Когерентно-оптический процессор с автофотогетеродинированием

 

Изобретение относится к аналоговым вычислительным машинам, более конкретно к устройствам, в которых математические операции выполняются с помощью оптических или электрооптических элементов. Цель изобретения - повышение точности обработки и КПД процессора по свету при реализации Фурье-преобразования в заданной пространственно-частотной области . Процессор содержит модулятор света 1, софокусные собирающие линзы 2 и 3, управляемый транспарант 4 (5,6), фотоприемники 7 и 9 с узкими зрачками 8, а также усилители промежуточной частоты 10 и 11. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 06 Е 3/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ х.у х2

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4809368/24 (22) 04.04.90 (46) 15.05,92. Бюл, ¹ 18 (71) Московский авиационный институт им.

Серго Орджоникидзе (72) Е.И.Воронин, А.Ю,Гринев, А.А.Рымов и

B,С,Темченко (53) 621.317(088.8) (56) Воскресенский Д.И. и др. Радиооптические антенные решетки, М,; Радио и связь, 1986, с. 179, Там же, с. 194, рис. 3.14. (54) КОГЕРЕНТНО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР С АВТОФОТОГЕТЕРОДИНИРОВАНИЕМ

».. Ж 1734088 А1 (57) Изобретение относится к аналоговым вычислительным машинам, более конкретно к устройствам, в которых математические операции выполняются с помощью оптических или электрооптических элементов, Цель изобретения — повышение точности обработки и КПД процессора по свету при реализации Фурье-преобразования в заданной пространственно-частотной области, Процессор содержит модулятор света 1, софокусные собирающие линзы 2 и 3, управляемый транспарант 4 (5, 6), фотоприемники

7 и 9 с узкими зрачками 8, а также усилители промежуточной частоты 10 и 11. 1 ил.

1734088

Изобретение относится к аналоговым вычислительным машинам или к устройствам, в которых математические операции выполняются с помощью оптических или электрооптических элементов.

Цель изобретения — повышение точности обработки и КПД процессора по свету при реализации Фурье-преобразования в заданной пространственно-частотной области, 10

На чертеже изображена схема когерентно-оптлческого процессора (КОП) с автофотогетеродинированием, КОП содержит М-канальный пространственно-временной модулятор света 15 (ПВМС) " длины Лх, установленный в его входной плоскости П,х на пути коллимированного света Ео и управляемый комплексными сигналами < U = (U1ÄÄ,Um,...бм). На расстоянии 1от ПВМС1 установлена первая 20 собирающая линза 2 с фокусным расстоянием f, На расстоянии 2 f от линзы 2 установлена вторая собирающая линза 3 с фокусным расстоянием f. В общей фокальной плоскости л, первой и второй собираю- 25 щих линз 2 и 3 установлен управляемый транспорант УТ 4 с управляемым противофазным возмущением 5 ширины дх и постоянным противофазным возмущением 6 такой же ширлны дх на оптической оси КОП, 30 (+1) которые совмещены соответственно с по0) лезным порядком дифракции ея и нулем порядком дифракции е, В качестве YT 4 мсжно использовать оптически управляемый транспарант на жидком кристалле (ЖК), 35

В выходной плоскос.ги КОП П на расстоянии f за второй собирающей линзой 3 установлен фотоприемник 7 с входным зрачком 8 ширины дф. Предлагаемая схема позволяeò использовать и второй фото- 40 приемник 9 (например ФЭУ) с таким же зрачком дф для работы в другом диапазоне частот. С этой целью фотоприемники 7 и 9 подключены к усилителям промежуточной частоты (УПЧ) 10 и 11 соответственно, с вы45

ХОдНЫМИ СИГНаЛаМИ йб.,хб И Ьби . ЗраЧКИ 8

ФЭУ 7 и 9 ширины дф совмещены с краями иэображения ПВМС 1 ширины Лв плоскосТМ Пвых

Предлагаемый КОП с автофотогетеродинированием работает следующим образом.

Работу КОП рассмотрим на примере обработки простРанственно-вРеменного (ПВ} сигнала < u), принимаемого элементами линейной эквидистантной антенной решетки (АР). В этом случае ПВ-сигнал < u) вводится в КОП с помощью ПВМС 1 путем его просвечивания во входной плоскости П„ коллимированным пучком света Ео, Считанный пучок света подвергается Фурье-преобразованию первой собирающей линзой 2, в результате чего в ее задней фокальной плоскости Л формируется оптический образ (осуществляется визуализация) углового спектра радиоисточников, расположенных в дальней зоне AP в виде так называемых

+.1-х порядке дифракции, При этом формируется также неуправляемый нулевой порядок дифракции, который всегда фокусируется на оптической оси КОП в плоскости л и практически не зависит от управляющего ПВ-сигнала < u) с точностью до нелинейных эффектов. Пусть .АР регистрирует ПВ-сигнал, возбуждаемый точечным объектом q с координатой Оч, Тогда согласно в случае использования однополосного (Ф1)

П BMC 1 будет сформирован 1-й порядок еч типа, сдвинутый на поднесущую пространственную частоту мха = mx 7fiq = mxKcos6q, где (+1) . ахи = kxq/f(xq — координата центра eq ">, m, = hZ/Лx — масштаб моделирования AP длины Ы с помощью ПВМС 1 длины Лх;тггя

Ксоэдя — пространственная частота (обоб-, щенная угловая переменная) объекта q; К, k — волновые числа радио- и световой волн.

При этом уравнения и0-го" и и+1-го" порядков дифракции будут иметь вид

e оз„1а (%Ц й(о,;ee> (x(exl) =

= F,6Х(ЪЦ в пс (Сд,/ЯЯх, (tj

" (f ) =- T ""е" (ы — 1 Ы) х = x- xc где Л вЂ” длина волны света; F() = ((...)ехр(— I(uxx)dx — оператор прямого — 0,5 одномерного Фурье-преобразования; (Af) — размерный коэффициент (M ), характеризующий преобразование света линзой 2 в измерении х;

1, Ixl»< Лх/2 гесс(х/Л х) =

О, IxI >h,õ/2;

siпс(Nxl ) = si11(IAu)i (ло г Йд„);

ООЬ = 2зр Ьз- полуширииа образа (1 по "нулям": Т )0,5 Ihl/LQA = ДЭпвмс" — безразмерная величина, квадрат которой равен дифракционной эффективности

llBMC 1 (ДЭпвмс = КПДпвмс по свету относительно полезного порядка дифракции);

Uk — полуволновое напряжение ПВМС.

В соответствии с изобретением образ

О-порядка дифракции (1) используется в дальнейшем как гетеродинный пучок, а образ+1-го порядка (2) — как сигнальный пучок, 1734088 (4) подл ежащий когерентному фотодетектиро- Вследствие IU< I «U М обеспечива(1) ванию (гетеродинированию). Для этого оба ется lT l«1, что необходимо для норэтих пучка должны быть смешаны на вход- мальной (линейной) работы фотоприемника ном зрачке 8 фотоприемника 7 (или 9). С 7.Приполосовойфильтрацииеговыходного этой целью образы (1) и (2) умножаются на 5 сигнала на частоте IlB сигналаС0 с выхода (ивзвешиваютсяи) бифазный УТ 4 с функ- УПЧ 10(и 11) выделяется электрический сигцией пропускания (прозрачностью), равной нал, комплексная амплитуда которого пропорциональна интегралу по зрачку 8 фотоприемника 7 от произведения комплек10 сных амплитуд смеси (5)

Т(в,) = 1 — 2reCt(Cu,б-дх)— осахт3

0,5 ах — 2ГЕС1((ах — Вх )б-,;дх ), (3) д5ах.3у (Т Е, (066Лэч3 ) l цхр(- 6Э„ Х) )Х)=

Здесь д» вЂ” ширина противофазных возмугцении 6 и 6 УТ 4, которая е оптимаяаном Э6 случае составляет лтУ 0,6 ЬХ x = 2 0,5453» = 1,08 Зкх Ь<, л 5

=Е, е п(гп »Co69 v53@)jm„XCoS9< Т) где дх =йо»1Л =З/Ьх -- полуширина об- 20 Отсюда видно, что при дф (кбшхя, lil разов (1) " (2) по нулям ЕоТ()0,уф те, выходной сигнал УПЧ 10 проВозмущения 5 и 6 нвыте- яю™ све-0- порционален размеру зрачка 8. Последнее вые порядки (1) и (2) за пределы интервала имеет место и при классическом фотогете--х Выходной плоскости П ы»,КОП, Распре- родинировании. Однако с ростом дф сигнал

Деление с в а вне э о о интервала можно (7) достигает своего максимума при

25 определить как обратное преобразование

8 - (ux 6/Упх52„ен;(Д2/ДХ)К=ДХ((ДЕ/05Л =

ФУРье (Э) " От ДифРактогРаммы Tje + = (м=(В-2,..., о- )

eq у), формируемый за УТ 4 в плоскости 3

Е (Ы вЂ” Е Т" уут К о 6 )

= Е,(х)+Т(Е.(х}ехр (-le х). (5)

Р xg где все величины определены выше.

Здесь Оценим КПД по свету, которое достигается ст(х)=-Естес (х елl-2с F ° гес1 а —ò,9;}6лs,.пс, ;д )3 )} в этом случае. Предельный результат фоток к гетеродинирования достигается, когда

=- Ео ЕСт(Х!6Л)-9ой ) 26ХГЕС) (ду (5,О6""CO j = в»6) = 0 и зрачок 8 ширины Лх наложен

-Е,гесд(х/ал)-2 0,66 Е,s)ncjxG„/Ъ )непосредственно на ПВМС 1

= Ео (1 Гбск (Х (ел)) 65пС (5 Oh XIÄÕ) (g дифрактограмма гетеродинного ) (, 2 (1) (9)

40 (опорного) пучка света, полученного из нулевого порядка дифракции, Поэтому

Таким образом, предлагаемый КОП КПД,и) ) „,/);) обеспечивает смешение (5) на общем зрачке

8 КОП сигнального (2) и гетеродинного (6) 45 г е M = 6270,51 — число элементов АР (канапучков света, При этом оба из них проходят где единый оптический путь вдоль оптической лов ПВМС 1). B случае прототипа вместо оси КОП, что исключает взаимные деюсти- curHana (7) РегистриРУетсЯ: ровки пучков вследствие неидеальностей зеркал в прототипе, неточности их установ50 ки и конечнои аременнои когерентности Ч ); „т

65 дх коллимированного света ЕО. Отмеченное -05Дг5 (Ц) обстоятельство обеспечивает более высокую точность обработки ПВ < u сигнала по где пола а Ющ = г е полагалось иь = 0 и 0,5 = с авнению с прототипом, Вследствие ис- 55 обусловлено наличием полупрозрачного сравнению с и ототипом, пользования в качестве гетеродинного пуч- зеркала на выходе про выхо е КОП и ототипа, а То— нулевого порядка р д дифракции прозрачность (по амплитуде) первого его обеспечивается также и более высокий КПД частично-проз ачного зеркала. Поскольку процессора по снегу. Оценим это. то м1, а э — т, o —, (.1734088 достигается при To = 0,7), то справедлива оценка, „,ьх моксх ОМ ЕоТ Sine(O S3y(3„) ф, (12)

Правая часть (12) максимальна при дф =

=дх =1,08В/Ьх и приблизительно равна

«, DX оо0Я5 о,25ЕО Т х х 1,0 Ь д k! ьх -= 0,1ò Е, 4Я: в типовом случае M < 100, то предлагаемый

КОП по крайней мере в 3 раза имеет более высокое КПД по свету, Таким образом, предлагаемый КОП с ав5 тофотодетектированием позволяет повысить точность обработки и КПД по свету при реализации Фурье-преобразования в заданной пространственно-частотной области.

10 Формула изобретения

Когерентно-оптический процессор с автофотогетеродинированием, содержащий пространственно-временной модулятор света, установленный в передней фокаль15 ной плоскости первой собирающей линзы, конфокальной с второй собирающей линзой, в общей фокальной плоскости которых установлен управляемый транспорант, в выходной плоскости когерентно-оптического

20 процессора с автофотогетеродинированием установлен фотоприемник, подключенный выходом к входу усилителя промежуточной частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности обработки и

25 КПД процессора по свету при реализации

Фурье-преобразования в заданной пространственно частотной области, выходная плоскость когерентно-оптического процессора с автофотогетеродинированием со30 вмещена с задней фокальной плоскостью второй собирающей линзы, а фотоприемник имеет входной щелевой зрачок шириной д = (10 — 10 )ЬХ, где ЛХ вЂ” размер пространственно-временного модулятора света, причем щелевой зрачок смещен на

ЬХ/2 от оптической оси.

Сопоставляя (13) с (9), получаем следующую оценку для КОП прототипа:

КПД2 (" "C Q 1 (14)

11 МаКСмакс

Поскольку в типичной ситуации имеет Лх 10 МЯ = 10 м, f = 1 м, то

КПД< 0,0117,, Однако при этом следует иметь в виду, что это предельное значение КПД2 м1 не обеспечивает нормальное фун к ционирование фотоприемника 7 в режиме гетеродинирования, поскольку при этом что в 10 раз превышает аналогичное соотношение в случае предлагаемого КОП.

Поэтому первое частично прозрачное зеркало должно иметь ослабление порядка

T0 = 10 . Поэтому реальное КПД прототипа составляет порядка 0,1 Согласно (10) такое КПД предлагаемого КОП имеет место .при порядке М = 300 элементов. Поскольку

45

Составитель Е,Воронин

Техред М.Моргентал Корректор M. Êó÷åðÿâàÿ

Редактор А.Долинич

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 1Q1

Заказ 1670 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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