В. Топографические устройства обработки информации. Акустооптические и оптоэлектронные устройства и системы. Использование поверхностных акустических волн (ПАВ-эпементы).

При применении топографических методов, о которых было рассказано в гл. V, учитываются не только амплитуды, но и фазовые характеристики обрабатываемых сигналов. Рассмотрим принципы построения топографических устройств на примере согласованных фильтров и корреляторов.

Схема голографического согласованного фильтра, описанного в книге [246], приведена на рис. 6.10,д. На рис. 6.10,6 показана схема, по которой изготовляется комплексно сопряженный фильтр, используемый в указанном основном фильтре. Сначала обратимся к рис. 6.10,а. Транспарант анализируемого сигнала помещается в плоскости 1. Линза 2 выполняет преобразование Фурье. В плоскости 3 находится топографический согласованный фильтр, изготовленный по изображенной на рис. 6.10,6 схеме. Линзой 4 производится обратное преобразование Фурье. При прохождении фурье-образа входного сигнала через фильтр—голограмму на выходе основного фильтра сигнал расщепляется на три пучка. Один из них, который распростра-

Рис. 6.10

няется в направлении оптической оси, близок к фурье-образу исходного оптического сигнала. Второй пучок распространяется в направлении, в котором проходит свет при изготовлении фурье-голограммы. Третий пучок отклоняется относительно оси в противоположном направлении. Сигнал, который передается нижним боковым пучком, имеет две составляющие. В результате выполняемого линзой 4 преобразования Фурье, при котором осуществляется переход из плоскости 3 (плоскость Фурье) в плоскость наблюдения 5, в центре нижнего бокового изображения для полезной (за вычетом входных помех) части входного сигнала появляется сигнал автокорреляции.

В упоминавшейся книге сделаны теоретические выводы, на основании которых можно составить представление о количественных соотношениях между оптическими сигналами, формирующимися в различных частях фильтра в процессе его работы. Для выполнения иллюстрируемой рис. 6.10,6 процедуры получения голограммы фурье-образа заданного полезного сигнала последний вводится в транспарант, помещаемый в плоскости 1. С помощью линзы 2 выполняется фурье-преобразование указанного сигнала. Для получения голограммы, дающей полную информацию об исходном полезном сигнале, на выходную плоскость 3 кроме основного пучка света 4 направляется опорный пучок 5, который отклоняется призмой 6. Оба пучка света излучаются общим источником когерентного освещения. На помещенной в плоскости 3 фотопластинке получается голограмма, используемая в описанном ранее основном фильтре для подавления шумов и посторонних сигналов.

На рис. 6.10, в представлена схема оптического коррелятора, служащего для оценки корреляции двух функций [148]. Сравниваются данные траспарантов 1 и 2, помещенных в плоскости 3. Последняя является передней фокальной плоскостью линзы 4. Центр каждого из транспарантов находится на расстоянии от оси z. В заданной фокальной плоскости линзы 4 вблизи от оси z формируются два комплексных оптических сигнала. Их амплитуды пропорциональны фурье-образам соответствующих функций пропускания. Интерференционная картина, получаемая при взаимодействии указанных сигналов, записывается на модуляторе 5. Затем прекращается освещение транспарантов и на модулятор направляется через полупрозрачное зеркало 6 считывающий пучок света. При этом за линзой 7 в ее фокальной плоскости 8 появляется изображение, имеющее четыре составляющих. Одна и вторая из них пропорциональны соответственно автокорреляционной функции одной и другой из исходных функций. Центры автокорреляций находятся на оси z. Две других составляющих, смещенные на расстояние от оси z, пропорциональны взаимно корреляционной функции сравниваемых функций (точнее, интенсивности получаемых корреляционных пиков пропорциональны квадратам модулей взаимно корреляционных функций).

Разработке акустооптических процессоров посвящена статья [92], в которой дан обзор более чем 50 публикаций. Дополнительная информация содержится и в других источниках, упоминаемых нами в § 5. На рис. 6.11 приведены заимствованные из статьи [92] схемы, поясняющие принципы построения акустооптических процессоров. Дается краткое их описание, более подробно они рассмотрены в указанной статье.

Рис. 6.11 (см. скан)

На рис. 6.11, а приведена схема акустооптического согласованного фильтра, при работе которого оптической системой выполняется пространственное преобразование Фурье. Фильтр предназначен для оптимальной обработки и формирования сложных радиосигналов. Для рисунка приняты следующие обозначения: 1 — коллимированный поток света; 2 — возбуждаемый радиосигналом акустооптический модулятор; 3 - транспарант; 4 — линза, выполняющая преобразование Фурье; 5 — диафрагма; 6 - фогоприемник; 7 — полосовой фильтр. На выходе последнего выделяется сигнал на частоте, равной несущей частоте сигнала, комплексная огибающая которого, согласно [92], "представляет собой интеграл свертки комплексных огибающих опорного, записанного на транспаранте, и обрабатываемого сигналов". Опорный транспарант выполнен в виде штриховой дифракционный решетки. В упомянутой статье сказано о том, что на основе использования акустооптического согласованного фильтра с двумерным опорным транспарантом (ОТ)

"предложена процедура синтеза высокочастотных ортогональных фильтров..., которые находят применение при корреляционном и спектральном анализе случайных процессов, при синтезе радиотехнических цепей и т.д. Использование нового типа позволило также предложить оригинальный метод кодирования и распознавания изображений".

На рис. представлена схема одного из вариантов выполнения акустооптического коррелятора, работающего с временным интегрированием сигналов. На рисунке показаны: 1 — точечный источник света, линейная модуляция интенсивности которого осуществляется опорным сигналом линза; 3 — акустооптический модулятор, который находится под воздействием сигнала (амплитудная составляющая последнего отвечает входному сигналу); 4 — линза; 5 — диафрагма; 6 линза; 7 — фотоприемник. Назначением системы линз и диафрагмы является коллимирование потока света и устранение недиафрагмированного света. Особо отметим, что фотоприемник выполнен в виде линейки ПЗС, о которых у нас было рассказано в § 2. На рис. 6.11, в приведена схема варианта коррелятора, предназначенного для корреляционной обработки радиосигналов большой длительности. Анализируются радиосигналы и «2 (О -

В работе [92] отмечено, что акустооптические процессоры, используемые в качестве анализаторов спектра, бьюают двух типов: работающие с временным интегрированием и работающие с пространственным интегрированием. Схема анализатора спектра последнего типа приведена на рис. Здесь 1 — акустооптический модулятор; 2 — линза; 3 — фотоприемник; и анализируемый электрический сигнал; выходной электрический сигнал, дающий спектральное представление сигнала и На рис. 6.11, д показан двумерный акустооптический анализатор, также работающий с пространственным интегрированием. При анализе используются опорные сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ-сигналы), о которых у нас говорилось выше в связи с их применением при выполнении преобразований Фурье. Для рис. 6.11, д приняты следующие обозначения: 1, 2, 3 и 4 — акустооптические модуляторы; 5 — двумерный накапливающий фотоприемник; опорные сигналы; анализируемый сигнал.

В рассмотренных акустооптических устройствах оптическими методами производится обработка входных электрических сигналов и формируются выходные, тоже электрические, сигналы. Одним из основных элементов акустооптических систем обработки информации являются акустооптические модуляторы, служащие для ввода информации в оптическую часть системы. Используются управляемые транспаранты, представляющие собой пространственно-временные модуляторы света с реверсивными носителями информации [148]. Рабочий процесс такого модулятора "можно разделить на три этапа. На первом этапе производится запись информации путем изменения оптических характеристик регистрирующей среды в соответствии с записываемой информацией. На втором этапе происходит модуляция амплитуды, фазы или поляризации когерентного света, падающего на модулятор. Модуляторы изменяют параметры светового пучка, проходящего через них или отраженного от них, т.е. модуляторы мотут быть предназначены для работы

в проходящем или в отраженном свете. Третий этап работы модулятора — это стирание ранее записанной информации и подготовка модулятора к последущией записи".

Разработан ряд таких устройств, для части из которых входные сигналы электрические, для других — оптические. Те и другие описаны в книге [148]. Данные о применяемых в оптоэлектронных устройствах модуляторах параметров светового луча с помощью электрического сигнала приведены в брошюре [94]. В последней описаны электрически и оптически управляемые транспаранты различных типов. Магнитооптическим устройствам хранения и обработки информации, в которых имеются динамические управляемые транспаранты, посвящена работа [281].

Далее особо остановимся на применениях в рассматриваемой нами области уже ранее упоминавшихся элементов и устройств, при работе которых используется передача сигналов поверхностными акустическими волнами (сокращенное их название — ПАВ). Раньше в нашей книге было сказано об их применении при создании сверхбыстродействующих фурье-процессоров и фурье-процессоров комбинированного типа, аналоговая часть которых акустооптическая, но в составе которых имеются и микроэлектронные устройства, служащие для цифровой обработки сигналов. Такое и другие применения ПАВ в рассматриваемой нами области описаны в обзорных статьях [82, 127, 243], а также и в других работах, которые будут указаны при обзоре литературы в § 5. ПАВ-элементы используются в фурье-процессорах независимо или же в сочетании с ПЗС, о которых было рассказано в § 2.

ПАВ-элементы имеют и другие применения [201]. Генерирование и прием поверхностных волн в технике синтеза частот рассмотрены в книге [284], в которой сообщено следующее: "Сегодня на ПАВ строят линии задержки, фильтры с различными характеристиками, генераторы непрерывных и импульсных колебаний, в том числе с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), фазовые дискриминаторы и фазосдвигающие устройства, частотные дискриминаторы, конвольеры и другую аппаратуру. Прочные позиции устройства на ПАВ завоевывают в технике синтеза частот в диапазоне ориентировочно от 5 МГц до 2 ГГц. Такой успех устройств на ПАВ объясняется, в первую очередь, их малыми размерами и технологией изготовления, аналогичной планарной технологии изготовления интегральных микросхем, обеспечивающей высокую точность и повторяемость при массовом изготовлении".

Принцип действия ПАВ-элемента поясняет рис. 6.12, а. На этом рисунке: 1 — пьезоэлектрический кристалл, 2 — металлические полоски (штыри), 3 — источник электрического воздействия, 4 и 5 — поглотители акустических волн, 6 - фронт волны. В верхней части рисунка условно показано, как распространяются в поверхностном слое кристалла акустические волны (X — длина волны). Работа изображенного на рис. 6.12, а ПАВ-элемента в книге [284] описана так: "Поверхностные акустические волны возбуждают на полированной поверхности пьезоэлектрического кристалла с помощью электрического возбудителя. Простейший возбудитель — это пара узких параллельных друг другу тонких металлических

(кликните для просмотра скана)

(обычно алюминиевых) полосок — штырей, нанесенных на полированную поверхность кристалла методом напыления. Штыри служат электродами, к которым подключают источник электрических колебаний...; совместно с расположенным под ними участком пьезоэлектрика они образуют так называемый встречно-штыревой преобразователь электромагнитной энергии в энергию механических (акустических) колебаний. Устройство обратимо: под действием набегающих на них ПАВ между штырями возникает разность потенциалов, что позволяет осуществлять обратное преобразование акустических колебаний в электромагнитные. Волны на поверхности кристалла бывают различных типов, но для понимания принципа действия устройств достаточно полагать их подобием волн, возникающих от брошенного камня на поверхности воды, т.е. считать, что сжатие и растяжение, а следовательно, перемещение атомов пьезоэлектрика прюисходит в направлении, перпендикулярном движению волны, т.е. поверхности кристалла. С удалением от поверхности вглубь волны быстро затухают. Скрость распространения и практически не зависит от частоты. Затухание вдоль поверхности незначительно. Волны распространяются от ВШП в обе сторюны. Для нормального функционирования устройств важно избежать появления сколько-нибудь значительных волн, отраженных от границ рабочей поверхности. Задача решается с помощью специальных поглотителей, располагаемых у границ, или путем придания рабочей поверхности формы трапеции". На рис. 6.12,а границы рабочей поверхности трапециедальной формы очерчены штрихпунктирными линиями. ПАВ-элементы обычно выполняются многоштыревыми, как показано на рис. 6.12, б.

Аналоговые фурье-процессоры строятся на основе ЛЧМ-фильтров на ПАВ. ЛЧМ-преобразование Фурье производится так, как было указано у нас в гл. II. Согласно данным, приведенным в статье [82], созданы фурье-процессоры на ПАВ типа БПФ-устройств, которые дают по отдельности действительные и мнимые составляющие преобразования Фурье в полосе модулирующих частот. В этой статье отмечено также, что используется комбинация из двух и более процессоров для сложной обработки сигналов — коррекции спектра, кепстрального анализа и программируемой корреляции. На следующих позициях рис. 6.12 приведены схемы некоторых из таких устрюйств обработки сигналов [82, 243].

На рис. 6.12, в приведена структурная схема аналогового фурье-процессора, работающего с использованием ЛЧМ-преобразования. На рисунке: 1 — канал передачи входного сигнала, 2 — ЛЧМ-фильтр, 3 и 4 — ЛЧМ-генераторы, 5 — выходной канал. Для выполнения преобразования Фурье по этой схеме производятся три аналоговые операции: перемножаются входной сигнал и сигнал, поступающий от опорного ЛЧМ-генератора; результирующий сигнал отфильтровывается фильтром с квадратичной фазовой характеристикой; получаемый при этом сигнал умножается на сигнал, передающийся от вторюго ЛЧМ-генератора. В статье [243] приведено обоснование такого порядка действий.

Рис. 6.12, г дает представление о принципе построения фурье-процессора, служащего для вычисления комплексного спектра комплексного сигнала На этом рисунке: 1 — канал передачи сигнала канал передачи сигнала

сумматор; 4 — ЛЧМ-фильтр; 5, 6, 7 и 8 — ЛЧМ-гетероданы; 9 и 10 - фильтры нижних частот; 11 — канал передачи выходного сигнала канал передачи выходного сигнала

В статье [243] указано на то, что в качестве фурье-процессоров целесообразно использовать рассматриваемые далее конвольеры. В отношении их применений сказано следующее: "Эффективным средством для вычисления преобразования фурье служат нелинейные устройства — конвольверы, выполняющие свертку сигналов... В этих приборах относительная задержка входных сигналов осуществляется при их встречном распространении, перемножение достигается за счет нелинейных эффектов, а интегрирование выполняется в области взаимодействия поверхностных волн системой распределенных электродов. Помимо собственно операции свертки конвольверы могут быть использованы как корреляторы..., программируемые согласованные фильтры..., фазовые дискриминаторы..., в устройствах экспериментального определения функции неопределенности... и многих других применениях. Привлекательность использования конвольверов для объясняется возможностью выбора разрешающей способности простым изменением параметров опорных сигналов. Существенным является и то, что конвольверы способны компенсировать искажения, вызванные неточностями топологии и температурной нестабильностью, поскольку их характеристики определяются лишь видом опорного сигнала, а температурная дисперсия для анализируемого и опорного сигналов одинакова".

Одна из схем построения конвольерных фурье-процессоров приведена на рис. Этот конвольерный фурье-процессор работает при параллельном вводе сигнала и последовательном его считывании. В данном фурье-процессоре имеются программируемый диодный конвольер и два генератора ЛЧМ-сигналов. Конвольер представляет собой многоотводную линию задержки на ПАВ с подключенными к отводам полупроводниковыми диодами. Для рис. Приняты следующие обозначения: 1 — канал передачи одного из ЛЧМ-сигналов; 2 — канал передачи второго ЛЧМ-сигнала; 3 — отводы линии задержки (в общем случае А отводов); 4 — программируемая решетка смесителей; 5 — параллельный вход; 6 — выходной канал.

Схема анализатора кепстра на ПАВ изображена на рис. где 1 — ввод (временная область); 2 и 3 — спектральные анализаторы на и 5 — ЛЧМ-фильтры на ПАВ (такой же является и структура анализатора 3); 6 — блок логарифмирования и амплитудного детектирования; 7 — блок синхронизации; 8 — выходной канал.

На рис. 6.12, ж представлена схема линии переменной задержки на ПАВ с ЛЧМ-фильтрами. Здесь: 1 — входной канал, 2 и 3 — ЛЧМ-фильтры на ПАВ; 4 - генератор, управляемый напряжением; 5 — выходной канал. Работает устройство так. Входной сигнал смешивается с сигналом, поступающим от генератора, и далее фильтруется первым из указанных выше ЛЧМ-фильтров на ПАВ. При выполнении этих действий могут возникать погрешности, в частности, может искажаться форма выходного импульса из-за дисперсии фильтра. С тем, чтобы скомпенсировать это, производится еще одно смешение с колебаниями того же генератора, и, как указано в [82], "затем сигнал поступает на вход второго

ЛЧМ-фильтра на ПАВ, наклон дисперсионной кривой которого совпадает по величине и противоположен по знаку наклону дисперсионной кривой первого фильтра". Согласно данным, приведенным в работе [82], использование элементов на ПАВ позволило создать линии задержки с полосой пропускания, составляющей десятки мегагерц, и плавно меняющейся задержкой.

Принцип построения программируемого коррелятора с ЛЧМ-преобразованием на ПАВ иллюстрируется рис. 6.12, з. При работе этого устройства операция запоминания сигналов не является обязательной. Для рис. 6.12, з приняты следующие обозначения: 1 — вход сигналов; 2 — опорный вход; 3, 4, 5, 6 и 7 - ЛЧМ-филиры на ПАВ; 8 - канал передачи сигналов от гетеродина; 9 — линия задержки на ПАВ; 10 - выходной канал.

Большое внимание уделяется сейчас созданию комбинированных устройств обработки информации, в которых акустоэлектронные фурье-процессоры (АЭФП) используются вместе с элементами цифровой техники или ПЗС. В статье [127] дана следующая характеристика их совместной работы: "АЭФП обеспечивает высокоскоростную обработку сигналов, а цифровая часть устройства или ПЗС - предварительную обработку сигналов, заключающуюся, например, в преобразовании временного масштаба с целью согласования параметров исследуемого сигнала с характеристиками АЭФП. Кроме того, в ряде случаев осуществляется предварительное запоминание сигнала, а также преобразование параллельного кода в последовательный, как, например, при выполнении пространственного преобразования фурье. В целом комбинированные устройства имеют меньшие габариты, потребляемую мощность и стоимость. Более высокой по сравнению с чисто цифровым вариантом оказывается и надежность таких устройств".

При совместном использовании акустоэлектронных фурье-процес-соров и цифровых блоков в разных случаях по-разному строится схема их соединения между собой в комбинированном устройствае. Это иллюстрируется рис. 6.13, а и б.

На рис 6.13, а представлена схема многоканального анализатора спектра. Для этого рисунка приняты следующие обозначения: 1 — входные каналы (может быть до нескольких сотен каналов); 2 — мультиплексор; 3 — аналого-цифровой преобразователь, 4 — цифровой преобразователь временного масштаба; 5 — цифро-аналоговый преобразователь; 6 — блок управления; 7 — акустоэлектронный фурье-процессор; 8 и 9 — ЛЧМ-фильтры; 10 — ЛЧМ-генератор; 11 - детектор; 12 - аналого-цифровой преобразователь; 13 — выходной канал.

На рис. 6.13, б изображена структурная схема комбинированного фурье-процессора, обрабатывающего информацию при увеличенном числе точек преобразования. Для этого рисунка приняты следующие обозначения: 1 — входной канал; 2 — акустоэлектронный фурье-процессор; 3 и 4 — аналого-цифровые преобразователи; 5 и 6 - ПЗУ; 7 и 8 - ОЗУ; 9 и 10 — выходные каналы, по первому из которых передаются результаты вычисления вещественной части составляющих коэффициентов фурье, по второму — мнимой их части. На основе двух ПЗУ построен генератор весовых коэффициентов: в памяти ПЗУ 5 записаны

Рис. 6.13 (см. скан)

выборки синусоидальной функции, в память ПЗУ 6 - выборки косинусоидальной функции. На ОЗУ выполнены накопители сигналов. В устройстве имеются также сумматоры и умножители. При работе этого устройства от АЦП требуется значительно меньшее быстродействие, чем то, которое необходимо для ПЗУ, ОЗУ, умножителей и сумматоров.

Схема комбинированного широкополосного анализатора спектра, содержащего ПЗС-регистры и не имеющего цифровых электронных Блоков, показана на рис. 6.13, е. Здесь 1 — входной канал; 2 - ПЗС-регистры; 3 — мультиплексор; 4 - ПАВ-синтезатор; 5 — акустоэлектронный фурье-процессор; 6 — подложка; 7 — выходной канал. При описании в статье [127] этого анализатора спектра отмечено, что оказывается возможным при его работе использование значительно большего числа точек преобразования, чем при работе отдельно построенных на ПАВ или ПЗС фурье-процессоров. При этом запись информации во все регистры производится здесь одновременно. Для повышения надежности и температурной стабильности ПАВ-синтезатор помещается на той же подложке, что и дисперсионные линии задержки, имеющиеся в

акустоэлектронном фурье-процессоре. Информация считывается с помощью мультиплексора из ПЗС-регистров, последовательно подключаемых к акустоэлектронному фурье-процессору.

В работе [127] описан также ряд других комбинированных фурье-процессоров.