本發(fā)明涉及光學(xué)濾波技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于聲光互作用動(dòng)量匹配的光學(xué)濾波方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)空間復(fù)雜信號(hào)的頻率、幅度、相位、到達(dá)角和到達(dá)時(shí)間的跟蹤監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)捕獲信號(hào)光的所有信息，解決以常規(guī)電子系統(tǒng)為基礎(chǔ)的通信接收系統(tǒng)信噪比改善和靈敏度提高受限的技術(shù)難題，從而實(shí)現(xiàn)在弱信號(hào)環(huán)境下對(duì)空間電磁波信號(hào)的有效截獲。

通信信號(hào)傳輸伴隨噪聲積累，為了能夠更好地有效提取有用信號(hào)，抑制無用信號(hào)，通常運(yùn)用不同的濾波器(例如：低通濾波器、帶通濾波器等)對(duì)通信傳輸帶寬外的噪聲進(jìn)行抑制，其能夠限制通信帶寬外的噪聲對(duì)接收系統(tǒng)影響，但帶內(nèi)的噪聲則依據(jù)接收系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)不同，信噪比將會(huì)有不同程度的惡化，帶內(nèi)的噪聲是無法處理的，這就限制了系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)能力的提高，影響著系統(tǒng)信噪比的改善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有濾波方法不能抑制帶內(nèi)噪聲的的問題，提供一種基于聲光互作用動(dòng)量匹配的光學(xué)濾波方法。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于聲光互作用動(dòng)量匹配的光學(xué)濾波方法，其預(yù)先將聲波信號(hào)和擬定選擇波長(zhǎng)的光波信號(hào)同時(shí)加載到聲光偏轉(zhuǎn)器，并通過調(diào)整聲波信號(hào)的頻率和/或光波信號(hào)的入射角使得聲光偏轉(zhuǎn)器工作在布拉格衍射模式下，同時(shí)保證入射光在聲光偏轉(zhuǎn)器中的波矢量衍射光在聲光偏轉(zhuǎn)器中的波矢量和聲波在聲光偏轉(zhuǎn)器中的光柵矢量這三者之間滿足動(dòng)量匹配條件；濾波時(shí)，保證聲波信號(hào)的頻率和輸入的光波信號(hào)的入射角不變，當(dāng)輸入的光波信號(hào)的波長(zhǎng)與擬定選擇波長(zhǎng)相同時(shí)，該輸入的光波信號(hào)被保留，其余波長(zhǎng)的輸入光波信號(hào)則被濾除。

當(dāng)聲波信號(hào)的頻率和光波信號(hào)的入射角滿足下式時(shí)，聲光偏轉(zhuǎn)器工作在布拉格衍射模式下；

${\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_d=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{nv}}_s}{f}_s$

其中，θ_i為入射光與聲波波面的夾角，θ_d為衍射光與聲波波面的夾角，λ₀為光在真空中的波長(zhǎng)，n為聲光偏轉(zhuǎn)器中介質(zhì)折射率，v_S為聲波的速度，f_S為聲波的頻率。

動(dòng)量匹配條件是指入射光在聲光偏轉(zhuǎn)器中的波矢量衍射光在聲光偏轉(zhuǎn)器中的波矢量和聲波在聲光偏轉(zhuǎn)器中的超聲波矢量共面；且入射光在聲光偏轉(zhuǎn)器中的波矢量和衍射光在聲光偏轉(zhuǎn)器中的波矢量分別構(gòu)成一個(gè)閉合的三角形的兩條腰，聲波在聲光偏轉(zhuǎn)器中的超聲波矢量構(gòu)成該三角形的底邊。

所述聲波信號(hào)為射頻信號(hào)。

本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)通信信號(hào)在帶內(nèi)噪聲抑制的空間濾波方法，通過分析穩(wěn)定光柵的建立與衍射效率關(guān)系，從耦合波理論證明光柵矢量特征與動(dòng)量匹配條件。利用聲光偏轉(zhuǎn)器的工作機(jī)理，從超聲光柵出發(fā)來分析和研究出空間濾波的機(jī)理，得出相位確定信號(hào)能夠建立穩(wěn)定光柵獲得高衍射效率，而相位隨機(jī)信號(hào)不能建立穩(wěn)定光柵衍射效率降低。其優(yōu)點(diǎn)為：有效抑制帶內(nèi)噪聲，能夠有條件的選擇信號(hào)和衍射效率有效的控制，明顯改善系統(tǒng)信噪比。同時(shí)本發(fā)明通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)帶內(nèi)噪聲的濾波作用，充分體現(xiàn)了利用聲光信號(hào)處理在通信接收系統(tǒng)應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了聲光器件在未來光通信領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：

1、利用聲光技術(shù)進(jìn)行光學(xué)信號(hào)處理，構(gòu)建系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了聲光測(cè)頻。

2、以動(dòng)量匹配與穩(wěn)定光柵建立關(guān)系為基礎(chǔ)，通過作用射頻信號(hào)相位變化與衍射效率的關(guān)系，證明了聲光互作用對(duì)帶內(nèi)噪聲的抑制和濾波作用。

3、聲光互作用具有一定的空間濾波選擇性，提高相位確定信號(hào)作用的衍射效率，降低相位隨機(jī)的噪聲信號(hào)作用，其光柵效應(yīng)有利于所構(gòu)建系統(tǒng)信噪比的改善和系統(tǒng)信號(hào)輸出的平穩(wěn)性。

附圖說明

圖1光束在體光柵中的傳播衍射方式圖。

圖2動(dòng)量匹配矢量關(guān)系圖。

圖3衍射效率測(cè)試對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

一種基于聲光互作用動(dòng)量匹配的光學(xué)濾波方法，其預(yù)先將聲波信號(hào)和擬定選擇波長(zhǎng)的光波信號(hào)同時(shí)加載到聲光偏轉(zhuǎn)器，并通過調(diào)整聲波信號(hào)的頻率和/或光波信號(hào)的入射角使得聲光偏轉(zhuǎn)器工作在布拉格衍射模式下，同時(shí)保證入射光在聲光偏轉(zhuǎn)器中的波矢量衍射光在聲光偏轉(zhuǎn)器中的波矢量和聲波在聲光偏轉(zhuǎn)器中的光柵矢量這三者之間滿足動(dòng)量匹配條件；濾波時(shí)，保證聲波信號(hào)的頻率和輸入的光波信號(hào)的入射角不變，當(dāng)輸入的光波信號(hào)的波長(zhǎng)與擬定選擇波長(zhǎng)相同時(shí)，該輸入的光波信號(hào)被保留，其余波長(zhǎng)的輸入光波信號(hào)則被濾除。

聲光信號(hào)處理可以完成寬帶內(nèi)瞬變信號(hào)的同時(shí)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)空間頻譜信號(hào)的無縫跟蹤測(cè)量，在當(dāng)今信號(hào)密集、形式復(fù)雜的大帶寬現(xiàn)代通信和雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域中顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。本實(shí)施例從理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行敘述：首先，從理論上對(duì)聲光互作用穩(wěn)定光柵建立與動(dòng)量匹配關(guān)系、作用射頻信號(hào)相位變化與衍射效率關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；其次，通過實(shí)驗(yàn)將信號(hào)和噪聲加在聲光偏轉(zhuǎn)器上，觀察衍射光效率的變化，進(jìn)一步證明聲光器件對(duì)加載射頻信號(hào)的選擇特性和濾波特性。

本發(fā)明所述聲光互作用的工作機(jī)理：當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光效應(yīng)，入射光與聲波耦合產(chǎn)生一系列具有復(fù)合頻率的極化波，產(chǎn)生的極化波又激發(fā)具有這些復(fù)合頻率的光輻射，即出現(xiàn)光被介質(zhì)中的聲波衍射的現(xiàn)象，衍射光的強(qiáng)度、頻率和方向等特性都會(huì)隨著聲波的變化而發(fā)生變化。聲光互作用對(duì)帶寬內(nèi)的噪聲有抑制作用，還能對(duì)信號(hào)進(jìn)行有條件的選擇和衍射效率的控制。

本發(fā)明所述光柵的建立與聲光衍射機(jī)理為如圖附1所示，聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生彈性應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為“彈光效應(yīng)”。屬于彈性波的聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)引起介質(zhì)密度呈疏密交替分布，形成光學(xué)“相位光柵”，光波在該介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射光強(qiáng)度、方向和頻率隨聲場(chǎng)變化實(shí)現(xiàn)了聲光調(diào)制、聲光偏轉(zhuǎn)和聲光頻移。圖1中：θ_i為光波入射角、θ_d為光波衍射角；λ_s為聲波波長(zhǎng)，相當(dāng)于相位光柵柵距。當(dāng)聲波頻率發(fā)生變化時(shí)，介質(zhì)中的光柵柵距也發(fā)生改變，衍射光方向也隨之改變。而滿足(其中L表示聲光互作用長(zhǎng)度，λ表示光波在介質(zhì)中的波長(zhǎng))時(shí)發(fā)生布拉格衍射，此時(shí)只出現(xiàn)零級(jí)光和+1級(jí)(或-1級(jí))衍射光，衍射效率將大大提升。且

θ_d＝θ_i＝θ_B

${\mathrm{sin\θ}}_B=\frac{\mathrm{\λ}}{2{\mathrm{\λ}}_s}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2{\mathrm{n\λ}}_s}---\left(1\right)$

其中，θ_i為入射光與聲波波面的夾角、θ_d為衍射光與聲波波面的夾角，θ_B為布拉格角，λ₀為光在真空中的波長(zhǎng)，n為介質(zhì)折射率。由于布拉格衍射角很小，一般認(rèn)為θ_B＝sinθ_B。衍射光與入射光之間的夾角θ為布拉格衍射角的兩倍，即：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_d=2{\mathrm{\θ}}_B=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{nv}}_S}{f}_S---\left(2\right)$

其中，v_S為聲波的速度、f_S為聲波的頻率。通過改變聲波頻率(加到器件上RF信號(hào)的頻率)來改變衍射光頻率，實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的器件為聲光移頻器或聲光偏轉(zhuǎn)器，當(dāng)聲波在聲光介質(zhì)中傳播時(shí)引起介質(zhì)折射率發(fā)生周期性的變化，此時(shí)聲光介質(zhì)是一個(gè)超聲光柵，光柵柵距變化將引起衍射光位置移動(dòng)。

本發(fā)明所述超聲光柵對(duì)信號(hào)的選擇性是指：當(dāng)入射角偏離布拉格角一定角度，或者聲波長(zhǎng)超出一定范圍時(shí)，衍射效率將降低，甚至為零，使得衍射光強(qiáng)度發(fā)生變化。聲光偏轉(zhuǎn)器工作在布拉格衍射模式下，超聲光柵可以當(dāng)作一個(gè)“體光柵”處理，除了非衍射(0級(jí))光束之外，只出現(xiàn)+1級(jí)(或-1級(jí))衍射光束，衍射光強(qiáng)主要集中在一級(jí)上。光柵衍射效率η的表達(dá)式為

其中，ξ表示表示聲致相移，Δn表示聲致折射率的變化，n為介質(zhì)折射率,p為彈光系數(shù)，S表示聲光介質(zhì)的應(yīng)變幅值，其中δ'表示新相位失配因子，κ_s為超聲波矢量的模值κ_s＝2π/λ_s。

由式(3)可得，對(duì)應(yīng)不同的ξ，衍射效率隨的變化而發(fā)生變化。時(shí)，衍射效率達(dá)到最大，但是隨著的增大，衍射效率會(huì)迅速減小，甚至?xí)霈F(xiàn)衍射效率為零的狀況。在ξ＝π時(shí)，η＝100％，入射光能量可以得到充分利用，此時(shí)，除了零級(jí)光外，只有一級(jí)衍射光存在，所以在實(shí)際應(yīng)用中，聲光器件均工作于布拉格衍射模式下。光柵建立能對(duì)作用信號(hào)進(jìn)行一定的選擇，表現(xiàn)了聲光器件空間濾波特性，輸入射頻信號(hào)的變化，引起超聲光柵的變化，產(chǎn)生對(duì)激光入射布拉格條件的偏離，使得衍射光強(qiáng)度發(fā)生波動(dòng)變化；而輸入信號(hào)穩(wěn)定，且入射光滿足布拉格條件，衍射光強(qiáng)保持最佳，一般情況下，激光入射角是一定的，因此，聲光效應(yīng)對(duì)輸入射頻信號(hào)表現(xiàn)出一定的濾波選擇性。確保聲光偏轉(zhuǎn)器工作在布拉格衍射模式下，超聲光柵當(dāng)作一個(gè)“體光柵”來處理，動(dòng)量匹配時(shí)其矢量圖是一個(gè)閉合三角形，動(dòng)量失配時(shí)其矢量圖不是閉合三角形。

本發(fā)明所述的穩(wěn)定光柵建立與動(dòng)量匹配關(guān)系是：在布拉格衍射條件下，當(dāng)輸入射頻信號(hào)頻率穩(wěn)定，超聲光柵是穩(wěn)定的，只有零級(jí)光和一級(jí)光，一級(jí)光滿足動(dòng)量匹配條件即

${\stackrel{\→}{\mathrm{\κ}}}_d={\stackrel{\→}{\mathrm{\κ}}}_1={\stackrel{\→}{\mathrm{\κ}}}_i\±{\stackrel{\→}{\mathrm{\κ}}}_s---\left(4\right)$

其中，表示衍射光的波矢量，表示一級(jí)衍射光波矢量，表示超聲波矢量，表示入射光的波矢量。

光束在體光柵中的傳播方式如圖附2所示，設(shè)光柵厚度為L(zhǎng)，聲波波長(zhǎng)為λ_s，超聲波矢量為(其模值為κ_s＝2π/λ_s)，其方向垂直于峰值強(qiáng)度面，光波的入射角和衍射角分別為θ_i和θ_d，入射光和衍射光在介質(zhì)中的波矢量分別為和對(duì)于正常布拉格衍射，和三矢量滿足動(dòng)量匹配條件，三者共面，相互作用后的矢量圖形成一個(gè)閉合三角形。

在聲光偏轉(zhuǎn)器的實(shí)際工作中，入射光的波長(zhǎng)和入射角不變。所以，輸入信號(hào)的變化，即超聲光柵的變化將會(huì)引起對(duì)布拉格條件的偏離，不能形成穩(wěn)定光柵，出現(xiàn)動(dòng)量失配，相互作用后的矢量圖不能形成一個(gè)閉合三角形，使得衍射光強(qiáng)度發(fā)生變化，從而對(duì)輸入信號(hào)表現(xiàn)出一定的濾波選擇性。因此，聲光偏轉(zhuǎn)器內(nèi)穩(wěn)定超聲光柵的建立與否是空間濾波的關(guān)鍵，對(duì)光信號(hào)處理十分重要。建立穩(wěn)定超聲光柵是空間濾波的關(guān)鍵，光柵建立與衍射效率和信號(hào)選擇作用相關(guān)，確保加載到聲光偏轉(zhuǎn)器的信號(hào)在帶寬范圍內(nèi)的相位是穩(wěn)定的。

本發(fā)明所述的聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)不同信號(hào)作用的衍射效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證路線是：將聲頻信號(hào)(RF)設(shè)置為400MHz，信號(hào)加載到聲光偏轉(zhuǎn)器，調(diào)整光路使之發(fā)生布拉格衍射，改變信號(hào)的輸入功率，得出信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)聲光偏轉(zhuǎn)器的衍射效率；將輸入信號(hào)換成隨機(jī)噪聲加載到聲光偏轉(zhuǎn)器，改變?cè)肼暪β?，得出噪聲單?dú)作用時(shí)聲光偏轉(zhuǎn)器的衍射效率；再將信號(hào)和噪聲混合后加到聲光偏轉(zhuǎn)器，當(dāng)信號(hào)功率固定，改變?cè)肼暪β蕰r(shí)，得出信號(hào)、噪聲同時(shí)作用時(shí)聲光偏轉(zhuǎn)器的衍射效率，3種狀態(tài)下測(cè)試參數(shù)曲線如附圖3所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試中使聲光偏轉(zhuǎn)器工作在線性工作區(qū)域，取信號(hào)功率與噪聲功率等值，由圖中衍射光功率隨著輸入功率的變化而變化的三條曲線可知，信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)，聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)入射光的衍射效率高于噪聲單獨(dú)作用時(shí)的衍射效率。當(dāng)信號(hào)與噪聲同時(shí)加載到聲光偏轉(zhuǎn)器時(shí)，衍射效率受噪聲的影響不是很大，其衍射效率仍然大于噪聲單獨(dú)作用時(shí)的效果，并且與信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的作用效果比較接近?？梢?，聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)信號(hào)和噪聲的作用程度明顯不同，衍射效率主要還是取決于相位穩(wěn)定的信號(hào)功率。尤其在低信噪比信號(hào)輸入條件下，這種現(xiàn)象尤為明顯。

通過分析可以看出，聲光偏轉(zhuǎn)器因其獨(dú)有的工作機(jī)理而具有一定的空間濾波選擇性，有利于信噪比的改善，這里所說的濾波不是簡(jiǎn)單的濾波，而是對(duì)信號(hào)進(jìn)行有條件的選擇和衍射效率有效的控制。確保超聲光柵的變化引起對(duì)布拉格條件的偏離，用動(dòng)量匹配程度來衡量穩(wěn)定光柵的建立與衍射效率大小的關(guān)系，相位確定信號(hào)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)量匹配，獲得高衍射效率；相位隨機(jī)信號(hào)引起動(dòng)量失配，衍射效率降低；證明聲光偏轉(zhuǎn)器對(duì)作用信號(hào)表現(xiàn)出一定的濾波選擇性。基于聲光互作用動(dòng)量匹配的光學(xué)濾波方法，通過光學(xué)機(jī)理實(shí)現(xiàn)對(duì)帶寬內(nèi)的隨機(jī)噪聲的抑制，提高相位穩(wěn)定信號(hào)作用的衍射效率，減小光功率起伏，在一定程度上有利于接收系統(tǒng)信噪比的改善；在軍用和民用上都具有廣泛的應(yīng)用前景。