Акустооптический спектроанализатор с интегрированием во времени

 

Изобретение относится к области оптической обработки информации. Цель изобретения - повышение точности измерений. Устройство содержит источник 1 когерентного света, коллиматор 2, акустооптическим модулятор 3, оптический транспарант 4, софокусные линзы 5, 6 с диафрагмой 7 в их общей фокальной плоскости, двумерный матричный фотоприемник 8, контроллер 9, ЭВМ 16. Цель изобретения достигается введением генератора 10 синусоидальных сигналов на частоте ω<SB POS="POST">о</SB>, равной центральной частоте акустооптического модулятора 3, а коэффициент пропускания оптического транспаранта 4 вычисляется по формуле, приведенной в описании. Кроме того, в электронно-цифровую часть введены блок 11 формирования разности сигналов двух соседних элементов строки фотоприемника, аналого-цифровой преобразователь 12, постоянное запоминающее устройство 13, буферный регистр 14, сумматор 15. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)5 G 01 R 23/17

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ (21) 4459070/24-21 (22) 03.05.88 (46) 07,06.90,Бюл. № 21 (71) Ленинградский политехнический институт им. M.È, Калинина (72) В.Ю. Петрунькин, H.À. Бухарин и В.Г. Самсонов (53) 621.317.757(088.8) (56) Kellman P. Optical Engenering, 1980, v. 19, 11 3, р. 370-373.

Патент C1UA ¹ 3634748, кл. G 01 R 23/16, 1972. (54) АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОАНАЛИЭАТОР С ИНТЕГРИРОВАНИЕМ ВО ВРЕМЕНИ (57) Изобретение относится к области оптической обработки информации. Цель изобретения — повыщение точности измерений. Устройство содержит источник

1 когерентного света, коллиматор 2,,SU„„1569739 A 1

2 акустооптический модулятор 3, оптический транспарант 4, софокусные линзы 5 6 с диафрагмой 7 в их общей фокальной плоскости, двумерный матричный фотоприемник 8, контроллер 9, ЭВМ 16. Цель изобретения достигается введением генератора 10 синусоидальных сигналов на частоте Я, равной центральной частоте акустооптического модулятора 3, а коэффициент пропускания оптического транспаран-. та 4 вычисляется по формуле, приведенной в описании, Кроме того, в электронно-цифровую часть введены блок 11 формирования разности сигналов двух соседних элементов строки фотоприемника, аналого-цифровой преобразователь 12, постоянное запоминающее устройство 13, буферный регистр 14 сумматор 15, 1 ил.

1569739

Изобретение относится к области оптической обработки информации и предназначено для анализа спектров сигналов в реальном масштабе времени с высоким разрешением.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На чертеже представлена структурно-функциональная схема спектроанализатора.

На схеме показаны источник 1 когерентного света, коллиматор 2, акустооптический модулятор 3 (АОМ), оп: тический транспарант 4, софокусно

,расположенные линзы 5 и 6, диафраг:ма 7, двумерный фотоприемник 8, контроллер 9, генератор 10 синусоидальных сигналов, блок 11 формирования разности сигналов двух соседних элементов строки фотоприемника (БФР), аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП), постоянное запоминающее устройство.13 (ПЗУ), буферный регистр

14 (БР), сумматор 15, унифицированная магистраль 16 ЭВМ.

Источник 1, коллиматор 2, АОМ 3, оптический транспарант 4, проекционная система 5-7 и двумерный фотоприемник 8 на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрица), расположенный в выходной фокальной плоскости проекционной системы, последовательно оптически соединены, причем диафрагма 7 расположена в общей фокальной плоскости софокусных линз 5 и 6.

Контроллер 9 электрически соединен с ПЗС-матрицей 8 и унифицированной магистралью ЭВМ 16. Электрический вход

АОМ 3 подключен к входу спектроана лиэатора. Генератор 10 с частотой равной центральной частоте АОМ 3, подключен к источнику 1. Коэффициент пропускания оптического транспаранта 4 равен

1 f "И 3 f1 (2 +1) (1+с» X сов (+ х х к.«р к, 3 I,V ъ 9 р 11 кХ-{К вЂ” К+ К)

У- 211 1-(2К+8п+1)

dY ат н где Ч вЂ” скорость распространения звуковых волн в звукопроводе акустического модулятора;

43р- центральная частота АОМ;

Х,У вЂ” координаты в плоскости АОМ, причем ось Х параллельна

10 направлению распространения ультразвука в звукопроводе модулятора;

D — - апертура модулятора вдоль оси Х;

4У.„ — размер рабочей зоны оптической системы вдоль оси У;

N — - число элементов в строке двумерного фотоприемника;

1 z 1, 1к! а/2, (а ) !О, IzI )а/2, где z Y- (2К+8п+!);

d Ynъ

15 2(( а=бУ.„,/N.

Аналоговый выход фотоприемника 8 соединен с БФР ll а ее выход — с входом АЦП 12, выход последнего соединен с адресной шиной ПЗУ 13, шина данных которого соединена с входом

БР 14 и вторым входом сумматора 15, причем первый вход сумматора 15 соединен с выходом BP 1 4, а выход — с

25 унифицированной магистралью ЭВМ 16, кроме того, второй выход синхронизации контроллера 9 подключен к второму входу синхронизации БФР ll и входу синхронизации АЦП 12, а первый, третий и четвертый выходы синхронизации контроллера 9 подключены соответственно к первому входу синхронизации блока 11, входам синхронизации БР 14 и сумматора 15.

Спектроанализатор работает следующим образом.

Анализируемый сигнал

f (t) =cos (С(1 +(), где t — время;

40 (4 — круговая частота;

tf — фаза сигнала, поступает на пьезопреобразователь

АОМ 3. Звукопровод АОМ 3 освещается плоской волной когерентного света

45 от источника 1, сформированной коллиматором 2. Свет дифрагирует на звуковых волнах в эвукопроводе АОМ 3, работающем в режиме дифракции Брзгга, а световое поле в плоскости, расположенной непосредственно за модулятором, равно

Е, E (Iejyexpj(V(t- — - 2„)+tfjI, (2)

Х D где Ео — амплитуда света перед АОМ1 ь) — индекс модуляции световой

55 волны акустическими волнами в звукопроводе АОМ;

Х вЂ” координата в направлении распространения звука в зву5 156 копроводе АОМ, начало которой находится на оптической оси системы;

Е) — апертура АОМ, В выражении (1) учтены только составляющие светового поля, которые формируют нулевой и плюс первый порядки дифракции.

Сразу за модулятором расположен оптический транспарант 4 с коэффициентом пропускания по полю, равным

G= — (1+соз ЬХ(У,+Y)7, 1 где — коэффициент пропорциональности;

Y — координата в направлении, перпендикулярном направлению распространения звука в звукопроводе AOM 3.

Учитывая только плюс первый порядок дифракции света, в плоскости за транспарантом получают к -е, ) jpexpjpu(t- — — — )+ (pI +

Х P

+ вЂ, exp-jj)x(Y,+Y)I . (3)

Перевернутое изображение звукопровода АОМ с транспарантом проецируется в выходную плоскость устройства с помощью проекционной системы, состоящей из софокусно расположенных линз

5 и 6 и диафрагмы 7, Наличие диафрагмы 7 позволяет в выражении (3) учитывать только +1 порядок дифракции света, так как остальные составляющие можно отфильтровать из-за их пространственного разделения в задней фокальной плоскости линзы 5.

9739

Т =I (1+соя() с).

В выходной плоскости устройства расположена ПЗС-матрица фотоприемников 8, работающая в режиме сдвига

20 и суммирования. Пусть элементы матрицы имеют бесконечно малые размеры, тогда накопление зарядов происходит в каждой точке выходной плоскости, причем точки накопления перемещаются

25 со скоростью S в направлении, противоположном направлению оси Х в выходной плоскости. Скорость S=D/Т, где

Т вЂ” время накопления сигнала, определяющее разрешение спектроанализатора.

3р Связь между частотой входного сигнала и координатой Y в выходной плоскости устанавливается уравнением

Ч) )в+PS(Y()+Y)

S (5)

Для определения его констант удобно ввести следующие начальные условия: частоте Co= кк) соответствует коо ордината Y=O полосе спектрального анализа о(о щ- интервал в выходной

4О. плоскости ДУ.,„. Тогда распределение зарядов вдоль регистра сдвига ПЗС-мат- рицы 8 имеет вид (а()- ЛМ ) (1+ — ) —

Y S Т ч

"aY V 2 )

Y S T

) йУ Ч 2 . (и +вы)) (6)

t встречного движения ультразвуковых волн в звукопроводе AOM и зарядов в ПЗС-матрице вклад в интеграл дает сигнал длительностью Т (1+8/V). Скорость S как правило, на три порядка меньше скорости Ч, Поэтому в большин1 стве случаев с хорошей степенью точ ности можно считать df„„„ =I/Т. Время накопления зарядов в I 3(-матрице мо, жет достигать сотен миллисекунд при

sin (2

Т P к cos б()(й+ — )+ (-—

2 2Ч

Если проекционная система не меняет масштаб изображения, то интенПоложение его главного максимума по координате Y линейно связано с частотой входного сигнала. Частотное разрешение такой системы из выражения (6) равно

Df

1 (7)

Т (1+ — )

Коэффициент (I+S/V) в знаменателе отражает тот факт, что вследствие сивность свеча в ее выходной плоскости равна

Х P

Y=YÄ(jyexpj((t- — — — )+ PJ+

+ - ехр-jj3X(Y +Y)J, где Х„ — интенсивность падающего на модулятор света.

Так как интенсивность света на выходе источника 1 когерентного света модулируется сигналом генератора 10 синусоидальных сигналов, настроенным на центральную частоту АОМ(), то

1569739 комнатной температуре. Следовательно, разрешение спектроанализатора может составлять единицы герц.

Соотношение для выходного сигнала (6) получено в предположении бесконечно узких по координате Х элементов ПЗС. Учесть конечный размер элементов можно, если проинтегрировать это соотношение по времени в промежутках d t соответствующих времени прохождения зарядов со скоростью

S интервала 8Х равного размеру элемента вдоль оси Х. Очевидны следующие соотношения:

Т

4Х=Б э Л = — в где М вЂ” число элементов в столбце матрицы ПЗС.

Согласно теореме Котельникова результат такого интегрирования хорошо аппроксимирует распределение (6), если промежутки dг. по крайней мере в два раза меньше периода косинуса. Минимальное его значение достигается при бы=а(в /?, т ° е. на краю полосы обзора. Следовательно

27! дс ( ш

Так как д(и -"2МЯ ц„К, где К вЂ” число разрешимых точек спектроанализа— тора, то из последнего соотношения следует М) К, т.е. число элементов в столбце матрицы должно быть не меньше числа разрешимых точек спектроанализатора. Число элементов ПЗС в строке матрицы N определяет число частотных каналов устройства и должно в два раза превосходить число разрешимых точек спектроанализатора.

Тогда на главный максимум распределе" ния (б) приходится два элемента строки, т.е, два столбца.

Функция пропускания оптического транспаранта 4 — выражение (1) позволяет в каждом частотном канале получать четыре составляющих, соответствующих четырем значениям у в выражении (6) ! р, -о,, - !1, - !!! г, у =3 /г.

Причем эти составляющие последовательно выводятся через сдвиговый регистр ПЗС-матрицы 8. Электронноцифровая часть обрабатывает сигналы каждой четверки элементов по алгоритму ф (Y,t)=gg(Y,t, q )-cP(Y,t, q )g+ СФ(t, ЧЗ)-ф(.t,ч,)2 ° (8) 5 !

О

l5

55 где ф (Y, t, g определяется из выражения (6) .

Данная задача решается следующим образом.

Аналоговый выход ПЗС электрически связан с входом БФР 11,аналогичного по структуре известной схеме двой-ной коррелированной выборки (ДКВ).

БФР !1 формирует на выходе напряжение, пропорциональное разности сигналов двух соседних отсчетов на выходе

ПЗС-матрицы 8. В известной схеме ДКВ стробирование обоих входов осуществляется в пределах такта вывода сигнала одного элемента строки для фиксации шумовой компоненты и выборки информационной составляющей сигнала, В предлагаемом устройстве стробирование БФР Il осуществляется сигналами синхронизации, формирующимися контроллером 9 в соседних тактах вывода сигналов двух элементов строки, Сигнал разности соседних элементов с выхода BOP !! o T e H a AUII

12, осуществляющего преобразование аналогового сигнала в эквивалентный цифровой код. Запуск АЦП 12 осуществляется спадом сигнала синхронизации контроллера 9, Цифровой код разности далее поступает на адресные входы ПЗУ 13, предварительно запрограммированного на реализацию функции возведения в квадрат, Шина данных

ПЗУ 13 соединена с информационным входом БР 14 и вторым входом сумматора 15. БР 14 реализует функцию хранения кода квадрата разности двух соседних отсчетов, его выход соедииен с первым входом сумматора 15. Запись кода в БР 14 осуществляется по фронту сигнала контроллера 9. Выход сумматора 15 соединен с магистралью 16

ЭВМ, причем сигнал, определяемый выражением (8), формируется на выходе сумматора в момент прихода сигнала контроллера 9. Сигналы контроллера 9, поступающие на БР 14 и сумматор 15, совпадают соответственно с сигналами, поступающими на АЦП 12 и БФР 11, только их частота в два раза меньше.

Предлагаемый акустооптический спектроанализатор с интегрированием во времени обладает существенными преимуществами перед известным. Здесь полоса пропускания АОМ не должна превышать полосу анализа устройства, Кроме того, анализируемый сигнал поступает непосредственно на пьезопре9739 10 сигналов двух соседних элементов строки фотоприемника, а его выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифро5 вого преобразователя соединен с адрес" ной линой постоянного запоминающего устройства, шина. данных которого соединена с входом буферного регистра и

)p. вторым входом сумматора, причем первый вход сумматора соединен с выходом буферного регистра, а выход — с унифицированной магистралью ЭВМ, второй выход синхронизации контроллера подключен к второму входу синхронизации блока формирования разности и входу синхронизации аналого-цифрового преобразователя, а первый, третий и четвертый выходы синхронизации контроллера, подключены соответственно к первому входу синхронизации блока формирования разности, входам синхронизации буферного регистра и сумматора, при этом коэффициент G

25 пропускания оптического транспаранта равен

Акустооптический спектроанализатор с интегрированием во времени, содержащий оптически связанные источник когерентного света, коллиматор, акустооптический модулятор, электрический вход которого соединен с входом спектроанализатора, оптический транспарант, проекционную систему, состоящую из двух софокусно расположенных линз с диафрагмой в общей их фокальной плоскости, и двумерный фотоприемник на основе приборов с

35 зарядовой связью, расположенный в выходной фокальной плоскости проекционной системы, электрически соединенный с контроллером, электрически соединенным с унифицированной магистралью ЭВМ, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены генератор синусоидальных сигналов с частотой 45 равной центральной частоте акустооптического модулятора, соединенный с источником когерентного света, элект- D— рически соединенные блок формирования разности сигналов двух соседних 50 ду

l6 элементов строки фотоприемника, аналого-цифровой преобразователь, по- N стоянное запоминающее устройство, буферный регистр и сумматор, причем аналоговый выход фотоприемника соединен с блоком формирования разности

2

a=S(i K--4

ЗО 3 9 ) (( х Х-(K — — К + — К)

2 2 2/"

dYm

Y- — (2К+Зп+ )

dY /N где V— 40 о о х,у—!

z 1 (),. )z! <а!2, а J 0, ) z! >а/2, 9 )56 образователь АОМ, а не модулирует по амплитуде ЛЧМ-сигнал, как в извест-ном. Использование ЛЧМ-сигнала в данном случае вообще не требуется. Отсутствие амплитудной модуляции в электрическом тракте позволяет максимально использовать динамический диапазон АОМ, При этом расширяется и динамический диапазон всего устройства в целом, что повышает точность измерений спектра входного сигнала. Предлагаемая последетекторная обработка ., сигналов позволяет в реальном масшта бе времени вычислять и вводить в память ЭВМ спектр входных сигналов независимо от начальной фазы сигналов без пространственной несущей. Спектроанализатор позволяет вычислять спектр СВЧ-сигналов с разрешением порядка единиц герц.

Формула изобретения скорость распространения звуковых волн в эвукопроводе акустооптического модулятора; центральная частота акустооптического модулятора; координаты в плоскости акустооптического модулятора, причем ось Х параллельна направлению распространения ультразвука в звукопроводе модулятора; апертура модулятора вдоль оси Х; размер рабочей зоны оптической системы вдоль оси У; число элементов в строке двумерного фотоприемника;