声场分布分析及高速声光相关系统研究

摘要

当光波通过有超声波作用的介质时，光波和声波在介质中的互作用可以产生类似于光栅衍射的“超声衍射”。利用声波和光波在介质中的这种互作用规律，一方面可以用超声波控制光束的频率、方向和强度；另一方面，也可以将其它信号转换为光信号进行分析。 在信号处理中，两信号的相关运算是信号处理中的重要手段，传统的射频信号实现相关运算速度慢，系统复杂，而声光系统的相关技术是一种实时的宽带信号分析技术。近年来，随着扩频通信技术的发展，需要处理大量的高速信号，这对声光系统提出了更高要求。 本文从理论和实验方面对声光系统的特性做以下几个方面的研究： 1．由参量互作用观点出发导出声光耦合波方程的一般形式，利用动量匹配和动量失配分析了介质中的声光互作用规律。对钼酸铅声光器件进行了仿真和实验研究，得出了声光衍射效率特性曲线，实验所得结果与理论基本吻合。 2，从瑞利积分式出发，给出了轴对称超声换能器的声场分布特性，并给出了简要的分析。用频谱分析的观点，对声源所辐射的空间声场分布进行了分析、建模和计算。通过分析和建模仿真，说明不同晶体位置和衰减情况下声光晶体中声场的影响和分布特征。推导出声场分布与衍射效率分布联系方程组，并计算此各种条件的衍射光场分布。 3．对声光晶体衍射效率分布进行了实验测试，提出逐点测试和面阵化测试方案，并对测试数据进行了处理，分析，与理论分析进行了比较，得出了面阵化测试是较为理想。 4．对空间积分系统和时间积分系统进行了模拟、仿真，比较了这两种信号处理方法的特点；分析了两种系统对高速信号处理的不同性能指标，说明空间积分相关系统与时间积分相关系统对高速信号处理的各自方式和优缺点。 5．提出了聚焦型空间积分相关系统。对聚焦入射光束情况下的声光相关系统的信号重复频率、衍射效率，系统带宽等进行了分析和计算。

目录

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第一章绪论

1.1声光互作用现象

1.2声光互作用的研究进展及趋势

1.2.1声光互作用理论的发展

1.2.2高频压电换能器的发展

1.2.3声光器件的发展

1.3声光器件在信号处理应用中的特点

1.4本文的研究工作

第二章声光互作用理论

2.1声光耦合波方程

2.2正常声光衍射

2.2.1正常布拉格衍射

2.2.2正常喇曼-奈斯衍射

第三章声场分布的分析、计算与测试

3.1引言

3.2基本原理

3.2.1瑞利积分式

3.2.2声源声轴线上的声压分布

3.2.3声轴线上声压均方根叠加原理

3.3角谱分析方法原理

3.4 ASM计算声场的具体实现

3.5衍射光强与声场分布

3.6衍射效率逐点测试

3.7衍射效率的面阵化测试

3.7.1原理分析

3.7.2面阵化测量光路与分析

3.7.3测试结果与分析

第四章声光相关系统及仿真和实验研究

4.1引言

4.2空间积分相关系统

4.2.1声光空间积分光路

4.2.2仿真

4.2.3实验

4.3时间积分相关系统

4.3.1声光时间积分光路

4.3.2仿真

4.4两种积分系统的对比分析

第五章声光相关系统处理高速信号的研究

5.1超声渡越时间与信号脉冲频率的对比关系

5.2空间积分系统对高速信号处理的仿真研究

5.3时间积分系统对高速信号处理的仿真研究

5.4结论

第六章聚焦光束的光窗宽度分析与高速信号处理

6.1聚焦时衍射光场强度与带宽模拟分析

6.2聚焦光束下布拉格衍射的角度(光窗宽度)特性

6.3高速信号的处理仿真

6.4衍射效率分布引起的相关输出变化

第七章总结与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果