Акустооптоэлектронный спектроанализатор

 

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в системах радиолокации, радиосвязи, радиоастрономии. Целью изобретения является повышение частотного разрешения и длительности обрабатываемых сигналов. Спектроанализатор содержит источник 1 когерентного света (импульсный лазер), генератор 2 синхроимпульсов, генератор 3 опорного радиосигнала, светоделитель 4, объективы 5, 6 коллиматора сигнального пучка, акустооптический модулятор 7 тракта сигнального пучка, четвертьволновую фазосдвигающую пластинку 8, сферический и цилиндрический объективы 9, 10, отражательные зеркала, полупрозрачное зеркало 12, объективы 14, 15 коллиматора опорного пучка, акустооптический модулятор 16 тракта опорного пучка, сферические объективы 17, 19, фильтрующую диафрагму 18, матрицу 20, экран 21 с двумя щелевыми отверстиями, устройство 22 управления, аналого-цифровые преобразователи 23, 24, модуль 25 последетекторной обработки, магистраль 26, ЭВМ 27. Алгоритм функционирования устройства приводится в описании изобретения. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 01 R 23/17

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АBTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4407522/24-21 (22) 11.04.88 (46) 15.12.90. Бюл. № 46 (71) Ленинградский политехнический институт им. М,И. Калинина (72) И.А. Водоватов, М.Г. Высоцкий, ° В.П. Каасик, В.Ю. Петрунькин и В.Г, Самсонов (53) 621.317.757(088.8) (56) Есепкина Н.А. и др. ЖТФ, 1982, т, 82, № 3, с. 540-543.

Арм. Кинг, Зарубежная радиоэлектроника, 1970, № 5, с. 37-48. (54) АКУСТООПТОЭЛЕКТРОННЫЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР (57) Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в системах радиолокации, радиосвязи, радиоастрономии. Пелью изобретения является повышение частотного разрешения и длительности обрабатываемых сигналов. Устройство

„„SU„„1613971 A 1

2 содержит источник 1 когерентного света (импульсный лазер), генератор 2 синхроимпульсов, генератор 3 опорного радиосигнала, светоделитель 4, объективы 5, 6 коллиматора сигнального пучка, акустооптический модулятор 7 тракта сигнального пучка, четвертьволновую Аазосдвигающую пластинку 8, сферический и цилиндрический объективы 9, 10, отражательные зеркала 11, полупрозрачное зеркало

12, объективы 14, 15 коллиматора опорного пучка, акустооптический модулятор 16 тракта опорного пучка, сферические объективы 17, 19, фильтрующую диафрагму 18, матрицу 20, экран 21 с .двумя щелевыми отверстиями, устройство 22 управления, аналого.цифровые преобразователи 23, 24> модуль 25 последетекторной обработки, магистраль 26, ЭВМ 27, Алгоритм функционирования устройства приводится в описании изобретения, 2 ил.

1613971

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в системах радиолокации, радиосвязи, радиоастрономии. цель изобретения — повьш ение частотного разрешения и длительности обрабатываемых сигналов.

На фиг. 1 представлена структур,но-функциональная схема спектроана- 10 ,лизатора; на. фиг . 2 — функциональная схема модуля последетекторной; обработки. (Спектр оанализатор (фиг. 1} содер жит источник 1 когерентного света (импульсный лазер}, генератор 2 синхроимпульсов, генератор 3 опорного радиосигнала, светоделитель 4,, объективы 5 и 6 .коллиматора сигнального пучка, . акустооптический мо- 20 ,.дулятор 7 тракта сигнального пучка (AON<), электрически соединенный с входом спектроанализатора, четвертьволновую фазосдвигающую пластинку 8, сферический 9 и цилиндрический 25

10 объективы, отражательное зеркало

11, полупрозрачное. зеркало 12, отражатеяьнае зеркало 13, объективы

14 и 15 коллиматора опорного пучка, акустооптический модулятор 16 тракта опорного пучка (AOMg), сферический объектив 17, фильтрующую диафрагму

18, сферический объектив 19, многоэлементный матричный ПЗС-фатоприем- ник 20, экран 21 с двумя щелевыми отверстиями, устройство 22 управления, аналого-цифровые преобразователи 23 и 24, модуль последетекторной обработки,(МЦЦО) 25, магистраль

26, ЭВМ 27, 40

МПЛО содержит (фиг .. 2) первоечетвертое постоянные запоминающие устройства (ПЗУ -ПЗУ ) 28-31, первую-четвертую, схемы сравнения (СС СС1) 32-35, коммутатор 36., первый и второй счетчики 37 и 38, первый умножитель 39, первый сумматор 40, пятое и шестое. постоянные запоминающие устройства (ПЗУ 4 1 и ПЗУ6 42) . второй и третий умножители 43 и 44, второй и третий сумматоры

45 и 46, первый и второй буферные регистры 47 и 48, первый. и второй блоки памяти 49 и 50, седьмое и восьмое постоянные запоминающие устройства (ПЗУ7 51 и ПЗУ6 52) четвертый

55 сумматор 53.

Элементы 1, 4 - 21 соединены оптически, электрически с оединены элементы 1 и 2, 2 и 3, 3 и 16, Элементы 5-12 входят в оптический тракт сигнального пучка, элементы 13-19 вхоцят в оптический тракт опорного пучка „Генератор 2 синхроимпульсов

2 электрически соединен с генератор ом 3 опорного радиосигнала.

Спектроанализатор работает следующим образом.

Анализируемый сигнал поступает на входы двухканального АОИ, 7. Акустические волны, возбуждаемые радиосигналом, распространяются в звукопроводе AON . В момент заполнения ультразвуком всей апертуры

AON< с помощью генератора 2 синхроимпульсов запускается импульсный лазер 1 .. Пучок света, испускаемый лазером, с помощью светоделителя 4 делится на две части, которые далее распространяются в оптических трактах сигнального и опорного пучков.

В тракте сигнального пучка свет расширяется объективами 5 и 6 .коллиматора, Выходящий из объектива 6 свет освещает AON 7. При этом с помощью оптической стеклянной пластинки, установленной,между объективом 6 и

AON< фаза световой волны, освещающей один из каналов (для определенности первый канал), задерживается на 90 относительно фазы световой волны, освещающей другой канал . Когерентный свет дифрагирует на акустических волнах и в выходной плоскости оптической схемы устройства, куда свет попадает после отражения от зеркал 11 и 12, с помощью астигматической системы объективов 9 и 10 в первом дифракционном порядке формируются две группы световых пятен, Вдоль направления распространения ультразвука эти пятна соответствуют частотному спектру сигнала, а в перпендикулярном направлении — изображениям двух каналов AON .

Одновременно с распространением света в тракте сигнального пучка в тракте опорного пучка свет расширяется объективами 14 и 15. Выходящий из объектива 15 свет. освещает

AON> 16, возбуждаемый генератором 3 опорного радиосигнала. Далее с помощью двух сферических объективов 17 и 19 и расположенной между ними диафрагмы 18 выделяется пучок первого порядка, оптическая частота которого близка к частоте света. сигнального

1613971 тракта. Этот пучок в выходной плоскости оптической части схемы интерферирует со световыми пятнами сигнального оптического тракта.

Регистрируемые в выходной плоскости световые распределения представляют собой голограммы спектра анализируемого сигнала, причем благодаря наличию фазосдвигающей пластины 8 фазовые соотношения между опорным и сигнальным пучками двух голограмм отличаются на 90 . Измеряя интенсивности о света в выходной плоскости, можно найти амплитуду и фазу сигнального пучка, т. е. определить спектральный состав сигнала.

Измерение интенсивностей света производится с помощью многоэлементного матричного ПЗС-фотоприемника 20

20, светочувствительные элементы которого расположены в выходной плоскости оптической схемы. При этом строки матрицы параллельны направлению распространения ультразвука в AON . 25

Вплотную к ПЗС-.матрице установлен непрозрачный экран 21 с двумя. щелевыми отверстиями, размеры каждого из которых равны размерам строки матрицы. Экран и матрица размещены З0 так, что освещаются лишь две строки матрицы, наиболее удаленные от регистров сдвига. (ц (г из условия (1) = (", (4)"

Подбором наклона полупрозрачного зеркала 12 достигается коллинеарность распространения. сигнального и опорного световых пучков. Напряжения, регистрируемые на элементах двух строк

ПЗС-матрицы, пропорциональны интен- 40 сивностям света I и Х 1, падающего на эти элементы (к, — номер элемента строки) . Соответствующие им напряженности светового поля U y и Ugg представляют собой результат вектор- 45 ного сложения напряженностей опорного

U „и сигнального Uz) пучков. При э т ом фа з ы сиг нал ь ног о пуч ка бла г одаря наличию фазосдвигающей пластинки отличаются на 90 . Опуская для простоты индекс номера элемента строки, связь между напряженностями светового поля записывают в виде

Как следует из соотношении (Я и (6), спектр сигнала по интенсивности может бьггь вычислен по формуле

jF<(k)) =(Ц соа((с(а-\)à-Ll )Г

n l +(. V<< sin (k(n-1)à — 4l 4 g . (7) n=(i (I f ol + ("с + 2 (o//U(.(п (() 1) 55

Б(2 lUo(2 +(П (г + 2/Uo//Uo/ соя(() где ((— сдвиг фазы между напряженностями опорного и сигнального световых полей на первой

"открьггой" строке матрицы.

Пз системы (1) находят интенсивность сигнального светового поля, а также его фазу:

I = - ((+ I )—

Г с 2L(2 (4(I, + 1 — I ) I, — (I,— 1 ) )) (2а) (и,l = -,(1,; (2а)

1 0 (., = ar(-san -- (I<- Io- I() +

З )"

f(1 ((= arccns — -(-— -а. (1 — 1 - 1 ), (Зб) — интенсивность опорного пучка.

Значение фазы должно бьггь выбрано

Найденные значения напряженности

Р(1) = /и „ /e " (5) представляют собой парциальный спектр сигнала. Повторяя процесс регистрации интенсивностей I 1 g u I <1 N раз через интервалы времени, равные времени распространения ультразвука в AOi и,. производя соответствующие вычисления, находят N реализаций парциального спектра сигнала.

В результате сложения парциальных спектров с учетом фазовых множителей получают суммарный спектр Р (к), соответствующий спектроаналпзатору, у которого модулятор имеет в N раз большую длину, чем используемый в схеме, и в N раз большую длительность обрабатываемых сигналов:

М

Г (W) = Р (),) е 1())-() ((6)

n= где а — постоянный множитель, зависящий от параметров ЛОМ и фокусного расстояния обьектива 9;

n = 1,2,3.

1613971

Процесс вычисления парциальных

1 пектров и их сложение осуществляют помощью ИПДО 25. Оптические сигналы реобразуются в. электрические путем акопления зарядов в двух наиболее

5 даленных от регистров сдвига строках атричных секций ПЗС-фотоприемника., осле накопления зарядов зарядовый

1 ельеф, пройорциональный интенсивности10 оптического сигнала,.под действием актирующих фазных напряжений, форруемых устройством 22 управления, ереносится в соседние строки. Через ромежуток времени, равный,, снова егистрируются распределения света т,д. Таким образом,. по истечении ромежутка времени,. равного N, в строках каждой секции. ПЗС-матрицы получают 0 голографически зарегистрированных.парциальных спектров °

После заполнения заданного числа строк обеих секций матрицы, определ ляемого временной задержкой ь сигнала в апертуре AON 7 и длительностью анализируемого сигнала, осуществляется их вывод через верхний и нижний регистры сдвига (ВРС и EEPG).

По измеренным интенсивностям на выходах BPC u HPC в k-й. такт съема информации, а также ранее измеренной интенсивности опорного пучка I в соответствии выражениями (2а) и (2б)

" на выходах ПЗУ 28 и ПЗУ 29 формируются соответственно k-й отсчет интенсивности парциального сигнала

I „и модуль напряженности этого сигнала (Ut «(. При этом ПЗУ1 реализует выражение (2а), а ПЗУ выполняет функцию извлечения квадратного корня. 1 0

Одновременно коды сигналов, снимаемых с регистров сдвига, поступают на первую группу адресных входов ПЗУ 30 и ПЗУ 31, а на другую группу поступа.ет код сигнала Т.с при этом на вьмо» дах ПЗУ и ПЗУ1 формируются коды сигналов, пропорциональные возможным сдвигам фазы измеряемого сигнала относительно фазы опорного сигнала в соответствии с выражениями (3a) и. (3б)»

Окончательный выбор правильного фазо0 вого сдвига в соответствии с выражением (4) осуществляется с помощью набора схем сравнения. СС -СС4 (32-35) и управляемого сигналами с их выходов коммутатора 36, сигнал с выхода кото-.55 рого поступает .на вход сумматора 40.

Для нахождения отсчетов суммарного спектра необходимо выполнить операцию кргерентного накопления в соответствии с выражением (6) . Величины

k(n-1) вычисляют с помощью счетчиков

37 и 38, текущего адреса опрашиваемого элемента ПЗС-матрицы и умножителя 39. На выходе сумматора 40 .формируется код, пропорциональный аргументу. косинуса и. синуса в выражении (7), которые реализуются на выходах

ПЗУ 41 и ПЗУ 42, а на вьмодах умножителей 43 и 44 получаются косинусные и синусные составляющие искомого сигнала. По мере вывода отдельньм строк из ПЗС-матрицы в блоках 49 и 50 памяти осуществляется накопление этих составляющих, которые после вывода и преобразования всех 2N строк сигнала вводятся в память ЗВМ. При этом осуществляется возведение в квадрат с помощью ПЗУ. 51 и ПЗУ 52 и суммирование квадратов на сумматоре

53. Результат суммирования через магистраль 26 поступает в память ЗВМ 27, В результате в памяти ЭВМ формируется энергетический спектр сигнала длительностью НФ с разрешением в N раз большим, чем у обычного спектроанализатора с такими же параметрами модулятора.

Предлагаемый спектроанализатор имеет существенно лучшее разрешение по частоте и большую длительность обрабатываемых сигналов по сравнению с известными. При одинаковых типах используемых акустооптических модуляторов эти показатели улучшаются в N раз, где N — число складываемьм парциальных спектров. При этом неизменной остается полоса обрабатываемых сигналов, таким образом в N раз растет число разрешимых точек.

Наличие ИПДО .позволяет вести спектральньй..анализ в реальном масштабе времени, т.е. со .скоростью, равной скорости поступления входньм данных.

Формула и з о бр ет ения

Акустооптоэлектронный спектроанализатор, содержащий оптически соединенные импульсный лазер, синхронизируемый от генератора синхроимпульсов, электрически соединенного с генератором опорного радиосигнала, светоделитель, образующий оптический тракт сигнального пучка, состоящий из последовательно оптически соединенных коллиматора, акустооптич еского моду- . лятора, электрически соединенного

9 16 с входом спектроанализатора, преобразующей системы объективов, отражательного зеркала, полупрозрачного зеркала и оптический тракт опорного пучка, состоящий из оптически-последовательно соединенных отражательного зеркала, второго коллиматора, второго акустооптического модулятора, электрически соединенного с генератором опорного радиосигнала, сферического объектива, фильтрующей диафрагмы и второго сферического объектива, а также регистрирующее устройство, о т л и ч а ю щ и й.с я тем, что, с целью повышения частотного разрешения и длительности обрабатываемых сигналов, акустооптический модулятор в тракте сигнального пучка выполнен двухканальным, между коллиматором сигнального пучка и одним из каналов модулятора установлена четвертьволновая фазосдвигающая пластинка, преобразующая система объективов выполнена астигматической, причем ее фокальное расстояние в плоскости, параллельной осям ультразвуковых каналов модулятора, равно расстоянию от этой системы объективов до регистрирующего устройства, регистрирующее устройство выполнено в виде многоэлементного матричного фотоприемника на основе прибора с зарядовой связью, перед которым вплотную помещен непрозрачный экран с двумя отверстиями, которые по размерам равны строке матрицы, расположены напротив строк, наиболее удаленных от регистров сдвига, и оптически связаны с соответствующими каналами модулятора, при этом матрица фотоприемников электрически соединена с устройством управленин и через два аналого-цифровых преобразователя электрически соединена с модулем последетекторной обработки, который состоит из восьми . постоянных запоминающих устройств, четырех блоков сравнения, коммутатора, двух счетчиков трех умножителей, четырех сумматоров, двух буферных регистров, двух блоков памяти, причем первая группа адресных входов первого запоминающего устройства через первый аналого-цифровой преобразователь соединена с аналоговым выходом верхнего регистра сдвига матрицы, а вторая группа адресных входов через второй аналого-цифровой преобразователь соединена с аналоговым

13971

55 выходом нижнего регистра, причем выходы первого постоянного запоминающего устройства соединены с адреснылI входами второго постоянного запоминающего устройства и первыми адресными группами третьего и четвертого постоянных запоминающих устройств, вторые адресные группы которых подключены к цийровьм выходам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, а выходы третьего и четвертого постоянных запоминающих устройств попарно соединены с входами первой — четвертой схем сравнения, выходы которых связаны с управляющими входами коммутат ора, информационные входы которого также подключены к выходам третьего и четвертого постоянных запоминающих устройств, а выход соединен с первым входом:; первого сумматора, второй вход которого связан с выходом первого умножителя,входы которого соединены с первым и вторым счетчиками, счет-. ные входы которых связаны с выходами синхронизации устройства управления, выход первого сумматора подсоединен к входам пятого и шестого постоянных запоминающих устройств, выходы которых соединены с выходом второго постоянного запоминающего устройства, а выход второго и третьего умножителей соединены с первыми входами второго и третьего сумматоров соответственно, выходы которых связаны с информационными входами первого и второго буферных регистров, выходы которых подключены к информао ционным входам первого и второго блоков памяти, а также к вторым входам второго и третьего сумматоров, а также входам седьмого и восьмого постоянных запоминающих устройств, выходы которых соединены с входами четвертого сумматора, выход которого подключен к магистрали электронной вычислительной машины, причем адресные входы первого и второго блоков памяти соединены с выходом первого счетчика, а входы синхронизации с соответствующим выходом синхронизации устройства управления, управляющие шины которого подключены к фазным электродам матрицы фотоприемников, а информационно-адресные шины — к магистрали электронной вычислительной машины.

16139 71

Составитель N. Коновалов

Те»ед Л.Олийнык Корректор А.Обручар

Редактор Т. Юрчикова

Заказ 3891 Тираж 561 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Ъ

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101