Оптоэлектронные процессоры радиосигналов с использованием сканирующих ПЗС-фотоприемников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

е? /О -= г ь Ч-'

Санкт-Петербургский государственный технический университет

4 ?

^У1 / "

/■рс:-.

"О

.......

"2 ¿Х-сч^^

¡р> с-

/' На правах рукописи

-/

.......7

ЛАВРОВ Александр Петрович

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССОРЫ РАДИОСИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКАНИРУЮЩИХ ПЗС-ФОТОПРИЕМНИКОВ

специальность 01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

о с с и и

. Г., ш \

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................... 6

ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОРЫ РАДИОСИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЗС-ФОТОПРИЕМНИКОВ...................................17

1Л. Введение....................................................................................................17

1.2. Структура оптоэлектронной системы обработки сигналов................18

1.3. Оптические процессоры с традиционным использованием ПЗС-фотоприемников.............................................................................22

1.4. Оптические процессоры с применением сканирующих ПЗС-фотоприемников............................................................................34

Выводы по главе..............................................................................................44

ГЛАВА 2. ПЗС-ФОТОПРИЕМНИКИ ТРАДИЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ ПО ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ...........................................................................................................47

2.1. Введение....................................................................................................47

2.2. Организация традиционных ПЗС-фотоприемников............................47

2.3. Возможности по дополнительной обработке сигналов в ФПЗС........62

2.3.1. Дополнительная обработка в выходном узле ФПЗС....................62

2.3.2. Формирование виртуальных элементов в матричных ФПЗС......63

2.3.3. Использование антиблюминговой защиты для дополнительной обработки сигналов..........................................................................64

2.3.4. Повышение временного разрешения ФПЗС..................................67

2.3.5. Возможности использования узла электрического ввода

для обработки оптических сигналов в ФПЗС................................69

Выводы по главе..............................................................................................76

ГЛАВА 3. СКАНИРУЮЩИЕ ПЗС-ФОТОПРИЕМНИКИ И ИХ ОСОБЕННОСТИ...................................................................................................78

3.1. Введение....................................................................................................78

3.2. Принцип действия....................................................................................79

3.3. Структура сканирующих ПЗС-фотоприемников..................................82

3.3.1. Матричные сканирующие ПЗС-фотоприемники...........................82

3.3.2. Линейные сканирующие ПЗС-фотоприемники.............................85

3.3.3. Реализация режима сканирования в традиционных ФПЗС

при специальном управлении..........................................................89

3.4. Особенности характеристик сканирующих ФПЗС. Апертурные

и частотно-контрастные характеристики.............................................93

3.5. Расчет выходного сигнала сканирующих ФПЗС с учетом апертурных и частотно-контрастных характеристик..........................102

Выводы по главе..............................................................................................110

ГЛАВА 4. АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОРЫ ЛЧМ РАДИОСИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКАНИРУЮЩИХ ПЗС-ФОТОПРИЕМНИКОВ.................................................................................112

4.1. Введение....................................................................................................112

4.2. Акустооптический процессор ЛЧМ радиосигналов

со сканирующим ФПЗС.........................................................................114

4.3. Обработка ЛЧМ сигналов с отклонением параметров от номинальных. Электронная перестройка процессора..................................................126

4.4. Влияние нелинейности частотной модуляции в обрабатываемом сигнале

на выходной сигнал АО процессора со сканирующим ФПЗС..........142

4.5. Экспериментальные исследования макетов акустооптических процессоров ЛЧМ сигналов со сканирующими ФПЗС......................149

4.6. Анализ частотно-временной структуры частотно модулированных радиосигналов методом томографических проекций.........................160

4.7. Использование сканирующего ПЗС-фотоприемника для сжатия оптических сигналов с линейной модуляцией по длине волны........165

Выводы по главе..............................................................................................171

ГЛАВА 5. АКУСТООПТИЧЕСКИЙ КОМПЕНСАТОР ДИСПЕРСИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ПУЛЬСАРОВ.............................................173

5.1. Введение....................................................................................................173

5.2. Особенности радиоизлучения пульсаров и методы компенсации влияния дисперсии межзвездной среды...............................................174

5.3. Акустооптический компенсатор дисперсии.........................................181

5.4. Ограничение полосы частот акустооптического компенсатора дисперсии нелинейностью дисперсионной характеристики межзвездной среды.................................................................................183

5.5. Экспериментальное исследование макета акустооптического компенсатора дисперсии........................................................................189

Выводы по главе..............................................................................................192

ГЛАВА 6. АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР СО СКАНИРУЮЩИМ ФПЗС ДЛЯ РАДИОСИГНАЛОВ С ДИСКРЕТНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ (ДЧМ).......................................................................................194

6.1. Введение....................................................................................................194

6.2. ДЧМ сигнал и его характеристики. Требования к устройствам обработки.................................................................................................195

6.3. Структурная схема и принцип работы акустооптического процессора ДЧМ сигналов.....................................................................200

6.4. Преобразование сигналов в акустооптическом процессоре ДЧМ сигналов. Форма выходного сигнала....................................................202

6.5. Экспериментальное исследование макета акустооптического процессора ДЧМ сигналов.....................................................................218

6.6. Обработка ДЧМ сигналов при внешней синхронизации процессора 222

Выводы по главе..............................................................................................226

ГЛАВА 7. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССОРЫ С ОПОРНЫМ ТРАНСПАРАНТОМ НА ОСНОВЕ МАТРИЧНОГО СКАНИРУЮЩЕГО ФПЗС......................................................................................................................228

7.1. Введение....................................................................................................228

7.2. Структура процессора и анализ его работы..........................................229

7.3. Обработка биполярных и комплексных сигналов................................237

7.4. Оптоэлектронный процессор как вектор-матричный перемножитель.239

7.5. Экспериментальные исследования макетов оптоэлектронных процессоров с опорными транспарантами...........................................241

7.5.1. Оптоэлектронный процессор для многоканального

спектрального анализа сигналов.....................................................241

7.5.2. Оптоэлектронный коррелятор для шумоподобных сигналов

в виде псевдослучайных последовательностей.............................256

Выводы по главе..............................................................................................262

ГЛАВА 8. ГИБРИДНЫЙ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЦЕССОР СИГНАЛОВ РСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКАНИРУЮЩЕГО ФПЗС....264

8.1. Введение....................................................................................................264

8.2. Траекторный сигнал РСА бокового обзора и его обработка...............266

8.3. Оптический процессор сигналов РСА с опорным транспарантом..... 271

8.3.1. Структура и принцип действия процессора...................................271

8.3.2. Особенности обработки сигналов в азимутальном корреляторе оптического процессора с опорным транспарантом.....................275

8.4. Гибридный оптоэлектронный процессор сигналов РСА с использованием сканирующего ФПЗС и линейки светодиодов...279

8.5. Реализация азимутального процессора в виде оптоэлектронной микросхемы.............................................................................................284

8.6. Экспериментальное исследование макетов азимутального коррелятора..............................................................................................291

Выводы по главе..............................................................................................298

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................302

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПЗС-ФОТОПРИЕМНИКИ: ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ,

УЗЛЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ....................................................................307

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. КОНТРОЛЛЕРЫ ДЛЯ ПЗС-ФОТОПРИЕМНИКОВ.....340

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ ЛАЗЕРНАЯ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЗС-ФОТОПРИЕМНИКА................................359

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................364

Введение

Актуальность темы. Последние два десятилетия характеризуются стремительным развитием информатики и техники, ее обслуживающей. Для того, чтобы повысить эффективность ее использования, необходимо добиться режима обработки в реальном времени всех информационных массивов, и тех которые поступают на входы датчиков, обеспечивающих информационный обмен с внешним миром, и тех, которые передаются внутри системы обработки от процессора к процессору. Несмотря на то, что производительность компьютеров и микропроцессоров стремительно растет, опережая любые ожидания, сама структура цифровых вычислительных систем и их математического обеспечения, физические размеры элементов на чипе, возможности теплоотвода и ограниченное быстродействие не позволяют при решении ряда задач, таких, например, как обработка массивов данных большой размерности (в том числе изображений), осуществление интегральных преобразований, ассоциативных выборок, получить необходимое быстродействие и эффективность. По-видимому, только создание неоднородных систем обработки информации, включающих в себя как электронные компоненты и узлы, так и процессоры иной физической природы и архитектуры, позволят создать системы обработки, отвечающие современным и перспективным требованиям.

В наибольшей степени этим требованиям отвечают оптоэлектронные (ОЭ) процессоры, вследствие присущей им трехмерности передачи и обработки данных, возможности осуществления связей любой конфигурации, в том числе типа «каждый с каждым» без взаимных помех, а также высокого быстродействия отдельных компонентов. Большое внимание, уделяемое во всем мире исследованиям в области оптоэлектронных вычислителей, связано в первую очередь с пониманием их возможностей, а также потребностью их скорейшего внедрения [1-4, 9,13, 14].

Следует подчеркнуть, что речь идет не о чисто оптических, а именно об оптоэлектронных процессорах, сочетающих в себе возможности и оптики, и электроники, и цифровой техники. В этой связи важнейшее значение имеют исследования и разработки в области специальной элементной базы, обеспечи-

вающей стыковку оптических и электронных узлов, а также дополнительную обработку проходящей информации [5-7, 10]. К этому классу компонентов в первую очередь следует отнести многоэлементные фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС, иначе - ПЗС-фотоприемники). Уникальные возможности ПЗС структур, позволяющие совместить в одном кристалле массивы фоточувствительных элементов, быстродействующие многоканальные коммутаторы, сдвиговые регистры, перемещающие информационные зарядовые пакеты к общему выходу, схемы управления этими элементами, дополнительную "память" в виде амплитудных транспарантов (масок) и многое другое, делают ПЗС-фотоприемники незаменимыми для решения широкого круга задач опто-электронной обработки информации. Совместно с широкополосными акусто-оптическими модуляторами, полупроводниковыми лазерами, светодиодными линейками и матрицами и управляемыми транспарантами ПЗС-фотоприемники позволили перейти от лабораторных макетов к реально действующим опто-электронным системам обработки сигналов.

Это хорошо видно на примере радиоастрономии, в которой давно уже пытались использовать системы оптической обработки для решения различных задач. Хотя первые попытки применения оптических систем с регистрацией выходных сигналов на фотопленку были предприняты еще в 1968 г. [16], действующие ОЭ системы для радиоастрономии удалось создать только после появления ФПЗС. Именно применение ФПЗС позволило реализовать модуляционный метод приема, для которого характерна высокая чувствительность, необходимая для исследования космических источников [8]. В настоящее время ОЭ системы обработки, в которых оптические (акустооптические) и цифровые процессоры связаны с помощью ФПЗС, широко используются в радиоастрономии, значительно расширяя ее наблюдательные возможности. Аналогичные примеры можно привести и из других областей, в частности, подобные устройства находят применение, например, в радиоразведке, в системах обработки сложных радиосигналов, в системах технического зрения, системах контроля окружающей среды, нейропроцессорах, высокоразрешающих радиолокаторах с синтезируемой апертурой антенны (РСА) и др. [9-15].

Однако ФПЗС являются многофункциональными приборами, поэтому их

применение не только позволило обеспечить стыковку оптических и цифровых процессоров в ОЭ системах, но и привело к появлению новых архитектур оптических процессоров, в которых осуществляется дополнительная аналоговая обработка сигналов в самих ПЗС-фотоприемниках [10-15]. Возможность такой обработки, возникающая при использовании специального режима работы ФПЗС - режима временной задержки и накопления или режима непрерывного сканирования, значительно упрощает структуру ОЭ систем обработки сигналов и расширяет области их применения.

В отличие от обычного режима работы ФПЗС (режима накопления зарядов при остановке, который используется, например, в акустооптических анализаторах спектра), в режиме непрерывного сканирования осуществляется накопление зарядов при конвейерном движении элементов. Это значит, что в оптоэлек-тронных процессорах, в которых используется такой режим работы ФПЗС, можно изменять параметры процессоров электронным способом за счет изменения частоты сигналов, управляющих работой ФПЗС. Это позволяет в реальном времени адаптировать параметры процессоров к изменению параметров обрабатываемых сигналов, что необходимо во многих системах обработки.

Сказанное определяет актуальность темы диссертации, которая посвящена новым ОЭ процессорам с использованием сканирующих ФПЗС. Следует отметить, что оптоэлектронные технологии, вопросы разработки и создания новых оптоэлектронных систем обработки информации входят в Федеральный перечень критических технологий, определяющих будущее развитие общества.

Цель работы. Целью работы является рассмотрение возможности использования специальных режимов работы ФПЗС, при которых осуществляется дополнительная обработка сигнала в самом фотоприемнике, в частности режима сканирования, для создания новых ОЭ процессоров радиосигналов и создание новых процессоров.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить две группы задач, одна из которых связана с рассмотрением возможных способов дополнительной обработки сигналов в ФПЗС и особенностей работы ФПЗС в режиме сканирования, а другая - с разработкой принципов построения новых ОЭ про-

цессоров со сканирующими ФПЗС с конвейерным методом обработки сигналов, созданием и исследованием таких ОЭ процессоров.

Проведенные исследования показали, что использование сканирующего режима работы ФПЗС позволило создать новый тип ОЭ процессоров с электронным управлением параметров, которые наиболее эффективны для обработки частотно-модулированных сигналов естественного и искусственного происхождения с различными законами модуляции, а также для систем с синтезом изображения, в которых сканирующие матричные ФПЗС используются в качестве динамической памяти большого объема.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Предложен новый тип ОЭ процессоров с использованием сканирующих В ФПЗС, параметры которых могут быть адаптированы к параметрам обрабаты- 1 ваемых сигналов за счет изменения скорости сканирования.

- Рассмотрены особенности сканирующих ПЗС-фотоприемников. Определены апертурные и частотно-контрастные характеристики таких фотоприемников. Показано, что в режиме сканирования неэффективность переноса проявляется значительно меньше, чем в обычных режимах работы ФПЗС, поэтому сканирующие ФПЗС можно использовать при более высоких тактовых частотах.

- Разработаны устройства управления ПЗС-фотоприемниками (ПЗС-контрол-леры), обеспечивающие различные режимы работы ФПЗС, в том числе режим сканирования с регулируемой скоростью сканирования, и оптимальное их использование в различных ОЭ процессорах, как автономных, так и работающих совместно с ЭВМ.

- Показаны возможности дополнительной обработки сигналов в ПЗС-фотоприемниках с традиционной структурой, которые дополняют операции, приводимые в оптике, и расширяют функциональные возможности ОЭ процессоров.

- Показана возможность применения акустооптических (АО) процессоров нового типа с использованием сканирующих ПЗС-фотоприемников для обработки ЛЧМ сигналов большой длительности, которые обладают возможностью электронной перестройки за счет изменения скорости сканирования. Показана

высокая селективность АО процессора к ЛЧМ сигналам с заданной скоростью частотной модуляции (крутизной). Разработаны и исследованы макеты ОЭ систем на основе таких новых АО процессоров, включая макет ОЭ системы с автоматичес