CN106200027B - 基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法 - Google Patents

基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法，通过分析稳定光栅的建立与衍射效率关系，从耦合波理论证明光栅矢量特征与动量匹配条件。利用声光偏转器的工作机理，从超声光栅出发来分析和研究出空间滤波的机理，得出相位确定信号能够建立稳定光栅获得高衍射效率，而相位随机信号不能建立稳定光栅衍射效率降低。本发明能有效抑制带内噪声，能够有条件的选择信号和衍射效率有效的控制，明显改善系统信噪比。同时本发明通过实验测试验证了声光偏转器对带内噪声的滤波作用，充分体现了利用声光信号处理在通信接收系统应用方面的优势，促进了声光器件在未来光通信领域的发展和应用。

Description

基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法
技术领域
本发明涉及光学滤波技术领域，具体涉及一种基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法。
背景技术
在现代电子战中，需要实现对空间复杂信号的频率、幅度、相位、到达角和到达时间的跟踪监测和分析，及时捕获信号光的所有信息，解决以常规电子系统为基础的通信接收系统信噪比改善和灵敏度提高受限的技术难题，从而实现在弱信号环境下对空间电磁波信号的有效截获。
通信信号传输伴随噪声积累，为了能够更好地有效提取有用信号，抑制无用信号，通常运用不同的滤波器(例如：低通滤波器、带通滤波器等)对通信传输带宽外的噪声进行抑制，其能够限制通信带宽外的噪声对接收系统影响，但带内的噪声则依据接收系统的级联不同，信噪比将会有不同程度的恶化，带内的噪声是无法处理的，这就限制了系统对微弱信号的探测能力的提高，影响着系统信噪比的改善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有滤波方法不能抑制带内噪声的的问题，提供一种基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法，其预先将声波信号和拟定选择波长的光波信号同时加载到声光偏转器，并通过调整声波信号的频率和/或光波信号的入射角使得声光偏转器工作在布拉格衍射模式下，同时保证入射光在声光偏转器中的波矢量衍射光在声光偏转器中的波矢量和声波在声光偏转器中的光栅矢量这三者之间满足动量匹配条件；滤波时，保证声波信号的频率和输入的光波信号的入射角不变，当输入的光波信号的波长与拟定选择波长相同时，该输入的光波信号被保留，其余波长的输入光波信号则被滤除。
当声波信号的频率和光波信号的入射角满足下式时，声光偏转器工作在布拉格衍射模式下；
其中，θi为入射光与声波波面的夹角，θd为衍射光与声波波面的夹角，λ0为光在真空中的波长，n为声光偏转器中介质折射率，vS为声波的速度，fS为声波的频率。
动量匹配条件是指入射光在声光偏转器中的波矢量衍射光在声光偏转器中的波矢量和声波在声光偏转器中的超声波矢量共面；且入射光在声光偏转器中的波矢量和衍射光在声光偏转器中的波矢量分别构成一个闭合的三角形的两条腰，声波在声光偏转器中的超声波矢量构成该三角形的底边。
所述声波信号为射频信号。
本发明提供一种能够实现通信信号在带内噪声抑制的空间滤波方法，通过分析稳定光栅的建立与衍射效率关系，从耦合波理论证明光栅矢量特征与动量匹配条件。利用声光偏转器的工作机理，从超声光栅出发来分析和研究出空间滤波的机理，得出相位确定信号能够建立稳定光栅获得高衍射效率，而相位随机信号不能建立稳定光栅衍射效率降低。其优点为：有效抑制带内噪声，能够有条件的选择信号和衍射效率有效的控制，明显改善系统信噪比。同时本发明通过实验测试验证了声光偏转器对带内噪声的滤波作用，充分体现了利用声光信号处理在通信接收系统应用方面的优势，促进了声光器件在未来光通信领域的发展和应用。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、利用声光技术进行光学信号处理，构建系统实现了声光测频。
2、以动量匹配与稳定光栅建立关系为基础，通过作用射频信号相位变化与衍射效率的关系，证明了声光互作用对带内噪声的抑制和滤波作用。
3、声光互作用具有一定的空间滤波选择性，提高相位确定信号作用的衍射效率，降低相位随机的噪声信号作用，其光栅效应有利于所构建系统信噪比的改善和系统信号输出的平稳性。
附图说明
图1光束在体光栅中的传播衍射方式图。
图2动量匹配矢量关系图。
图3衍射效率测试对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
一种基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法，其预先将声波信号和拟定选择波长的光波信号同时加载到声光偏转器，并通过调整声波信号的频率和/或光波信号的入射角使得声光偏转器工作在布拉格衍射模式下，同时保证入射光在声光偏转器中的波矢量衍射光在声光偏转器中的波矢量和声波在声光偏转器中的光栅矢量这三者之间满足动量匹配条件；滤波时，保证声波信号的频率和输入的光波信号的入射角不变，当输入的光波信号的波长与拟定选择波长相同时，该输入的光波信号被保留，其余波长的输入光波信号则被滤除。
声光信号处理可以完成宽带内瞬变信号的同时探测，实现空间频谱信号的无缝跟踪测量，在当今信号密集、形式复杂的大带宽现代通信和雷达应用领域中显示出巨大的优势。本实施例从理论依据和实验测试进行叙述：首先，从理论上对声光互作用稳定光栅建立与动量匹配关系、作用射频信号相位变化与衍射效率关系进行数学描述；其次，通过实验将信号和噪声加在声光偏转器上，观察衍射光效率的变化，进一步证明声光器件对加载射频信号的选择特性和滤波特性。
本发明所述声光互作用的工作机理：当光波通过声光介质时，由于声光效应，入射光与声波耦合产生一系列具有复合频率的极化波，产生的极化波又激发具有这些复合频率的光辐射，即出现光被介质中的声波衍射的现象，衍射光的强度、频率和方向等特性都会随着声波的变化而发生变化。声光互作用对带宽内的噪声有抑制作用，还能对信号进行有条件的选择和衍射效率的控制。
本发明所述光栅的建立与声光衍射机理为如图附1所示，声波在介质中传播时会发生弹性应力，这种现象称为“弹光效应”。属于弹性波的声波在介质中传播时会引起介质密度呈疏密交替分布，形成光学“相位光栅”，光波在该介质中传播时发生衍射现象，衍射光强度、方向和频率随声场变化实现了声光调制、声光偏转和声光频移。图1中：θi为光波入射角、θd为光波衍射角；λs为声波波长，相当于相位光栅栅距。当声波频率发生变化时，介质中的光栅栅距也发生改变，衍射光方向也随之改变。而满足(其中L表示声光互作用长度，λ表示光波在介质中的波长)时发生布拉格衍射，此时只出现零级光和+1级(或-1级)衍射光，衍射效率将大大提升。且
θd＝θi＝θB
其中，θi为入射光与声波波面的夹角、θd为衍射光与声波波面的夹角，θB为布拉格角，λ0为光在真空中的波长，n为介质折射率。由于布拉格衍射角很小，一般认为θB＝sinθB。衍射光与入射光之间的夹角θ为布拉格衍射角的两倍，即：
其中，vS为声波的速度、fS为声波的频率。通过改变声波频率(加到器件上RF信号的频率)来改变衍射光频率，实现频率测量的器件为声光移频器或声光偏转器，当声波在声光介质中传播时引起介质折射率发生周期性的变化，此时声光介质是一个超声光栅，光栅栅距变化将引起衍射光位置移动。
本发明所述超声光栅对信号的选择性是指：当入射角偏离布拉格角一定角度，或者声波长超出一定范围时，衍射效率将降低，甚至为零，使得衍射光强度发生变化。声光偏转器工作在布拉格衍射模式下，超声光栅可以当作一个“体光栅”处理，除了非衍射(0级)光束之外，只出现+1级(或-1级)衍射光束，衍射光强主要集中在一级上。光栅衍射效率η的表达式为
其中，ξ表示表示声致相移，Δn表示声致折射率的变化，n为介质折射率,p为弹光系数，S表示声光介质的应变幅值，其中δ'表示新相位失配因子，κs为超声波矢量的模值κs＝2π/λs。
由式(3)可得，对应不同的ξ，衍射效率随的变化而发生变化。时，衍射效率达到最大，但是随着的增大，衍射效率会迅速减小，甚至会出现衍射效率为零的状况。在ξ＝π时，η＝100％，入射光能量可以得到充分利用，此时，除了零级光外，只有一级衍射光存在，所以在实际应用中，声光器件均工作于布拉格衍射模式下。光栅建立能对作用信号进行一定的选择，表现了声光器件空间滤波特性，输入射频信号的变化，引起超声光栅的变化，产生对激光入射布拉格条件的偏离，使得衍射光强度发生波动变化；而输入信号稳定，且入射光满足布拉格条件，衍射光强保持最佳，一般情况下，激光入射角是一定的，因此，声光效应对输入射频信号表现出一定的滤波选择性。确保声光偏转器工作在布拉格衍射模式下，超声光栅当作一个“体光栅”来处理，动量匹配时其矢量图是一个闭合三角形，动量失配时其矢量图不是闭合三角形。
本发明所述的稳定光栅建立与动量匹配关系是：在布拉格衍射条件下，当输入射频信号频率稳定，超声光栅是稳定的，只有零级光和一级光，一级光满足动量匹配条件即
其中，表示衍射光的波矢量，表示一级衍射光波矢量，表示超声波矢量，表示入射光的波矢量。
光束在体光栅中的传播方式如图附2所示，设光栅厚度为L，声波波长为λs，超声波矢量为(其模值为κs＝2π/λs)，其方向垂直于峰值强度面，光波的入射角和衍射角分别为θi和θd，入射光和衍射光在介质中的波矢量分别为和对于正常布拉格衍射，和三矢量满足动量匹配条件，三者共面，相互作用后的矢量图形成一个闭合三角形。
在声光偏转器的实际工作中，入射光的波长和入射角不变。所以，输入信号的变化，即超声光栅的变化将会引起对布拉格条件的偏离，不能形成稳定光栅，出现动量失配，相互作用后的矢量图不能形成一个闭合三角形，使得衍射光强度发生变化，从而对输入信号表现出一定的滤波选择性。因此，声光偏转器内稳定超声光栅的建立与否是空间滤波的关键，对光信号处理十分重要。建立稳定超声光栅是空间滤波的关键，光栅建立与衍射效率和信号选择作用相关，确保加载到声光偏转器的信号在带宽范围内的相位是稳定的。
本发明所述的声光偏转器对不同信号作用的衍射效率进行实验对比验证路线是：将声频信号(RF)设置为400MHz，信号加载到声光偏转器，调整光路使之发生布拉格衍射，改变信号的输入功率，得出信号单独作用时声光偏转器的衍射效率；将输入信号换成随机噪声加载到声光偏转器，改变噪声功率，得出噪声单独作用时声光偏转器的衍射效率；再将信号和噪声混合后加到声光偏转器，当信号功率固定，改变噪声功率时，得出信号、噪声同时作用时声光偏转器的衍射效率，3种状态下测试参数曲线如附图3所示。实验测试中使声光偏转器工作在线性工作区域，取信号功率与噪声功率等值，由图中衍射光功率随着输入功率的变化而变化的三条曲线可知，信号单独作用时，声光偏转器对入射光的衍射效率高于噪声单独作用时的衍射效率。当信号与噪声同时加载到声光偏转器时，衍射效率受噪声的影响不是很大，其衍射效率仍然大于噪声单独作用时的效果，并且与信号单独作用时的作用效果比较接近。可见，声光偏转器对信号和噪声的作用程度明显不同，衍射效率主要还是取决于相位稳定的信号功率。尤其在低信噪比信号输入条件下，这种现象尤为明显。
通过分析可以看出，声光偏转器因其独有的工作机理而具有一定的空间滤波选择性，有利于信噪比的改善，这里所说的滤波不是简单的滤波，而是对信号进行有条件的选择和衍射效率有效的控制。确保超声光栅的变化引起对布拉格条件的偏离，用动量匹配程度来衡量稳定光栅的建立与衍射效率大小的关系，相位确定信号可实现动量匹配，获得高衍射效率；相位随机信号引起动量失配，衍射效率降低；证明声光偏转器对作用信号表现出一定的滤波选择性。基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法，通过光学机理实现对带宽内的随机噪声的抑制，提高相位稳定信号作用的衍射效率，减小光功率起伏，在一定程度上有利于接收系统信噪比的改善；在军用和民用上都具有广泛的应用前景。

Claims (4)

1.基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法，其特征在于：
预先将声波信号和拟定选择波长的光波信号同时加载到声光偏转器，并通过调整声波信号的频率和/或光波信号的入射角使得声光偏转器工作在布拉格衍射模式下，同时保证入射光在声光偏转器中的波矢量衍射光在声光偏转器中的波矢量和声波在声光偏转器中的光栅矢量这三者之间满足动量匹配条件；
滤波时，保证声波信号的频率和输入的光波信号的入射角不变，当输入的光波信号的波长与拟定选择波长相同时，该输入的光波信号被保留，其余波长的输入光波信号则被滤除。
2.根据权利要求1所述基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法，其特征在于：当声波信号的频率和光波信号的入射角满足下式时，声光偏转器工作在布拉格衍射模式下；
其中，θi为入射光与声波波面的夹角，θd为衍射光与声波波面的夹角，λ0为光在真空中的波长，n为声光偏转器中介质折射率，vS为声波的速度，fS为声波的频率。
3.根据权利要求1所述基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法，其特征在于：动量匹配条件是指入射光在声光偏转器中的波矢量衍射光在声光偏转器中的波矢量和声波在声光偏转器中的超声波矢量共面；且入射光在声光偏转器中的波矢量和衍射光在声光偏转器中的波矢量分别构成一个闭合的三角形的两条腰，声波在声光偏转器中的超声波矢量构成该三角形的底边。
4.根据权利要求1所述基于声光互作用动量匹配的光学滤波方法，其特征在于：所述声波信号为射频信号。
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