Оптический спектроанализатор

 

Изобретение относится к спектральному анализу и предназначено для использования в системах обработки низкочастотных электрических сигналов. Цель увеличение длительности обрабатываемых сигналов. Спектроанализатор содержит последовательно оптически связанные лазер 1, коллимирующую систему линз 2, магнитооптический модулятор света 3, поляроид 8, систему линз Фурье-преобразователя 9 и устройство 10 визуализации двумерного изображения 10, а также носитель записи сигнала в виде магнитной ленты 4 с лентопротяжным механизмом 5 и блок 6 записи сигнала из4М магнитных головок. Для достижения цели в Спектроанализатор введена диафрагма 7, выполненная в виде N одинаковых окон в форме параллелограммов,, расположенных друг за другом в направлении, перпендикулярном протяжке ленты 4. В одном из вариантов входы магнитных головок блока записи 6 соединены с вхрдом спектроанализатора через соответствующие каналы многоотводной линии задержки 11.2 йл. ••*•**^

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4

Ql

1ю (21) 4756596/21 (22) 04.11.89 (46) 23.02.92. Бюл, ¹ 7 (71) Ленинградский электротехнический институт связи им, проф. А,А, Бонч-Бруевича (72) В,З.Гуревич, Э.И,Крупицкий, С,В.Морозов, В.Ю.Пелевин, Т.Н,Сергеенко и

В.И.Яковлев (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 898857, кл, G 01 R 23/16, 1980.

Авторское свидетельство СССР

N 1454091, кл, G 01 R 23/17, 1990. (54) ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР (57) Изобретение относится к спектральному анализу и предназначено для использования в системах обработки низкочастотных электрических сигналов.

Цель увеличение длительности обрабатываИзобретение относится к спектральному анализу низкочастотных электрических сигналов оптическими методами и может быть использовано в системах оптической обработки и анализа электрических сигналов, в частности речевых, для формирования наиболее информативного представления их в виде сонограм, т.е. представления их в координатах частотавремя, Известно устройство, позволяющее осуществлять анализ низкочастотных электрических сигналов, например, акустооптическим методом. его оптическая часть содержит оптически связанные лазер, оптический затвор, коллимирующую систему линз, акустооптический модулятор света, „„5U„„1714532 А1 (5!)5 G 01 R 23/17 емых сигналов, Спектроанализатор содержит последовательно оптически связанные лазер 1, коллимирующую систему линз 2, магнитооптический модулятор света 3, поляроид S, системулинз Фурье-преобразователя 9 и устройство 10 визуализации двумерного изображения 10, а также носитель записи сигнала в виде магнитной ленты

4 с лентопротяжным механизмом 5 и блок 6 записи сигнала изб магнитных головок. Для достижения цели в спектроанализатор введена диафрагма 7, выполненная в.виде N одинаковых окон s форме параллелограммов,. расположенных друг за другом в направлении, перпендикулярном протяжке ленты 4. В одном из вариантов входы магнитных головок блока записи 6 соединены с входом спектроанализатора через соответствующие каналы многоотводной линии задержки 11. 2 ил. интегрирующую линзу и линейку ПЗС, а электронная часть состоит из последовательно связанных блоков: АЦП, вход которого является входом устройства, ОЗУ, ЦАП, балансного модулятора, второй вход которого связан с электрическим входом акустооптического модулятора света. Работа всего устройства обеспечивается броком управления. В устройстве осуществляется акустооптическийвход электрических сигналов, Для согласования частотно-временных параметров исследуемого сигнала и акустооптического модулятора света в нем используется специально разработанный электронный компрессор.

Однако это устройство не позволяет осуществлять формирование сонограмм, 1714532 так как оно фиксирует лишь спектральное распределение в определенный момент времени.

Известно устройство, позволяющее осуществлять спектральный анализ сигнала, записанного на фотопленку в виде модуляции по плотности, Модулированный световой пучок проходит через треугольную диафрагму, а затем осуществляется его преобразование Фурье. В Фурье-плоскости формируется изображение всех спектральных распределений сигнала с различным разрешением, изменяющимся непрерывно от однй стороны треугольной диафрагмы к другой.

Однако это устройство, во-первых, работает с задержкой формирования спектра на время фиксации сигнала на фотопленке, а во-вторых, позволяет формировать мгновенное спектральное распределение отрезка сигнала небольшой длительности, но не формирует его представления в координатах частота-время.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является оптический спектроанализатор, состоящий из лазера, коллимирующей системы линз, магнитной записывающей головки, носителя сигнала с системой протяжки, электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) со шлюзом, магнитооптического кристалла, поляроида, устройства преобразования Фурье и видикона, расположенного в плоскости регистрации.

Исследуемый сигнал записывается электронным лучом ЭЛТ на магнитном носителе сигнала, протягиваемом с помощью лентопротяжного механизма через шлюз со скоростью V, Зарегистрированная сигналограмма поступает в плоскость магнитооптического кристалла и локально перемагничивает структуру его магнитных доменов в соответствии со структурной остаточной намагниченности носителя сигнал а. Считы вание осуществляется монохроматической плоской волной с линейной поляризацией. После отражения от поверхности магнитооптического кристалла промоДулированный свет фильтруется поляроидом и осуществляется его спектральное преобразование с помощью устройства преобразования Фурье в виде интегрирующей линзы. Результат спектрального анализа регистрируется с помощью видикона, установленного в спектральной плоскости линзы преобразования Фурье, на экране монитора.

Однако это устройство позволяет формировать мгновенное спектральное распределение обрабатываемого отрезка сигнала, но не обеспечивает режима формирования, спектральной картины в координатах частота-время. При этом длительность отрезка обрабатываемого сигнала невелика и определяется скоростью протяжки магнитной

5 ленты и апертурой магнитооптического кристалла. В конечном счете это не позволяет обеспечить полный анализ исследуемого сигнала с точки зрения динамики процесса.

Целью изобретения является повыше10 ние качества анализа сигнала путем увеличения длительности обрабатываемого сигнала и получения двумерного отображения сигнала в координатах частота-время формированием мгновенных спектров в ре15 жиме бегущего окна (сонограмма сигнала).

Указанная цель достигается тем, что в схему оптического спектроанализатора, содержащего оптически связанные лазер, коллимирующую систему линз, 20 магнитооптический модулятор света с апертурой I х I, носитель сигнала с системой протяжки, поляроид и видикон, введена диафрагма, установленная между магнитооптическим модулятором света и поляроидом, 25 Диафрагма выполнена в виде N одинаковых, вытянутых вдоль направления протяжки носителя сигнала окон, расположенных параллельно и непосредственно друг под другом и имеющих форму параллелограм30 мов со стороной р вдоль направления протяжки, другой стороной d и острым углом а. причем

N =—

M где  — база обрабатываемого сигнала;

M — число элементов разрешения магнитооптического модулятора света на длине

40 1(база модулятора); ф

IN

М

45 где NöK — число частотных каналов устройства;

d = — SIfl Q;

50 а = arccos (1 — — — N }

N«

Носитель сигнала выполнен в виде маг55 нитной ленты с записывающими головками, расстояние между центрами которых

С = dsin й, а устройство преобразования

Фурье выполнено в виде анаморфотной системы линз.

1714532

5 верхности МОМС 3. Монохроматический поляризованный свет от лазера 1 коллими20

35. бирующее окно смещения и, следовательно, 40 в устройство оказывается введенными раз55 мощью N записывающих головок 6. Для обеспечения непрерывности в формироваПри этом для реализации задержки сигнала во времени N записывающие магнитные головки могут быть установлены на одной линии, перпендикулярной направлению движения носителя, и их входы связаны с соответствующими N выходами многоотводной линии задержки, вход которой является входом устройства.

N записывающих головок могут быть также расположены вдоль магнитной лен- 1 ты так, что расстояние между соседними записывающими головками вдоль направления движения носителя сигнала составляет Z = (I - р).

Таким образом, поскольку предлагае- 1 мое техническое решение имеет отличие от прототипа, оно удовлетворяет критерию

"новизна". При этом отличия изобретения . следует считать существенными, так как за-явителю не известны другие решения, в которых были бы использованы сходные отличительные признаки, приводящие к увеличению длительности сигнала, обрабатываемого в оптическом спектроанализаторе, и получению двумерного отображения 2 сигнала в координатах частота-время.

На фиг. 1 а и б приведена структурная схема предлагаемого устройства (на фиг. 1 а изображено устройство с носителем сигнала, выполненным по и. 3 формулы изобре- 3 тения, а на фиг, 1 б — с носителем сигнала, выполненным по п. 2 формулы изобретения); на фиг. 2 — диафрагма.

Устройство содержит оптически связанные лазер I, коллимирующую систему 2, магнитооптический модулятор света (МОМС) 3, вдоль магнитной поверхности которого протягивается магнитный носитель сигнала 4 с помощью лентопротяженного механизма 5, На магнитный носитель сигнала 4 запись осуществляется с помощью магнитных головок 6. Далее за МОМС расположены на одной оптической оси диафрагма 7 (вплотную к МОМС 3), поляроид

8, анаморфотная система 9 линз и видикон 4

10, расположенный в фокусе анаморфотной системы 9 линз. Причем на фиг. 1 б, в случае выполнения носителя по и. 2 формулы изобретения, дополнительно имеется многоотводная линия задержки 11, 5

Диафрагма 7 (см. фиг. 2) выполнена в виде Nодинаковых,,вы,тянутых вдоль направления протяжки носителя сигнала окон, расположенных параллельно друг другу, непосредственно друг под другом и, имеющих форму параллелограммов со сторонами р и d и острым углом а между ними.

Устройство работает следующим образом.

Злектрический сигнал, записанный на магнитный носитель сигнала (магнитную ленту) 4, с помощью лентопротяжного механизма 5 протягивается вдоль магнитной поруется системой 2 линз, проходит через диафрагму 7 и отражается от оптической поверхности магнитооптического модулятора света 3. При этом пространственное распределение напряженности магнитного поля, записанное на магнитной ленте 4,-преобразуется на оптическом выходе MOMC 3 на основе магнитооптического эффекта в соответствующее распределение поляризации отраженного от поверхности MOMC 3 света, которое с помощью поляроида (анализатора) 8 преобразуется в распределение интенсивности света. Анаморфотная система 9 линз в своей фокальной плоскости, которая является и выходной плоскостью устройства, формирует вдоль оси ю, световое распределение, отражающее спектральный состав входного сигнала, а вдоль оси со осуществляет перенос иэображения.

Выбор вида окна диафрагмы 7 обусловлен требованием обеспечения возможности получить в выходной плоскости анализатора спектры смещенных во времени выборок, т.е. формированием сонограммы сигнала (т.е. представления двумерного отображения сигнала в координатах частотавремя), При такой форме диафрагмы в пределах каждого из N ее окон (см, фиг. 2) вдоль оси (ч) формируется выборка исследуемого сигнала. Причем по мере смещения вдоль оси у временного положения в,строличные пересекающиеся выборки сигнала.

Очевидно, что степень перекрытия выборок определяется углом а. При а= 90 в анализаторе оказывается представлена всего лишь одна выборка. Использование сменных диафрагм с различным углом а. позволяет формировать спектры различных выборок. Путем изменения размера апертуры р можно регулировать разрешающую способность анализатора спектра (число частотных каналов). Наличие N окон в диафрагме 7 позволяет увеличить длительность анализируемого сигнала в N раз.путем записи его на широкую магнитную ленту с понии сонограммы длинного отрезка речевого сигнала необходимо осуществить запись ня магнитную ленту с соответствующими за1714532 х — — 7 -—

М V

В, N - =—

40

1 чк

1

45 Nslnа

d держками по дорожкам с минимальным зазором между ними. Так, при переходе с дорожки, соответствующей первому окну диафрагмы 7, на дорожку, соответствующую второму окну, необходимо задержать обрабатываемый сигнал на время где I — общий размер апертуры МОМС 3, V — скорость записи сигнала на магнитную ленту.

Расстояние между центрами записывающих магнитных головок должно составлять

С d sin a для обеспечения максимальной плотности записи.

В выходной плоскости спектроанализатора со, ву располагается приемная телевизионная камера (видикон) 10. Сигнал с ее выхода поступает на видеоконтрольное устройство, на экране. которого воспроизводится сонограмма анализируемого сигнала, Запись анализируемого сигнала на магнитный носитель 4 для обеспечения необходимой задержки может производиться двояким образом, По и. 2 формулы изобретения электрический сигнал записывается с помощью N магнитных записывающих головок 6 на магнитный носитель сигнала 4. Причем все магнитные головки 6 установлены на одной линии, перпендикулярной к направлению движения носителя сигнала 4, При этом для обеспечения возможности непрерывной последовательной записи длинного сигнала с помощью N записывающих головок 6 входы головок связаны с соответствующими N выводами многоотводной линии задержки, вход которой является входом устройства. Тогда время включения п-й записывающей головки должно быть задержано от времени включения первой записывающей головки на интервал времени

n=2...N, По и, 3 формулы изобретения электрический сигнал записывается с помощью N записывающих головок 6, расположенных вдоль магнитного носителя сигнала 4 так, что расстояние между соседними записывающими головками вдоль направления движения носителя сигнала составляет z = (1 - р), что обеспечивает ту же временную задержI — и ку t = — между сигналами, записываемыми соседними головками.

Число N записывающих головок, а следовательно, и окон диафрагмы 7 определяВ ется соотношением N = — Большинство

5 узлов, входящих в предлагаемое устройство, не требует отдельной разработки и может быть выполнено известными средствами. Источником света может служить НЕ-Ne-лазер, например, типа ЛГН10 2076; коллиматор может быть собран на двух сферических линзах или объективах.

Магнитооптический модулятор света 3, выпускаемый в настоящее время, типа ВИГРЭС-24 имеет диаметр 76 мм при разреше15 нии 30 л/мм, т,е. может обеспечить запись в квадратной апертуре 1500х1500 элементов разрешения, максимальная база обрабатываемого сигнала составляет М 1500.

Максимальное число спектральных сечений

20 сонограммы, которое можно записывать на таком МОМС, составляет Ncc = М сов а, а число разрешимых частотных каналов

N« = М(1- cos al.

Магнитным носителем сигнала 4 может

25 служить любая широкоформатная магнитная пленка. Лентопротяжный механизм 5 и записывающие головки 6 могут быть использованы от многодорожечного магнитофона. Поляроид 8 и анаморфотная система

30 9 линз обычны в исполнении.

Диафрагма 7 может быть выполнена, например, фотолитографическим способом с использованием фотошаблона, рассчитанного в соответствии с изложенным в описа35 нии. При этом число окон диафрагмы, как уже указывалось, а = arccos (1 М" N ) 50 . Многоотводная лийия задержки выполняется по известной схеме.

В качестве видикона 10 используется стандартное ПТУ, например ПТУ-42.

В предлагаемом устройстве введение

55 специально выполненной диафрагмы и анаморфотной системы линз в качестве устройства преобразования Фурье позволяет увеличить длительность обрабатываемого сигнала и формировать его представление в

1/14532

10 координатах частота-время в реальном масштабе времени.

Формула изобретения

1. Оптический спектроанализатор, содержащий последовательно оптически связанные лазер, коллимирующую систему линз, магнитооптический модулятор света, поляроид, систему линз Фурье-преобразователя и устройство визуализации двумерного изображения в ее фокальной плоскости, а также носитель сигнала в виде магнитной ленты с лентопротяжным механизмом, соприкасающейся с магнитной поверхностью магнитооптического модулятора света, и блок записи сигнала на носитель из N записывающих головок, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения фун кционал ьных возможностей путем формирования сигнала в координатах частота-время в реальном масштабе времени, между магнитооптическим модулятором и поляроидом введена диафрагма, выполненная в виде N одинаковых окон, вытянутых вдоль направления протяжки магнитной ленты, расположенных непосредственно друг под другом вдоль направления, перпендикулярного направлению этой протяжки, и имеющих форму параллелограммов со стороной р вдоль направления протяжки, другой стороной C и острым углом а между ними, при этом р= и„/M,d=lsina /N, а = arccos (1 - N«N/M), где N — число частотных каналов устройства;

M — число элементов разрешения маг5 нитооптического модулятора света на длина

l, равное линейному размеру его магнитной поверхности как вдоль, так и поперек направления протяжки магнитной ленты;

10 N=8/M где  — база обрабатываемого сигнала, а

- расстояние между центрами соседних магнитных головок блока записи сигнала в

15 направлении, перпендикулярном направлению протяжки, равно d sin а.

2. Спектроанализатор по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что N записывающих головок блока записи сигнала на носитель установ20 лены на одной линии, перпендикулярноИ направлению протяжки магнитной ленты, и их входы связаны с соответствующими К выходами многоотводной линии задержки, вход которой соединен с входом устройства, 25 3. Спектроанализатор по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что N записывающих головок блока записи сигнала на носитель расположены вдоль магнитного носителя так, что расстояние между соседними записываю30 щими головками вдоль направления протяжки магнитной ленты равно(! - р}, а входы записывающих головок соединены с входом устройства.

1714532

<5

Составитель И. Коновалов

Редактор Т. Иванова Техред М.Моргентал Корректор Т, Малец

/ ,:., Заказ 690 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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