声光器件的研究现状及其应用

张雪静

北京工业大学 应用数理学院 020611班

指导教师：俞宽新

摘要 本文综述声光器件的国内外研究现状，以及在军事、通信领域中的应用状况。 关键词 声光器件，电子战，测距，通信

一、声光器件的研究历史及现状

早在三十年代，就已发现各向同性介质内的声光互作用现象，这就是众所周知的“超声光栅”。然而，由于声光互作用引起的光的频率和方向的变化都很小，所以在激光问世以前，它没有多少实用价值，长期以来未受到重视。激光的问世改变了这种情况。由于激光的单色性和方向性好，亮度高，而且因具有相干性而使激光束能量可以全部聚焦成衍射限大小的光斑等特性，因此，利用声光互作用可以快速而有效地控制激光束的频率、方向和强度，大大扩展了激光的应用范围，从而推动了声光器件的发展。在六十年代中期到七十年代中期，声光器件的性能迅速地提高，而且无论控制激光束哪方面的特性，所用声光器件的工作原理、器件结构和制作工艺都是一样的，只要在设计上加以一定考虑，就可适应各种需要，甚至一个器件同时可起到多种功能。这是其它光电子器件（如光电器件、机械的光偏转器等）望尘莫及的。因此，进入七十年代后，声光器件的应用越来越广，在许多场合已取代其它器件，并发展了许多只有声光器件才能完成的应用。同时，声光器件本身也已开始系列化的生产。

七十年代以前的声光器件发展主要集中在体波声光器件的发展，以上介绍的均为体波声光器件的发展。在七十年代，由于光波导技术和声表面波技术的进展，发展了利用表面声波和导光波之间声光互作用的表面波声光器件。因为表面声波和导光波均集中在介质表面厚度为波长数量级的薄层内，能量非常集中，故表面波声光器件只需很小的驱动功率；同时，表面波声光器件是用平面工艺制作的，工艺比较简单灵活，很容易做出结构复杂的换能器，因而可以得到比体波器件更大的带宽。目前，表面波声光器件的性能已超过体波器件，它在光信号处理方面获得许多应用，在集成光通讯方面亦可望得到重要应用。

声光器件的发展主要有三个方面：首先是声光互作用理论的发展，其中特别重要的是：1967年R. W. Dixon发现，在各向异性介质内，声光互作用应分为正常和反常两大类：正常互作用的几何关系仍可用光栅（平面光栅或体光栅）衍射来说明，相应的理论可纳入各向同性介质的声光互作用理论，但反常互作用不能用以往的理论来解释。1976年张以拯（I. C. Chang）利用非线性光学中的参量互作用理论，建立了声光互作用的统一理论，并用动量（或位相）匹配和失配等概念进行讨论，

从而对声光互作用有了更进一步的认识；林耕华（E. G. H. Lean）阐述了表面声波和导光波之间声光互作用的理论形式。其次是高性能声光互作用材料的开发，在可见光和近红外范围内，最著名的是钼酸铅和氧化碲晶体。最后是工作在100MHz或更高频率的体波和表面波压电换能器理论和工艺的发展。正是由于这些理论、材料和工艺上的发展奠定了声光器件进入实用阶段的基础[1]。

二、声光器件的应用

采用声光互作用原理制成的声光器件具有体积小,重量轻,驱动功率小,衍射效率高,调制度深,长期稳定性好,时间带宽积大,易于与计算机兼容和自动化控制等特点，因此它在军事和民用的各个领域都得到了广泛的运用。

以声光器件为核心的声光信号处理技术的关键技术是声光信号频谱分析技术和声光信号相关处理技术。声光频谱分析仪是新一代的雷达接收机，它能接收多种形式的信号，能接收多个同时到达的信号，截获概率接近100%，以及有很宽的频率覆盖域。所以它能满足战场上对实时信号处理的要求。声光相关器是实现信号相关的声光器件，它具有大带宽、大容量、高处理增益和实时并行处理等特点，常用于提取淹没在噪声中的微弱信号。 1、电子战

用于监视电磁频谱环境的无源电子战系统通过测量单脉冲来获得所有信号的振幅、频率、方位、到达时间、脉冲宽度等信息。这些操作需要对所有被截获的发射机进行分离、识别和定位。这些信息对雷达告警接收机、信号情报、电子情报和电磁干扰控制系统是必须的。对于这些应用，声光（AO）系统的宽带和线性特性特别具有吸引力。

当需要到达方向（DOA）信息时，搜索问题是很复杂的。这一般需要方向性天线来提供所需的天线增益。当采用晶体视频测向技术时，瞬时频率监测系统能够提供所需的频率分辨率。然而，它不能瞬时处理多个同时到达的信号。因此，这种系统对于高密度的信号环境没有什么吸引力。相反，声光器件的大带宽特性使信号的截获概率达到100%成为可能，并且在单脉冲的基础上能够对信号进行分类。此外，声光系统的线性特性使提取瞬时重叠信号成为可能。在高密度信号环境中以及当前的宽带雷达中，对于一些基本的特征，如灵敏度和需要处理的信号频率数量依赖于具体的实际应用。 2、测距

当雷达发射出的信号fT(t)=f(t)从目标返回，接收信号将是参考信号的时间延迟，即

[3]

fR(t)=f(t−τD)，其中τD=2R/c正比于目标的距离R。因此，为了测量距离，必须确定TOA或

者接收信号的时间延迟τD。一般情况下都有噪声存在，这时，采用简单的门限检测法是无法精确fR的，因此需要采用相关检测技术。在这种系统中，相关峰的位置正比于信号的时间延迟τD。

为了增强信号能量，一个最简单的办法是增加脉冲信号宽度。但是同时信号带宽B（脉冲信号

宽度的倒数）将降低，也就是相关峰宽度的增大，将导致精确测量时间延迟τD更为困难，即以降低距离分辨率和测距精度为代价。为了瞬时获得大的时间-带宽积（BT）信号，则需要先进的编码技术，如采用伪随机码和其他具有此性能的码。采用扩谱雷达正是解决探测距离与分辨率这一矛盾的最有效的解决办法，而声光信号相关处理技术是扩谱雷达的核心技术。因此，在扩谱雷达中采用声光信号相关处理技术即可在所有的时间延迟τ内，都能获得窄相关峰输出和低旁瓣电平。

在脉冲激光雷达测距技术中，声光Q开关器件起着关键性的作用，其典型应用是YAG激光谐振器。YAG的振荡输出通常是连续振荡（CW振荡）输出，如果将声光Q开关器件装入谐振器内，则驱动后激光的一部分发生衍射，这时激光振荡停止。而当经过某一适当的时间之后，再次使声光Q开关器件停止，这时又开始激光振荡。由于在激光振荡停止过程中积蓄的能量一下子放出，因此，可获得高输出的脉冲激光。所以，如果使声光Q开关器件以某一适当的周期进行开关动作，就可产生高输出的脉冲激光串。这种声光Q开关器件在军事上的具体应用实例为Nd : YAG激光测距机、喇曼移频型激光测距机等。 3、通信

与雷达和测距相比，通信代表了另外一种信号处理形式，具有不同的要求和问题。在这种情况下，不同的波形代表了信息流中的1和0 bit，这样，每一个相关输出代表了一个比特信息。相关提供了有用的解调技术，大时间带宽积码能够使系统性能和抗噪性得到显著改善。在这些应用中，跳频、直扩和伪随机码是非常有用的。

在通信中，主要存在以下几个方面的问题：与发射机相比，在距离上，干扰离接收机很近，因此，需要加大信号能量使信号能够传输更远。然而，在雷达中的距离门限检测并不能解决这个问题。如果干扰是连续的或是窄带的，则其影响可以通过对信息进行编码来减少。这可以通过扩频来实现。

许多通信信道可以很精确地用平稳加性高斯白噪声信道来模拟。在这种环境下，一般的宽带通信系统可以十分有效地工作。但是，在一些重要的通信信道不符合这个模型。例如军事通信系统需要在电子对抗环境下工作。另一类干扰，即收、发信机之间存在多径传输时，信号自身的多径干扰也不符合平稳加性高斯白噪声模型。在这种环境下，一般的宽带调制系统不能很好地解决抗干扰问题，而扩频调制则是解决上述类型干扰最有效的措施。

扩频通信技术主要应用于通信、测距及与此相关的领域，其核心技术是相关接收技术，声光信号相关处理技术所具有的大带宽、高处理增益及并行处理能力正是接收大时间-带宽积信号最有效的手段。 4、其它

声光可调谐滤光器是一种根据各向异性介质中的声光衍射原理而工作的电调谐滤光器。只要改变外加射频信号的频率就可以在宽光谱范围迅速调谐滤光器的光谱带通。声光可调谐滤光器的突出

特点是光谱分辨力高、角度孔径大，调谐范围宽又无二次通带、在中等驱动功率下光透过率高、电调谐迅速并具有随机选取能力。

声光可调谐滤光器的大角度孔径特性在光谱仪应用中极为重要。与衍射光栅这类波长色散器件相比较，可调谐声光滤光器具有色散更大这一优点，此外还适用于微处理机控制，这些特点使可调谐声光滤光器对灵活的计算机控制光谱仪/射线探测仪中的应用特别具有吸引力。如现场应用中可用于探测试验火箭发动机的光谱信息。与机械光栅光谱仪相比，可调谐声光滤光器的数据获取速度可得到显著提高。可调谐声光滤光器另一个重要潜在应用是作红外传感器系统焦平面上的背景抑制滤光器。

可调谐声光滤光器的一个更重要的应用是大气测量，在民用上可用于环境污染监测、气象观测、食品卫生检测、垃圾分离等。在军事上可用于化学毒剂侦测等, 其灵敏度比现有的设备都高。可调谐声光滤光器侦测化学毒剂设备，具有探测灵敏度高，能远距离、实时测量化学毒剂的种类及其浓度随时间和空间连续变化的详细情况，并将测量结果以图形显示出来的能力。

可调谐声光滤光器侦测系统一般采用灵敏度很高的外差探测差分吸收法，其原理是：每种毒剂分子都具有特定的吸收光谱，可调谐声光滤光器同时滤出两种不同波长的激光，其中一种波长的激光被待测毒剂分子吸收，而另一波长的激光完全不被它吸收。两种不同波长的激光同时通过待测毒剂扩散的区域，由于大气悬浮粒子的散射，产生后向散射信号。接收机收到这种回波信号，在探测器上它与本振光混频，产生的中频信号经放大后输入到数字后处理电路进行处理。被待测毒剂分子吸收过的激光回波信号与未被毒剂分子吸收的激光回波信号之差，就是待测毒剂吸收程度，亦即毒剂分子浓度的直接测量。调节激光波长，就可识别不同种类的毒剂[2]。

参考文献

[1] 徐介平．声光器件的原理、设计和应用．北京：科学出版社，1982年12月

[2]邵定蓉，声光相关技术在电子战中的应用，北京航空航天大学学报，1990（1），p77-80 [3]程乃平．Bragg声光器件在现代军事领域的应用．遥测遥控，1999，20（2） [4] 蒋跃，张颖．声光技术在雷达上的主要应用．光学技术，2002，28（1）