Opto-ultrasonic communication channels
Автор: Saidov B.B., Telezhkin V.F.
Рубрика: Инфокоммуникационные технологии и системы
Статья в выпуске: 4 т.20, 2020 года.
Бесплатный доступ
Introduction. Ultrasound is widely used in various applications, such as monitoring the state of structures, biomedical ultrasound imaging, and information (data) transmission. Ultrasonic transceivers are one of the modern communication systems, both for short-range and remote access. Indeed, the technology of the process of transmitting information using communication channels based on ultrasonic (US) vibrations and the physical implementation of transmission using optical fiber are widely used in conditions of confidentiality of data processing. At the same time, the needs of wireless and wired communication demanded the development of more advanced applications (software, hardware solutions). In particular, new challenges have arisen requiring transceivers to have high frequency, wide bandwidth and compact size. Aim. Consider the “technology - opto-ultrasonic” approach used in data transmission and reception channels. This technology involves the generation of ultrasound by a pulse using the optical-acoustic effect, followed by the reception and processing of ultrasonic vibrations. Optical ultrasonic transceivers based on the photo-acoustic (US) principle of operation have great potential, in particular, to obtain the necessary: (super high) frequency of the transmitted signal; wide bandwidth (speed); ease of use as transceivers; low manufacturing cost. Materials and methods. Various methods of spectral analysis (Fourier and Wavelet) have been investigated to ensure the achievement of the above goal. Results. Compared to traditional technologies of information reception and transmission, optical ultrasonic transceivers provide high-frequency communication, wide bandwidth and compact size. Conclusion. The paper investigates the methods of spectral analysis (Fourier and Wavelet) and proposes, based on these studies, possible options for the implementation of optical ultrasonic transceivers that can generate ultrasonic pulses with a duration on a nanosecond scale using an ultrafast laser and receive confidential data with a high degree of security. At the same time, by combining the principle of generating photo-acoustic ultrasound with the use of optical fiber, it is possible to obtain compact and inexpensive ultrasonic transceivers.
Ultrasound, receivers and transmitters (generation) of information, data, communication channels, fiber optic, bandwidth, technology, laser ultrasound, sensors, optical-acoustic effect
Короткий адрес: https://sciup.org/147233786
IDR: 147233786 | УДК: 621.391.037.372 | DOI: 10.14529/ctcr200406
Оптоультразвуковые каналы связи
Введение. Ультразвук широко используется в различных приложениях, таких как мониторинг состояния конструкций, биомедицинская ультразвуковая визуализация, приемо-передача информации (данных). Ультразвуковые приемо-передатчики являются одной из современных систем коммуникации как на ближнем, так и удаленном доступе. Действительно, технология процесса передачи информации с помощью каналов связи на основе ультразвуковых (УЗ) колебаний и физической реализации передачи с помощью оптоволокна находят большое применение в условиях конфиденциальности обработки данных. При этом потребности беспроводной и проводной коммуникации потребовали разработку более совершенных приложений (программ, аппаратных решений). В частности, возникли новые проблемные вызовы, требующие, чтобы приемо-передатчики имели высокую частоту, широкую полосу пропускания и компактные размеры. Цель исследования. Рассмотреть подход «технология - оптоультразвук», применяемый в каналах приемо-передачи данных. Эта технология предполагает генерацию ультразвука импульсом с помощью оптико-акустического эффекта, с последующим приемом и обработкой УЗ-колебаний. Оптические ультразвуковые приемо-передатчики, основанные на фотоакустическом (УЗ) принципе действия, имеют большой потенциал, в частности, для получения необходимой (супервысокой) частоты передаваемого сигнала; широкой полосы пропускания (быстродействие); простоты использования в качестве приемо-передатчиков; не высокую стоимость изготовления. Материалы и методы. Были исследованы различные методы спектрального анализа (Фурье и Вейвлет), позволяющие обеспечить достижения поставленной выше цели. Результаты. По сравнению с традиционными технологиями приемо-передачи информации оптические ультразвуковые приемо-передатчики обеспечивают высокочастотную связь, широкую полосу пропускания и компактные размеры. Заключение. В работе исследованы методы спектрального анализа (Фурье и Вейвлет) и предложены на их основе возможные варианты реализации оптических ультразвуковых приемо-передатчиков, которые могут генерировать ультразвуковые импульсы с длительностью в масштабе наносекунд с помощью сверхбыстрого лазера и принимать с высокой степенью защищенности конфиденциальные данные. При этом комбинируя принцип генерации фотоакустического ультразвука с применением оптоволокна, можно получить компактные и недорогие ультразвуковые приемо-передатчики.
Список литературы Opto-ultrasonic communication channels
- Filonenko V., Cullen C., Carswell J. Investigating Ultrasonic Positioning on Mobile Phones. International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN), 2010, pp. 15-17.
- Marina M.D., Norziana J., Jacentha M. Indoor positioning: technology comparison analysis. International Journal of Engineering & Technology, 2018, no. 7, pp. 133-137.
- Rosenthal A., Razansky D., Ntziachristos V. High-Sensitivity Compact Ultrasonic Detector Based on a Pi-Phase-Shifted Fiber Bragg Grating. Opt. Lett, 2011, no. 36, pp. 1833-1835.
- Keda Y.K., Yoshihiro O., Hiroshi U. International standard of infrared data communication, IrDA. Shapu Giho/Sharp Technical Journal, 1997, no. 68, pp. 11-17.
- Saidov B.B., Tambovtsev V.I., Prokopov I.I. Spectrum Transformation of an Amplitude-Modulated Signal on an Ohmic Nonlinear Element. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics, 2020, vol. 20, no. 1, pp. 71-78. DOI: 10.14529/ctcr200107
- Brodie G., Qiu Y., Cochran S., Spalding G., MacDonald M. Optically Transparent Piezoelectric Transducer for Ultrasonic Particle Manipulation. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2014, no. 61, pp. 389-391.
- Qiu Y. Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer (PMUT) Arrays for Integrated Sensing, Actuation and Imaging. Sensors, 2015, no. 15, pp. 8020-8041.
- Nakrop J., Sodsai W., Prasit N., Atipong S. Security System against Asset Theft by Using Radio Frequency Identification Technology. 5Th International Conference on Electrical Engineering / Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, 2008, pp. 761-764.
- Elfes A. Sonar-Based Real-World Mapping and Navigation. IEEE J. Robot. Automat, 1987, vol. 3, pp. 249-265.
- Jarvis R.A. A Perspective on Range finding Techniques for Computer Vision. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell, 1983, vol. 2, pp. 122-139.
- Saad M.M., Bleakley C.J,. Dobson S. Robust High-Accuracy Ultrasonic Range Measurement System. IEEE Trans. Instrum. Meas, 2011, vol. 60, pp. 3334-3341.
- Zhou Q., Lau S., Wu D., Shung K.K. Piezoelectric Films for High Frequency Ultrasonic Transducers in Biomedical Applications. Prog. Mater Sci., 2011, no. 56, pp. 139-174.
- Biagi E., Margheri F., Menichelli D. Efficient Laser Ultrasound Generation by Using Heavily Absorbing Films as Targets. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2001, vol. 48, no. 6, pp. 1669-1680.
- Wissmeyer G., Soliman D., Shnaiderman R., Rosenthal A., Ntziachristos V. All-Optical Opto-acoustic Microscope Based on Wideband Pulse Interferometry. Opt. Lett, 2016, no. 41, pp. 1953-1956.
- Taruttis A., Ntziachristos V. Advances in Real-Time Multispectral Optoacoustic Imaging and Its Applications. Nat. Phot, 2015, no. 9, pp. 219-227.
- Ntziachristos V. Going Deeper than Microscopy: the Optical Imaging Frontier in Biology. Nat. Methods, 2010, no. 7, pp. 603-614.
- Beard P. Biomedical Photo Acoustic Imaging. Interface Focus, 2011, no. 1, pp. 602-631.
- Strohm E.M., Moore M.J., Kolios M.C. High Resolution Ultrasound and Photo Acoustic Imaging of Single Cells. Photo Acoustics, 2016, no. 4, pp. 36-42.
- Darold W., Ming Z., Bhooma S. An Ultrasonic. Optical Pulse Sensor for Precise Distance Measurements. Conference Paper, 2005. pp. 1-5.
- Hamilton J.D. High Frequency Optoacoustic Arrays Using Etalon Detection. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2000, no. 47, pp. 160-169.
- Aggelis D., Barkoula N., Matikas M., Paipetis, T.A. Acoustic Structural Health Monitoring of Composite Materials: Damage Identification and Evaluation in Cross Ply Laminates Using Acoustic Emission and Ultrasonics. Compos. Sci. Technol, 2012, no. 72, pp. 1127-1133.
