一种时间积分声光相关器

摘要

本发明提供一种时间积分声光相关器，其结构中，从左至右包括：激光器(1)、扩束镜组(2)、柱面镜(3)、声光布喇格元件(4)、柱面镜(5)、凸透镜(6)、光栏(7)、凸透镜(8)、线性光电检测器(9)，各个器件在同一条光轴上，固定在钢板上。相关器中的光电检测器采用的是线性CCD光电检测器阵列；激光器(1)加一定的偏置电压V1后，用接收到的射频电信号S1(t)调制激光器，声光布喇格元件(4)加一定偏置电压V

说明书

技术领域

本发明涉及一种声光相关器，用于光信息实时处理领域。

背景技术

在现代通信中，实时处理信号的高处理增益宽带接收机占有至关重要的地位，对于复杂的弱信号而言，相关技术是主要的检测手段，因而相关器的性能直接决定了接收机水平的高低。

相关检测简单说就是利用信号具有良好的时间相关性和噪声的不相关性(或仅在短时间内部分相关)，使信号进行积累而噪声不积累的原理，从而把被噪声淹没的信息取出来。

已有的空间积分声光相关器一般可分为光学系统和电路系统两大部分，主要由半导体氦-氖激光器、扩束镜组、声光布喇格元件、成象系统、空间滤波器、光电检测器(光电二极管)、等组成，所涉及的器件从左至右排列，各个器件之间在同一条光轴上，固定在光学平台上。理论上系统的相关增益取决与系统的时间带宽积，空间积分声光相关器的时间带宽积主要取决声光器件的时间带宽积。对于空间积分声光相关器，由于其积分是按空间变量进行，或者说按时间延迟变量进行，该时间延迟受声光器件尺寸限制，而声光器件尺寸又受声衰减的限制。器件渡越时间一般最大只可做到10μs左右。虽然目前声光器件带宽已可作到10³MHz，时间带宽积可达到10⁴，但要想进一步提高相关增益、动态范围却有很大困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种时间积分声光相关器。

本发明的技术方案：按其构成，从左至右包括：激光器、扩束镜组、声光布喇格元件、成象系统、空间滤波器、光电检测器，各个器件在同一条光轴上，固定在厚度均匀、平整度高、密度大的长方形钢板上，并工作在最佳工作状态(最有效的利用激光的光能量)。相关器中的光电检测器采用的是线性电荷耦合器CCD光电检测器阵列；激光器加一定的偏置电压V1后，用接收到的射频电信号S1(t)调制激光器，声光布喇格元件加一定偏置电压V₂后，用准信号S₂(t)驱动声光布喇格元件。

本发明采用声光互作用原理，通过声光互作用，把随时间变化的电信号转变成声光器件中的声波，引起介质折射率周期性变化，进而把随时间变化的电信号转变成衍射光的时间分布的模拟信号，即通过声波的传输，使得信号得以延迟，再用光学系统完成乘法运算。

本发明的有益效果：1.时间带宽积大，处理信号的动态范围大，因为时间积分是由光电接收器线性电荷耦合器CCD来完成的，CCD输出决定于光强对时间的积分，积分区间至少可达到毫秒量级并可用缓冲放大器进一步加大，使得它可处理持续时间非常长的信号，因而有可获得十分大的时间带宽积，得到近于严格的相关运；2.信号的时间声光相关操作等价于输入信号的匹配滤波，可获得具有大信噪比的峰值信号，其信号噪声声增益近似地等于系统的时间带宽积SNR/SNR0＝Bτ，这里SNR是输出信号的信噪比；SNR0是输入信号(即所接收到的射频信号)的信噪比；B是声光相关器的带宽；τ是相关信号的持续时间；Bτ是相关系统的时间带宽积。通常Bτ》1，故利用时间相关技术可使所接收到的射频信号的信噪比增大Bτ倍。3.信号的时间声光相关处理可以改善相关输出的脉冲压缩特性，输出信号相关峰的宽度Δt接近于系统的带宽B的倒数：Δt≈1/B。一般来说，声光相关器的带宽取决于声光布喇格元的带宽，而声光布喇格元的带宽都很大，通常B＞500MHz。所以，利用声光相关技术可获得很窄的输出脉冲。

这种时间积分声光相关器对于处理相关信号是一种非常实用的方法，这种装置可以很容易地制成性能价格比优良的实用仪器，并可在恶劣的环境下使用。随着科学技术的发展，大带宽的声光器件必将出现，这种时间积分声光相关器从噪声中恢复信号的能力的优势将进一步扩大。

附图说明

图1为时间积分声光相关器结构示意图

图中：激光器1、扩束镜组2、柱面镜3、声光布喇格元件4、柱面镜5、凸透镜6、光栏7、凸透镜8、光电检测器9。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的结构如附图1所示，从左至右包括：激光器1、扩束镜组2、柱面镜3、声光布喇格元件4、柱面镜5、凸透镜6、光栏7、凸透镜8、光电检测器9。各个器件在同一条光轴上，固定在钢板上，使各个器件工作在最佳工作状态，最有效的利用激光的光能量。两个柱面镜3、5和两个凸透镜6、8和光栏7构成成象系统和空间滤波器。

光电检测器9采用的是线性电荷耦合器CCD光电检测阵列。

选择加工一厚度均匀、平整度高、密度大的长方形钢板(80*30cm²)，把激光器1固定在长方形钢板长边一端，使激光发射的光束严格平行钢板。

激光器1采用中国科学院北京半导体研究所生产的HLT67T05型量子阱激光器，性能指标：

(a)输出功率：5mW；(b)中心波长：670nm；(c)半功率点谱线宽度：0.5nm。激光器1还可以采用发射出红光至近红外光的各种激光器：氦-氖激光器、半导体激光器、分布反馈式激光器、量子阱激光器等。

扩束镜组2由2个曲率半径不同的凸透镜加工组合而成。所起作用是对入射到器件内的光束进行扩束、准直。

声光布喇格元件4选用二氧化碲TeO₂材料制成的声光器件，中心频率为100MHz、有效带宽80MHz、渡越时间8μs。把声光布喇格元件固定在钢板上，使从透镜的出射光线通过布儒斯特窗口。

声光布喇格元件4还可选用材料：钼酸铅PbMoO₄、钼酸铅CaMoO₄、铌酸锂LiNbO₃、二氧化硅SiO₂中的任一种，制成的声光器件。中心频率为100-500MHz、有效带宽80-250MHz、渡越时间5-20μs。

两个柱面镜(3)、(5)和两个凸透镜(6)、(8)和光栏(7)构成成象系统和空间滤波器。柱面镜3置于扩束镜组2和声光布喇格元件4之间，起到把扩束、准直的光束压扁的作用；凸透镜6、凸透镜8置于声光布喇格元件4和光电检测器9之问，起到对光束成像的作用；柱面镜5置于声光布喇格元件4和凸透镜6之间，起到把压扁的光束恢复成原来光束形状的作用；光栏7置于两个凸透镜6和8之间，滤除非衍射光。

时间积分计算通过以下步骤实现：

激光器1加一定的偏置电压V₁后，用接收到的射频电信号S₁(t)调制激光器，使激光器的输出光强度为：I₁(t)＝a[V₁+S₁(t)]，I₁(t)经扩束镜组2扩束准直后，投射到柱面镜3上，使光束在其焦平面上变成一扁平光束，并入射到置于此焦平面内的声光布喇格元件4中，声光布喇格元件4加一定偏置电压V₂后，用准信号S₂(t)驱动声光布喇格元件4，使声光布喇格元件4的输出光强度为：I₂(t)＝[V₁+S₁(t)][V₂+S₂(t+τ)]，声光布喇格元件4的输出光经过柱面镜5、凸透镜6、光栏7后，由于光栏滤除非衍射光(即零级光)，使一级衍射光投射到凸透镜8上，再聚焦到线性电荷耦合器CCD光电检测阵列上，并在其上实现时间积分。结果，最后输出为：

                   I(τ)＝TV₁V₂+V₁∫_TS₂(t+τ)dt+V₂

                        ∫_TS₁(t)dt+V₁V₂∫_TS₁(t)S₂(t+τ)dt

式中，右边第一项为直流，可用滤波器滤除：第二、三项一般比第四项小得多，可略去。当S₁(t)和S₂(t)无直流成分时，此两项积分实际上就等于零。系统的最终输出信号为S₁(t)与S₂(t)的相关积分。