Когерентно-оптический процессор для обработки сигналов антенной решетки

 

КОГЕРЕНТНО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ.СИГНАЛОВ АНТЕННОЙ РЕЩЕТКИ, содержавщй расположенные последовательно на одной оптической оси лазер, коллиматор, поляризатор Н-канальный электрооптический модулятор, поляризационный анализатор, сферическую линзу и линейку фотоприемников, выходы которой, соединены с регистратором , а также блок преобразования частоты, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности за счет компенсации искажений фазового фронта в электрооптическом модуляторе ,, в него введены светоделитель, расположенный между лазером и электрооптическим модулятором, одноканальный фотоприемник, вторая линейка фотоприемников , ключ, коммутатор, фильтр нижних частот, компаратор, N-канальный фазовый корректор, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, демультиплексора, N реверсивных цифровых накопителей, N преобразователей код-напряжение и N усилителей, причем выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информа1щонному входу демультиплексора, каждый из N выходов которого подключен к входу соответствукядего реверсивного цифрового накопителя одноименного канала, выход которого через соответствующий преобразователь код-напряжение подключен к усилителю одноименного канала , вход одноканального фотоприемника через светоделитель оптически связан с лазером, а выход - с информационным входом ключа, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого через фильтр нижних частот и коммутатор связан с выходами второй линейки фотоприемнисл ков, а выход - с информационным входом аналого-цифрового преобразователя N-канального фазового корректора, сигнальные входы усилителей которого связаны с выходами блока преобразования частоты, а сигнальные выходы усилителей - с электрическими вxoдaмIi N-канального электрооптического модулятора , при этом синхронизирующий СП выход коммутатора связан с управляющим входом ключа и с синхронизирующи-. ми входами аналого-цифрового преобразователя и демультиплексора N-канальро ного фазового корректора, а поляризационный анапизатор выполнен в виде двупреломпяющей поляризационной призмы , второй оптический выход которой, поляризованный ортогонально первому оптическому выходу, связанног-1у с первой линейкой фотоприемников, оптически связан с второй линейкой фотоприемников .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

ЩСПУБЛИИ (19) (И) А1 (51)5 С 06 Е 3/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ю 3

Сл

Q0 вДь

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И (ЛНРЦТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 3466182/24

1 (22) 05. 07. 82 (46) 23.03. 91. Бюл, 1(11 (71) Институт электроники АН БССР (72) В.А.Пилипович, А . К.Есман и А.А. Визнер (53) 68!. 333(088. 8) (56) Casasent D., Stephenson J. Electro-Optical Process ing of Phased-Array

Antenna Data. Арр1. Opt., 1972, Мау, ч.11, р.1269.

Гринев А.Ю. и др. Квантовая электроника, т.8, Р 1, 1981, с.209. (54)(57) КОГЕРЕНТНО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕС.СОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ АНТЕННОЙ

РЕШЕТКИ, содержащий расположенные последовательно на одной оптической оси лазер, коллиматор, поляризатор К-канальный электрооптический модулятор, поляризационный .анализатор, сферическую линзу и линейку фотоприемников, выходы которой соединены с регистратором, а также блок преобразования частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет компенсации искажений фазового фронта в электрооптическом модуляторе,. в него введены светоделитель, расположенный между лазером и электрооптическим модулятором, одноканальный фотоприемник, вторая линейка фотоприемников, ключ, коммутатор, фильтр нижних частот, компаратор, N-канальный фазовый корректор, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, демультиплексора, 11 реверсивных цифровых накопителей, N преобразователей код-напряжение и N усилителей, причем

2 выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу демультиплексора, каждый из N выходов которого подключен к входу соответствующего реверсивного цифрового накопителя одноименного канала, выход которого через соответствующий преобразователь код-напряжение подключен к усилителю одноименного канала, вход одноканального фотоприемника через светоделитель оптически связан с лазером, а выход — с информационным входом ключа, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого через фильтр нижних частот и коммутатор связан.с выходами второй линейки фотоприемников, а выход. — с информационным входом аналого-цифрового преобразователя N-канального фазового корректора, сигнальные входы усилителей которого связаны с выходами блока преобразования частоты, а сигнальные выходы усилителей - c электрическими входами

N-канапьного злектрооптического модулятора, при этом синхронизирующий выход коммутатора связан с управляющим входом ключа и с синхрониэирующи-. ми входами аналого-цифрового преобразователя и демультиппексора N-канального фазового корректора, а поляризационный анализатор выполнен в виде двупреломпяющей поляризационной призмы, второй оптический выход которой, поляризованный ортогонально первому оптическому выходу, связанному с первой линейкой фотоприемников, оптически связан с второй линейкой фотоприемников

1075843

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в радиотехнических комплексах с антенными решетками.

Известно устройство, состоящее из блока преобразования частоты, вход которого подключен к решетке излучателей, а выход связан с электрическим входом акусто-оптического модулятора, 10 оптически через согласующий оптический тракт связанного с лазером и линейкой фотоприемников, электрические выходы которой связаны с блоком регистрации. 15

Недостаток устройства — низкая стабильность параметров и ограниченное быстродействие. Первый недостаток обусловлен тем, что входной импеданс акусто-оптического преобразова- 20 теля модулятора носит комплексный характер, причем соотношение активной и реактивной составляющей изменяется в широких пределах от частоты к частоте, особенно вблизи частот акусти- 25 ческого резонанса поверхностных волн, Кроме того, для различных частот акустическая добротность акустооптического преобразователя различна, что также снижает стабильность парамет- щ роя процессора в полосе частот. Второй недостаток вызван ограниченной полосой пропускания акусто-оптической ячейки в области верхних частот, которая определяется конструкцией поверхностно-акустического преобразователя и материалом акусто-оптической ячейки, Из известных устройств наиболее близким по технической сущности явля- 40 ется когерентно-оптический процессор для обработки сигналов антенной .решетки, содержащий расположенные последовательно на одной оптической оси лазер, коллиматор, поляризатор, 45

N-канальный электрооптический модулятор, поляризационный анализатор, сферическую линзу и линейку фотоприемников, выходы которой соединены с регистратором, а также блок преобразования частоты, выходы которого связаны с электрическими входами N-канального электрооптического модуля- тор а.

Недостаток устройства — низкая ста-5 бильность эксплуатационных параметров (быстродействия, помехозащищенности, разрешающей способности, точности). Недостаток вызван влиянием температурных вариаций коэффициента преломления необыкновенного луча кристалла N-канального электрооптического модулятора на распределение оптического сигнала в плоскости фотоприемников. С другой стороны, на распределение сигнала в плоскости регистрации линейки фотоприемников существенное влияние оказывает относительный фазовый набег между сигнапами в различных каналах М-канального электрооптического модулятора, вызванный градиентом температуры по поперечному сечению, механическими напряжениями в кристалле и др. Поскольку сам по себе электрооптический эффект носит фазовый характер, в плоскости регистрации. не удается восстановить адекватную картину амплитудно-фазового распределения сигнала в раскрыве антенной решетки.

Целью изобретения является повышение точности за счет компенсации искажений фазового фронта в электрооптическом модуляторе.

Цель достигается тем,что в устройство, состоящее из расположенных последовательно на одной оптической оси лазера, коллиматора, поляризатора, N-канального электрооптическо" го модулятора, поляризационного анализатора, сферической линзы и линейки фотоприемников, выходы которых соединены с регистратором, а также из блока преобразования частоты,введены светоделитель, расположенный между лазером и электрооптическим модулятором, одноканальный фотоприемник, вторая линейка фотоприемников, ключ, коммутатор, фильтр нижних частот, компаратор, N-канальный фазовый корректор, состоящий нэ аналого-цифрового преобразователя, демультиплексора, N реверсивных цифровых накопителей, N преобразователей код-напряжение и N усилителей, причем выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу демультиплексора, каждый нз N выходов котороro подключен к входу соответствующего реверсивного цифрового накопителя одноименного канала, выход которого через соответствующий преобразователь код-напряжение подключен к усилителю одноименного канала, вход одноканального фотоприемника через светоделитель оптически связан с лазером, а выход — с инфор107584 мационным входом ключа, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого через фильтр нижних частот и коммутатор связан с выходами второй линейки фото- 5 приемников, а выход — с информационным входом аналого-цифрового преобразователя N-канального фазового корректора, сигнальные входы усилителей которого связаны с выходами блока преобразования частоты, а сигнальные выходы усилителей — с электрическими входами И-канального электрооптического модулятора, при этом синхронизи- 15 руииций выход коммутатора связан с управляющим входом ключа и с синхронизирующими входами анапого-цифрового преобразователя н демультиплексора

N-канального фазового корректора, 20 а поляризационный анализатор выполнен в виде двупреломляющей поляризационной призмы, второй оптический выход которой, поляризованный ортогонально первому оптическому выходу, связан-25 ному с первой линейкой фотоприемников, оптически связан с второй линейкой фотоприемников.

На фиг.1 приведена функциональная блок-схема процессора; на фиг,2 — схе-30 ма N-канального фазового корректора.

Когерентно-оптический процессор содержит лазер 1, светоделитель 2, коллиматор 3, поляризатор (призма

Глана) 4, N-канальный электроонтический модулятор 5, поляризационный анализатор 6, сферическую линзу 7 и первую линейку фотоприемников 8, выходы которой связаны с регистратором 9.

Выходы второй линейки фотоприемников )О связаны с коммутатором 11, сигнань" ный выход которого через фильтр нижних частот 12 соединен с одним из входов компаратора 13, Другой вход компаратора 13 связан с выходом одноканапьного фотоприемника 14 через ключ 15. Выход компаратора 13 связан с аналого-цифровым преобразователем

16 И-канального фазового корректора

)7. Фазовый корректор 17 содержит также демультиплексор 18, И реверсив" ных цифровых накопителей 19, N пре" образователей код-напряжение 20 и N усилителей 21, сигнальные входы котор свяэ с выходами блока преоб- 55 разования частоты 22, а сигнальные выходи усилителей - с электрическими входами И-канального электрооптического модулятора, при этом синхрони3 6 зирукщий выход коммутатора 11 связан с управляющим входом ключа 15 и с синхронизирующнми входами аналогоцифрового преобразователя 16 и демультиплексора 18, информационный вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), 16. Выходы демультиплексора 18 подключены к входам соответствующих реверсивных цифровых накопителей (РЦН)

19, выхрды которых через соответствующие преобразователи код-напряжение подключены к соответствующим усилителям 21. Вход одноканального фотоприемника 14 связан с лазером -1 через светоделитель 2о Поляриэационный анализатор 6 выполнен в виде призмы

Глана е незачерненной второй гранью, оптический выход которой связан оптически с второй линейкой фотоприемников 1О, Работает устройство следующим образом.

Сигналы с элементов антенной решетки поступают в блок преобразования частоты 22, где осуществляется их перенос на промежуточную частоту, минимапьное значение которой определяется необходимлм подавлением комбинационных составлякщих и шириной спектра сигналов, максимальное — полосой рабочих частот И-канального электрооптического модулятора 5, Передача информации об амплитудно-фазовом распределении СВЧ-поля в световой поток осуществляется N-канальным электрооптическим модулятором 5 ° электрические входы которого связаны с блоком преобразования частоты 22 через И-канальный фазовый корректор 17, Корректор обеспечивает необходимий уровень управляющих напряжений в канапах модулятора 5 и величину постоян" ных корректирующих напряжений, подаваемых в каждый канал одновременно с

ВЧ-сигналами, N""Канальный электрооптический модулятор 5 осуществляет фазовую модуляцию когереитного светового потока лазера 1 и в соответствии с сигнапами иа его электрических входах таким образом, что распределеиию пола на апертуре антенной решетки

f(x t) Ар(х) sin Я t+gl (x)g соответствует-.распределение (при небольших значениях индекса фазовой модуляции)

f siia t 1 " sin (Я g)t-(f (х)»

1075843

-Я (х)) -i +1 ein ((&g)t+Ep (x)+tp (хЯ где ш(х) - индекс фазовой модуляции, пропорциональный амплитуде сигнала на входах модуля5 тора;

Q — круговая частота ВЧ-сиги ал а 9

И вЂ” круговая частота ойтичесКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Ар(х), <р (х) - распределение амплитуд и фаз ВЧ сиГналОв 1

Ч (х) - дополнительный фазовый

0сдвиг, выз в анный е сте ственным двулучепреломлением кристалла модулятора;

Q — круговая частота модулирующего напряжения.

При помощи двух скрещенных поляри- 20 зационных устройств — поляризатора 4 и анализатора 6, установленных на входе и выходе модулятора 5 фазовая модуляция преобразуется в амплитудную, выходной оптический сигнал подвергается Фурье-преобразованию при помощи сферической линзы 7, преобразуетея в электрический при помощи линейки фотоприемников 8 и поступает в регистратор 9, где происходит вычисление и

30 запись необходимых параметров сигна" лов в раскрыве антенной решетки (угловое распределение источника СВЧ-излучения и др.). Как видно из приведенного выше выражения, полезная информация об амплитудно-фазовом распределении поля в раскрыве антенной решетки представлена в виде боковых полос с составляющими частот (Я"9) и (Я+Я). Однако однозначное преобразо40 ванне распределения СВЧ поля и оптического сигнала в плоскости регистрации возможно только в случае известной зависимости g (х), представляющей собой дополнительный фазовый

45 сдвиг, вызванный естественным двулучепреломпением в кристалле. На практике Ц (х) подвержена влиянию множества факторов и заранее не предсказуема. Так, даже небольшие температурные градиенты (порядка 0,1 С) о приводят к изменению (. (х) на 90 о что полностью искажает картину распределения поля в антенной решетке. Преобразование фазовой модуляции в ам- -55 плитудную при.помощи скрещенных поляризаторов приводит к тому, что дополHHTGJlbHblA фазовый сдвиг ф,(х) выражается в смещении среднего уровня ollтического сигнала на выходах каждого канала модулятора. Это смещение в каждом канале на выходах анализатора

6 в лучах со взаимно ортогональной поляризацией имеет противоположный знак. Так, при отсутствии естественного двулучепреломления в канале (p (.c)=0 средний уровень оптического сигнала на каждом из выходов анализатора 6 равен половине среднего уровня оптического сигнала на входе модулятора 5. Естественное двулучепреломление в кристалле равносильно смещению рабочей точки данного канала модулятора. Это смещение вызывает противоположное изменение среднего уровня оптического сигнала на выходах анализатора с ортогональной поляризацией лучей, уровень одного из указанных сигналов становится больше половины уровня входного оптического сигнала, другого — меньше. Таким образом, имеется возможность извлечения информации о величине и знаке дополнительного фазового набега за счет естественного двулучепреломления путем сравнения средних уровней сигналов на выходах анализатора со взаимно ортогональной поляризацией лучей, либо сравнением одного из указанных сигналов е уровнем входящего в моду" лятор 5 потока излучения. Поскольку один из лучей на выходе анализатора б связан со сферической линзой 7 и используется для дальнейшей обработки информации, дпя определения величины и знака дополнительного фазового набега СР (хо) (в канале с номером и) используется второй луч поляризационного анализатора 6, этот лучвторой оптический выход анализатора— оптически связан с второй линейкой фотоприемников 10, электрические выходы которой через коммутатор 11 и фильтр нижних частот 12 связаны с вторым входом компаратора 13. Коммутатор

11 осуществляет последовательную подачу сигналов, соответствующих каждому каналу модулятора 5 на компаратор

13. При этом в качестве опорного сигнала, подаваемого на первый вход компаратора 13, используется сигнал одноканального фотоприемника 14, связанного через. ключ 15 с первым входом компаратора 13. Ключ 15 Осущест" вляет синхронную подачу сигналов на

3 с коммутатором 11 работает аналогоцифровой преобразователь 16 и демультиплексор 18. На выходе АЦП вырабатывается цифровое представление сигнала компаратора 13 последовательно для каждого канала модулятора 5. Этот сигнап через демультиплексор подается на ряд реверсивных цифровых нако пителей (РЦН), по сигналу которых вырабатывается компенсирующее напряжение, При монотонном уходе рабочей точки модулятора 5 в каждом такте работы устройства в соответствующий

РЦН заносится код, который суммируется с хранящимся в нем кодом, что приводит к соответствующему увеличению компенсирующего напряжения. Если же U „ = 2 Ur, происходит переполvoteп g» нение РЦН, он "обнуляется" и устанавливается Пц м„ = О, что равноценно, поскольку характеристика модулятора имеет период 2 Ь . Предел счета

РЦН установлен так, что 0 (U«»(2U, Аналогичный процесс происходит последовательно для каждого канала модулятора 5. Последовательный контроль каждого канала не приводит к ухудшению параметров фазового корректора, поскольку инерционность процесса измене-i ния величины естественного двулучепреломления кристалла в худшем случае определяется временем порядка единиц секунд, так что практически не трудно установить тактовую частоту работы коммутатора 11 так, что она на порядок превышает скорость ухода рабочей точки.

Таким образом, предложенное устройство позволяет обеспечить практически полное соответствие амплитудно-фазового распределения оптического сигнала в плоскости регистрации и на апертуре антенной решетки за счет компенсации искажений фазового фронта, вызываемых непараллельностью торцов кристалла, отклонением направления распространения света от оси кристалла, температурными градиентами и др. Это приводит к повышению,точности, разрешающей способности, коэффициента направленного действия и других параметров системы антенная решетка " когерентно-оптический процесI сор.

107584 первый и второй входы компаратора 13.

Таким образом, на одном из входов ком. паратора при неизменной мощности лазера I образуется последовательность импульсов одинаковой амплитуды, на другом — сигналы, средний уровень которых зависит от величины естественного двулучепреломпения в каждом из каналов модулятора 5. После прохожде- 10 ния фильтра нижних частот 12 эти сигналы приобретают вид импульсной последовательности длины N; амплитуда каждого импульса последовательности несет информацию о дополнительном фа- 15 зовом сдвиге в каждом из каналов мо" дулятора 5 ° По сигналам на выходе компаратора 13 осуществляется определение необходимой величины компенсирующего напряжения, подаваемого на 20 каждый из И каналов модулятора 5.Реализовать эту операцию можно при помощи известных аналоговых схем, однако построение N-канального фазового корректора на основе цифровых схем позволяет достигнуть большей однородности структуры и расширить область устойчивой работы устройства. Послед" нее обстоятельство особенно важно в связи с тем, что монотонное изменение дополнительного фазового сдвига под действием, например, разогрева кристалла проходящим оптическим излучением требует соответствующего увеличения уровня компенсирующего напряжения. 35

Это .напряжение компенсирует фазовый сдвиг, однако его абсолютная величина может выйти за пределы, допустимые для кристалла, либо необходимое

его значение может оказаться выше ра- 40 бочих напряжений элементов схемы фазового корректора !7. В связи с этим возникает необходимость такого построения схемы корректора, которое, используя свойство периодичности ха- 45 рактеристики электрооптического модулятора, осуществляет "сброс" предела регулирования на величину удвоенноF0 полуволнового напряжения (2 Ug), т.е. в случае, если необходимая ве- 50 личина компенсирующего напряжения

U T 2 UrÄ, на модулятор подается

Uêîìo U — 2 U так, что в любом случае У щ„п E (0,2 U . ). Осуществляется это следующим образом. Синхронно 55

1075843

22

Редактор О.Юркова Техред M.Дидык Корректор M.Ñàìáoðñêàÿ

Закаэ 1059 Тираж 381 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно"издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина, 101