Оптическое устройство для фильтрации сигналов
ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ, содержащее четыре полупрозрачных зеркала, первый и второй источники монохроматического света, первьй и второй динамические транспаранты, первый и второй Фурье преобразующиё лементы ,пространствен но-частотный фильтр и генератор тактовых импульсов,при этом первый динамический транспарант установлен между первым и вторым полупрозрачными зеркалами , второй динамический транспарант установлен между третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами, йространственно-частотный фильтр установлен в частотной плоскости между первым и вторым Фурье-преобразующими элементами, первый динамический транспарант выполнен из материала , сенсибилизированного к длине волны второго источника монохроматического света и снабжен зеркалом, селективным к длине волны первого источника монохроматического света, второй динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизи . рованного только к длине волны первого источника монохроматического света, выход первого источника монохроматического света через второе полупрозрачное зеркало и зеркало первого динамического транспаранта, а выход второго источника монохроматического света через третье полупрозрачное зеркало оптически связаны с входом второго динамического транс . паранта, первый и второй выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и второго источников монохроматического света, а третий и четвертый выходы генератора такто о Эых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и второго динамических транспарантов , отличающееся тем, что, с целью расширения класса обрабатываемых сигналов за счет опти мальной фильтрации скалярных марковских процессов, в устройство введены оптический интегратор, первый и второй транспаранты комплексного пропускания , три канала оптической обработки информации и генератор функций, причем оптический интегратор, выход { Ьо которого является - выходом устройства , выполнен в виде последовательно 00 установленных выходного транспаранта и линзы, и расположен за первым полупрозрачным зеркалом, первый транспарант комплексного пропускания установлен между первым Фурье-преобразующим элементом и вторым полупрозрачным зеркалом, второй транспарант комплексного пропускания установлен между вторым Фурье-преобра
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН
1 (l9) (11) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ
ОПИСАНИЯ ИЗОЬГКткНиЯ
Н Р В ТИР С НЕМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ
С
11
Уи 1
Š— ЕМ ВРИ И-,„-,, с - . (21) 3558070/24=24 (22) 22.02.83 . (46) 23.02.85. Бюл. В 7 (72) Ю.Г. Булычев, С;И. Кузнецов, В.М. Павлов, В.Н. Таран и В.В. Хуторцев (53) 681.333(088.8) (56) 1. Ван Тряс Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Т. 2, М., "Советское радио", 1975, с. 212.
2. Василенко Т.И. Теория восстановления сигналов. М., "Советское радио", 1979, с. 245, рис. 3.16 (прототип). (54)(57) ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ
ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ, содержащее четыре полупрозрачных зеркала, первый и второй источники монохроматического света, первый и второй. динамические транспаранты, первый и второй Фурье>преобразующие элементы, пространствен- но-частотный фильтр и генератор тактовых импульсов,при этом первый динамический транспарант установлен между первым и вторым полупрозрачными зеркалами, второй динамический транспарант установлен между третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами, пространственно-частотный фильтр установлен в частотной плоскости между первым и вторым Фурье-преобразующими элементами, первый динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного к длине волны второго источника монохроматического света и снабжен зеркалом, селективным к длине волны первого источника монохроматического света, второй динамический транспарант выполнен иэ материала, сенсибилизи4(5l) G 06 G 9/00; Н 03 Н 17/00 рованного только к длине волны первого источника монохроматического света, выход первого источника монохроматического света через второе полупрозрачное зеркало и зеркало первого динамического транспаранта, а выход второго источника монохроматического света через третье полу1 прозрачное зеркало оптически связаны с входом второго динамического транспаранта, первый и второй выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к элекТрическим входам первого и второго источников монохроматического света, а третий и четвертый выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и второго динамических транспаран1 тов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения класса обрабатываемых сигналов за счет опти мальной фильтрации скалярных марковских процессов, в устройство введены оптический интегратор, первый и второй транспаранты комплексного пропускания, три канала оптической обработки информации и генератор функций, причем оптический интегратор, выход которого является выходом устройства, выполнен в виде последовательно установленных выходного транспаранта и линзы, и расположен за первым полупрозрачным зеркалом, первый транспарант комплексного пропускания установлен между первым Фурье-преобразующим элементом и вторым полупрозрачным зеркалом, второй транспарант комплексного пропускания установлен между вторым Фурье-преобра-
1141428
10
25.зующим элементом и третьим полупрозрачным зеркалом, первый канал оптической обработки информации выполнен в виде последовательно расположенных вдоль оптической оси третьего транспаранта комплексного пропускания, третьего Фурье-преобразующего элемента, комплексного пространственно- . частотного фильтра, четвертого Фурье-преобразующего элемента и четвертого транспаранта комплексного . пропускания, второй канал оптической обработки информации выполнен в виде
° мозаичного оптоэлектронного модулятора, снабженного Н электрическими входами, третий канал оптической обработки информации выполнен в виде оптоэлектронного модулятора, электрический вход которого соединен с выходом фотодетектора, а вход фото детектора через интегрирующую. линзу оптически связан с выходом мозаичного оптоэлектронного модулятора, при этом выход второго динамического
Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, а точнее к оптическим вычислительным устройствам, и может быть использовано для решения задач оптимальной нелинейной фильтрации скалярных марковских процессов в радиотехнике.
Известно устройство оценки сигнала по минимуму среднеквадратической ошибки, содержащее генератор функций, сумматоры, интеграторы и квадратичные устройства t1j .
Однако оценка, получаемая на выходе устройства, приближенная и кроI ме того, это устройство предназначено для нелинейной фильтрации .очень узкого класса скалярных марковских процессов, а именно процессов гауссовского типа.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство восстановления сигнала итерационным методом, основанном на алгоритме последовательных приближений
Бургера и Ван Ситтера, содержащее четыре полупрозрачных зеркала, первый транспаранта оптически связан с входом оптического интегратора, выход первого динамического транспаранта оптически связан с входами первого и третьего транспарантов комплексного пропускания, а также с входом мозаичного оптоэлектронного модулятора и с входом оптоэлектронного модулятора, вход второго динамического транспаранта оптически связан с выходами второго и четвертого транспарантов комплексного пропускання, а также с выходом мозаичного оптоэлектронного модулятора и с выходом оптоэлектронного модулятора, каждый из
У электрических входов мозаичного оптоэлектронного модулятора через квадратор и сумматор подключен к соответствующему выходу генератора функций, вход которого подключен к пятому выходу генератора тактовых импульсов, а вторые входы сумматоров являются входом устройств.а. и второй динамические транспаранты, первый и второй Фурье-преобразующие элементы, пространственно-частотный фильтр и генератор тактовых импульсов, при этом первый динамический транспарант установлен между первым и вторым полупрозрачным зеркалами, второй динамический транспарант установлен между третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами, пространственно-частотный фильтр установлен в частотной плоскости между первым и вторым Фурье-преобразующими элементами, первый динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного к длине волны второ.го источника монохроматического света и снабжен зеркалом, селективным к длине волны первого источника монохроматического света, второй динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного только к длине волны первого источника монохроматического света, выход первого источника монохроматического света через. второе полупрозрачное
1141428 4 зеркало и зеркало первого динамического транспаранта, а выход второго источника монохроматического света через третье полупрозрачное зеркало оптически связаны с входом второго динамического транспаранта, первый и второй выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и второго источников монохроматического1О света, а третий и четвертый выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и второго динамических,транспарантов (2) .
К недостаткам устройства можно отнести ограниченность класса решаемых задач.
Целью изобретения является расши- . рение класса обрабатываемых сигналов за счет оптимальной фильтрации скалярных марковских процессов.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее ,четыре полупрозрачных зеркала, первый
-25 и второй источники монохроматического света, первый и второй динамические транспаранты, первый и второй
Фурье-преобразующие элементы, пространственно-частотный фильтр и генератор тактовых импульсов, при этом первый динамический транспарант установлен между первым и вторым полупрозрачными зеркалами, второй динамический транспорант установлен между 35 третьим и четвертым полупрозрачными зеркалами, пространственно-частотный фильтр установлен в частотной плоскости между первым и вторым Фурьепреобразующими элементами, первый 40 динамический транспарант выполнен иэ .материала, сенсибилизированного к длине волны второго источника монохроматического света и снабжен зерка.лом, селективным к длине волны пер- 45 вого источника монохроматического света, второй динамический транспарант выполнен из материала, сенсибилизированного только к длине волны первого источника монохроматическога 50 света, выход первого источника монохроматического света через второе полупрозрачное зеркало и зеркало первого динамического транспаранта, а выход второго источника монохрома- 55 тического света через третье полупрозрачное зеркало оптически связаны с входом второго динамического транспаранта, первый и второй выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и второго источников монохроматического света, а третий и четвертый выходы генератора тактовых импульсов подключены соответственно к электрическим входам первого и чторого динамических транспарантов, введены Оптический интегратор, первый и второй транспаранты комплексного пропускания, три канала оптической обработки информации и генератор функций, причем оптический интегратор, выход которого является выходом устройства, выполнен в виде последовательно установленных выходного транспаранта и линзы, и расположен за первым полупрозрачным зеркалом, первый транспарант комплексного пропускания установлен между первым Фурье-преобразующим элементом и вторым полупрозрачным зеркалом, второй транспарант комплексного пропускания установлен между вторым
Фурье-преобразующим элементом и третьим полупрозрачным зеркалом, первый канал оптической обработки информации выполнен в виде последовательно расположенных вдоль оптической оси третьего транспаранта комплексного пропускания, третьего Фурье-преобразующего элемента, комплексного пространственно-частотного фильтра, четвертого Фурье-преобразующего элемента и четвертого транспаранта комплексного пропускания, второй канал оптической обработки информации выполнен в виде мозаичного оптоэлектронного модулятора, снабженного N электрическими входами, третий канал оптической об работки информации выполнен в виде оптоэлектронного модулятора, электрический вход которого соединен с выходом фотодетектора, а вход фотодетектора через интегрирующую линзу оптически связан с выходом мозаичного оптоэлектронного модулятора, при этом Выход второго динамического транспаранта оптически связан с входом оптического интегратора, выход первого динамического транспаранта оптически связан с входами первого и третьего транспарантов комплексного пропускания, а также с входом мозаичного оптоэлектронного модулятора и с входом оптоэлектронного модулятора, вход второго динамического транс1141428 паранта оптически связан с выходами второго и четвертого транспарантов комплексного пропускания, а также с выходом мозаичного оптоэлектронного модулятора и с выходом опто- 5, электронного модулятора, каждый из Я электрических входов мозаичного оптоэлектронного модулятора через квадратор и сумматор подключен к соответствующему выходу генератора функций, 10 вход которого подключен к пятому выходу генератора тактовых импульсов, а вторые входы сумматоров являются входом устройства.
На фиг.1 представлена структурная 15 схема оптического устройства для
l фильтрации сигналов; на фиг.2 схема второго канала оптической обработки информации; на фиг.3— схема третьего канала оптической 20 обработки информации.
Оптическое устройство для фильтрации сигналов включает в себя первый
1 и второй 2 источники монохроматического света, освещающие соответст- . венно первый 3 и второй 4. динамические транспаранты. На пути света, отразившегося от первого динамического транспаранта расположены первый
ЗО
5 и второй 6 Фурье-преобразующие элементы, между которыми установлен пространственно-частотный фильтр 7.
Синхронизация работы источников 1 и, 2 и транспарантов 3 и 4 осуществляется с помощью генератора 8 тактовых З5
-импульсов. Выходом устройства служит оптический. интегратор 9. Устройство также содержит первый 10, второй 11 и третий 12 каналы оптической обработки информации и генератор 13 функции, при этом оптический интегратор 9 содержит выходной транспарант 14 и линзу 15, перед первым 5
Фурье-преобразующим элементом установлен первый транспарант 16 комплек-45 сного пропускания, за вторым 6
Фурье-преобразующим элементом установлен второй транспарант комплексного пропускания 17, а первый канал
10 оптической обработки информации состоит из третьего транспаранта комплексного пропускания 18, третьего Фурье-преобразующего элемента 19, комплексного пространственно-частотного фильтра 20, четвертого Фурьепреобразующего элемента 2 1, четвертого транспаранта комплексного пропускания 22. Второй канал 11 оптической обработки информации состоит из мозаичного оптоэлектронного модулятора 23, каждый из и электрических выходов которого через квадратор 24 и сумматор 25 подключен к выходу генератора 13 функций. Третий канал
12 оптической обработки информации состоит из оптоэлектронного модулятора 26, фотодетектора 27 и интегрирующей линзы 28. Оптическая связь между элементами устройства осуществляется при помощи полупрозрачных зеркал 3 -3<0 .
Работу устройства можно описать следующим выражением, представляющим измененную форму уравнения Стратоновича
I где В (%А)- апостерисрная плотность вероятности; (,Г%® 5(м)) ) (1 - входной сигнал; г и à — операторы прямого.и обратного преобразования
Фурье.
Решением уравнения (1) является апостериорная плотность вероятности фильтруемого процесса. Знание последней позволяет находить оптимальную оценку искомого параметра, являющегося скалярным марковским процессом.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии значение9 О,О) записано на втором динамическом транспаранте 4, На первом динамическом транспаранте 3 запись отсутст вует, первый и второй источники монохроматического света выключены. На первом такте первого цикла тактовый импульс с генератора 8 включает второй источник монохроматического света 2 и функции Vl(5,Qj записывается на первьй динамический транспарант 3 (запись на втором динамическом транспаранте 4 при этом остается). Часть светового потока, несущего информацию о Я(Ъ,О) через первое полупрозрачное зеркало, транспарант 14 и линзу формирует начальное значение оценки в соответствии с выражением
1141428 т.е. Ъ (01
Вторым тактовым импульсом с гене5 ратора 8 запускается генератор функций 13 на N выходах которого формируется И значений Б(а,tI:
5(9.„,С 1,5(1)г,о),„,, g(qД,p ) ..
Третьим импульсом с генератора 8 включается первый источник 1 монохроматического света и функция W (%,0) ,переписывается из первого динамичес- 15 кого транспаранта 3 (в отраженном свете) во второй динамический транспарант 4. При этом на выходе второго
17, четвертого 22 транспарантов компЛексного пропускания, а также на выходе второго 11 и третьего 12 кана, лов оптической обработки информации формируются соответственно второе, третье, четвертое и пятое слагаемые выражения (1), которые суммируются на втором динамическом транспаранте
4 вместе с хранящимся там @(%,pj. Формирование второго слагаемого осуществляется на элементах канала, состоящего из первого транспаранта
1б комплексного пропускания с за30 лисью на нем коэффициента К выполнения прямого преобразования Фурье элементом 5, фильтрацией сигнала пространственно-частотным фильтром
7 с передаточной функцией Н (И)
= 2)) y (., выполнения обратного преобразования Фурье элементом 6 и умМ ножением сигнала на — вторым
2 транспарантом 17 .комплексного пропускания. Аналогичные преобразования осуществляются и в первом канале 10 обработки информации, в котором на транспаранте 18 записан коэффициент
К1 на транспаранте 22- Й, а фильтр .
20 имеет передаточную функцию H2=
= 2((Q t . Структура второго канала, изображенная на фиг.2, осуществляет модуляцию светового потока при помощи модулятора 23, на входы которого через квадраторы -24 и сумматоры 25 поступает входной сигнал, сложенный со значениями 6(y,gj, полученными от генератора 13 функций. В результате интегрирования, поступающего на линзу 28 четвертого слагаемого и модуляции им потока с Q(q $) с помощью. фотодетектора 27, на выходе которого формируется сигнал (М) -t))t = f Г(эЬ- ) й)а(,{п ) ЙЯ,, на выходе канала 12 образуется сигнал пятого слагаемого выражения (1).
При сложении всех слагаемых в результате первого цикла на втором динамическом транспаранте 4 записано л л
4(hot)osÜÎ)« —, Г{(к«Ц(кк(ъo)w(ho)«h))-кй {i«oft,(ho)o1(hog)) «F(h o) w (oo) ht - После этого с генератора 8 на первый динамический транспарант 3 подается импульс стирания предыдущей информации. Во втором цикле все операции повторяются и функция)Й(%,Ц используется для вычисления функции М(Ъ,2аЯ на втором шаге и т.д. Таким образом, в конце A -цикла на динамическом транспаранте 4 записана функция «л Дл л «1«(Кnhtl=h«h(h ln-hht ({(кк),((„(, (к «) к )« "vf(hin-«Iht)))-otal{«h«7(k,(o,(n-«)ht) к «а (к(«1)ь )1) 1 Г(к (к«) кк) ««11 (к(кк- Ilht) ht — На выходе интегратора (выходе устройства) после и -циклов сформированы оценки искомого параметра a(t): ф (p) ...,,.g (g g$), совокупность которых и дает решение задачи нелинейной .фильтрации скалярных марковских сигналов. Основными достоинствами предлаl гаемого фильтра являются: возможность фильтрации широкого класса скалярных марковских процессов; высокое быстродействие; простота настройки (раэносФь хода волн, возникающая в устройстве между световыми пучками и их неодинаковая интенсивность устраняются выбором соответствующих расстояний между элементами фильтра и введением вспомогательных транспарантов с постоянными коэффициентами пропускания). 1141428 1141428 Заказ 497/37 Тираж 710 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель Г. Зелинский Редактор Ан. Шандор Техред Л.Иикеш Корректор О. Билак
