相關/卷積器是利用聲光互作用實現空間信號的相關/卷積運算。可以獲得高速度的實時運算和很高的相關增益。

基本介紹

• 中文名：聲光相關/卷積器
• 類型：一種聲光器件
• 特點：實時快速、多信號處理

簡要概述

聲光信息處理技術是近十幾年發展起來的一門新型學科，它是時間域內的一類信號處理技術，常用於處理淹沒在噪聲中的雷達回波信號和保密通信信號。在現代通信中，處理複雜弱信號的核心技術就是相關技術。相關技術可以提高雷達、通信等系統的探測靈敏度、分辨力等。在擴頻通信領域，目前以DSP數位訊號處理為基礎的數字解擴技術存在的主要問題是無法對大時間頻寬信號進行處理，處理增益無法提高。而聲光相關器可直接在中頻和射頻上對信號進行解擴和解調處理，且具有很高的處理增益。其特徵是把待處理的電信號加到聲光器件的壓電換能器上，使電信號轉換成超音波，通過超音波在互作用介質內的傳播，使原來隨時間變化的信號轉變為介質折射率隨空間的變化，並通過聲光互作用把這些信息轉移到衍射上，也就是利用聲光器件把時間變數的電信號變為衍射光的空間分布。聲光開光/卷積器是利用聲光互作用實現空間信號的相關/卷積運算。可以獲得高速度的實時運算和很高的相關增益。

圖1-1 空間積分聲光相關器

目前以空間積分聲光相關器為基礎的接收機的處理增益為30dB~50dB，以時間積分聲光相關器為基礎的接收機的處理增益為50dB~80dB。圖1-1給出了空間積分聲光相關器。

結構及工作原理

聲光相關/卷積器的結構形式有多種，基本工作原理相同，但實現相關/卷積器運算的方式存在差異。按照聲光器件的衍射模式的不同可以分為布拉格衍射和拉曼衍射聲光相關器；從光學結構的不同又可分為非相干和相干的聲光相關器；根據積分變數的不同可以分為空間積分聲光相關器和時間積分聲光相關器，又可分為相乘和相加結構的相關器；還有其他結構形式的聲光相關器（如匹配型空間積分聲光相關器、頻分多路空間積分聲光相關器、空分多路混合聲光相關器等）；聲光相關/卷積器同樣可以製作成體波型聲光相關器/卷積器和表面波聲光相關器/卷積器。

空間積分聲光相關器

在數學上兩個信號函式的互相關運算，積分變數是時間延遲，相關是一個時間變數，衍射光是時間和時間延遲的函式。可以利用聲光的方法在時間延遲範圍內完成兩個信號的相乘操作，然後將乘積在延遲區域內進行積分，或者對其進行時間積分。實現這一功能的聲光結構稱為空間積分聲光相關積分。在圖1-2(b)中E(x)代表入射光函式，T(u)是透鏡的相位變換函式，h₁(x)、h₂(x)和h₃(u是對應的空間脈衝回響函式，U(x’)是輸出回響函式。在圖1-2(a)中，兩個布拉格器件被透鏡相互成像在一個光電檢測器上產生一個乘積的變化，積分是在整個空間上完成的。

圖1-2 空間積分聲光相關器示意圖

當接收信號滑過參考信號時，光電檢測器實時地測出結果，如果對參考信號不需要考慮實時性，含有參考信號的第2個布拉格器件可以為一個掩模。第2個聲光器件的輸入信號是第1個聲光器件輸入信號的時間反轉，在透鏡的後焦面上形成兩個信號函式的相關函式。需要注意，為了獲得相關運算結果，參與信號必須是時間反轉且與接收信號相向傳輸。

時間積分聲光相關器

一種基於布拉格衍射的時間積分聲光相關器的基本結構如圖1-3所示。在平面P₀處，使用一個點調製器。點調製器是一個聲光調製器或者是一個電調製的光源，如雷射二極體。

圖1-3 時間積分聲光相關器示意圖

參考信號s(t)附加一個直流偏置電平B₁，用來調製雷射二極體的光強。接收信號f(t)也附加一個直流偏置B₂，其和用來調製一個射頻載波，然後饋入聲光器件。強度為s(t)+B₁瞬時調製光被透鏡L₁準直，然後以布拉格角入射到聲光器件上。在平面P₂上放置一空間濾波器H()來濾除非衍射光。透鏡L₃把聲光器件成像與平面P₃上，此時位於該平面上的光電檢測器陣列對入射光強進行積分。平面P₃上的光密度是點調製器光強和螢幕P₁上聲光器件的光強分布像的乘積。對平面P₃上的光強積分的結果是一個常數項和一個相關函式項，通過坐標變換，用輸出平面的坐標替換時間延遲，就可以得到積分變數為延遲時間的一個相關運算。

特性及套用

雖然純電子學方法也能實現兩個時間函式的相干運算，但運算速度有限。純光學方法也可實現兩個時間函式的想乾運算，運算速度雖快，但需要事先制好空間濾波器膜片，在實際套用中，很多時候無法採用。利用聲光器件可以很方便地將時間函式轉換成空間函式，故聲光相關器既可獲得高速度的實時運算，又可省去製作膜片的麻煩。接收信號經過相關處理後，信噪比得到很大的提高，提高的倍數就等於相關器的時間、頻寬積（相關增益）。由於聲光器件有較大的頻寬，並且光孔尺寸可以取較大值，所以相關增益可以很高，相關輸出峰的寬度與相關器的工作頻寬有反比關係。

在現代通信和雷達領域中，頻寬、高增益、實時並行處理是現代接收機的重要標誌。迄今為止，以常規電子系統為基礎的接收機很難達到這些要求，而以聲波表面器件為核心的接收機的處理增益一般只有20多分貝，遠遠滿足不了處理弱信號的要求。聲光相關器由於其自身的特點而適用於複雜的電磁波信號環境，利用聲光相關器的實時快速能力、對微弱信號處理能力、高截獲率、寬頻和多信號處理能力等優點，套用於接收系統的前端預處理，在微波和無線電信號處理中，對信號作無源攔截和分析，完成接收信號的有用/無用判斷和收集，並傳輸給接收機後端的數字處理器處理，取出信號的精細特徵，形成一種聲光相關器+數字接收機這種新的套用概念。在電子偵察接收中具有重要價值並可作為一種通用技術普遍採用。

用於監測電磁頻譜環境的無源電子戰系統通過測量單脈衝來獲得所有信號的振幅、頻率、方位、到達時間、脈衝寬度等信息。這些操作需要對被截獲的發射機進行分離、識別和定位。這些信息對雷達告警接收機、信號情報、電子情報和電磁干擾控制系統是必需的。對於這些套用，聲光系統的寬頻和線性特性特別具有吸引力。當需要信號到達方向信息時，搜尋問題是很複雜的，當採用晶體視頻測向技術時，瞬時頻率監測系統能夠提供所需的頻率分辨力。然而，它不能瞬時處理多個同時到達的信號，因此，這種系統對於高密度的信號環境沒有什麼吸引力。相反，AO器件的大頻寬特性使信號的截獲機率達到100%成為可能，並且在單脈衝的基礎上能夠對信號進行分類。此外，AO系統的線性特性使提取瞬時重疊信號成為可能。

與雷達信號處理相比，通信代表的另外一種信號處理形式，具有不同的要求和問題。在這種情況下，不同的波形代表了信息流中的“1”和“0”比特，這樣，每一個相關輸出代表了一個比特信息。相關提供了有用的解調技術，大時間頻寬積碼能夠使系統性能和抗噪性得到顯著改善。在這些套用中，跳頻、直擴和偽隨機碼是非常有用的。對擴頻通信而言，相關接收技術是核心技術。聲光信號相關處理技術所具有的大頻寬、高處理增益及並行處理能力正是接收大時間——頻寬積信號最有效的手段。這裡簡單介紹聲光技術在二維雷達測距都卜勒信號處理中的套用。

一維聲光脈衝壓縮處理器只適合於接收的回波信號與參考信號之間的都卜勒頻率很小的情況使用。然而，在許多實際套用中，即使回波信號與參考信號之間有很大的都卜勒頻率存在，也必須進行匹配濾波處理。目前，有許多種射頻模擬技術和數位技術可以處理這類信號。然而，它們都需要一個匹配濾波庫，並且必須通過不同的都卜勒頻率值對其進行補償。二維處理系統的優點在於不僅能夠提取回波信號的到達時間和振幅信息，而且還可以提取回波信號的都卜勒信息。在許多實際套用中，對目標進行跟蹤時，非常重要的一點是必須估計出目標的都卜勒頻移值。通常採用雷射干涉外差測量的方法得到都卜勒頻移值。

圖1-4所示，是一個干涉測量儀的原理結構圖。射頻輸入信號對半導體雷射器進行光強調製並對輸出光進行準直。準直後的雷射束通過考斯特分光稜鏡被分成兩條平行光線，每一路光束分別通過兩個正交的聲光器件進行調製。為了補償由布拉格衍射引起的角平移，調製後的光線通過第一個考斯特稜鏡進行相位摺疊後形成兩束平行光，然後經第二個考斯特稜鏡將兩束平行光進行摺疊後合併成一束光，最後一個二維CCD光電檢測陣列上進行成像。在這種相加型的干涉結構中，參考信號採用線性調頻載波對半導體雷射器進行調製，需要處理的信號輸入到第二個聲光器件中，線性調頻信號輸入到第一個聲光器件中。CCD檢測陣列的輸出信號被數位化並輸入到一個數字後處理器中用以提取所需的二維壓縮脈衝。通過時間積分聲光頻譜分析儀和時間積分聲光相關器相結合而形成的三次方處理器能夠在光電檢測器平面實現模糊函式運算。

圖1-4 二維脈衝壓縮處理器