Акустооптический приемник сложных сигналов

Изобретение относится к области оптической обработки сигналов и может быть использовано для передачи многоканальных и одноканальных сообщений по оптическим линиям связи. Техническим результатом является двукратное увеличение контролируемого временного интервала принимаемого сигнала. Для этого в акустооптический приемник, содержащий генератор опорного сигнала и последовательно размещенные на одной оптической оси источник света, коллиматор, ультразвуковой модулятор света, первую интегрирующую линзу, пространственный фильтр, вторую интегрирующую линзу и первую матрицу из n фотоприемников, введены генератор опорного напряжения, вторая матрица из n фотоприемников, n вычитателей первой группы, n вычитателей второй группы, n пороговых блоков первой группы, n пороговых блоков второй группы, первый и второй сумматоры, первый и второй весовые сумматоры, разностная схема, компаратор, а также первая, вторая, третья и четвертая линии задержки. 3 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к области оптической обработки сигналов и может быть использовано для передачи многоканальных и одноканальных сообщений по оптическим линиям связи.

Известно устройство акустооптического коррелятора радиосигналов по а.с. 987641, G 06 G 9/00, содержащее источник коллимированного света и два канала, каждый из которых состоит из последовательно расположенных на одной оптической оси ультразвукового модулятора света с двумя пьезопреобразователями, линзы прямого преобразования Фурье, линзы обратного преобразования Фурье и фотоприемника.

Известно также устройство акустооптического коррелятора по а.с. 1171818, G 06 G 9/00, содержащее расположенные последовательно на одной оптической оси источник когерентного света, коллиматор, первую цилиндрическую линзу, первый акустооптический модулятор, первую сферическую линзу, второй акустооптический модулятор, вторую сферическую линзу, вторую цилиндрическую линзу и двумерный фотоприемник.

Недостатком известных устройств является длительное время обработки выходных сигналов фотоприемников для определения приемника с максимальным сигналом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является некогерентный коррелятор с временным интегрированием, приведенный в книге В.Н.Парыгина, В.И.Балакшия. Оптическая обработка информации, стр.132, рис.4.20, принятый за прототип.

Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:

1 - источник света (источник когерентного оптического излучения);

2 - коллиматор;

3 - ультразвуковой модулятор света (акустооптическая ячейка), (УЗМС);

4, 6 - первая и вторая интегрирующие линзы;

5 - пространственный фильтр (экран);

7 - матрица (линейка) из n фотоприемников;

8 - генератор опорного сигнала.

Устройство - прототип содержит последовательно расположенные на одной оптической оси источник света 1, коллиматор 2, ультразвуковой модулятор света (акустооптическую ячейку), (УЗМС) 3, электрический вход которого является входом устройства, первую интегрирующую линзу 4, пространственный фильтр (экран) 5, вторую интегрирующую линзу 6 и матрицу (линейку) из n фотоприемников 7, n выходов которой являются соответственно n выходами устройства; кроме того, содержит генератор опорного сигнала 8, первый выход которого соединен с входом источника света 1, а второй выход - с управляющим входом матрицы из n фотоприемников 7.

Работает устройство - прототип следующим образом.

С выхода генератора опорного сигнала 8 сигнал S_оп(t) подается на источник света 1, в качестве которого обычно используется инжекционный лазер или светодиод.

Свет, излучаемый источником света 1, преобразуется в коллиматоре 2 в плоский опорный пучок, освещающий УЗМС 3.

УЗМС 3, работающий в брегговском режиме дифракции, освещается коллимированным пучком света, интенсивность которого промодулирована по закону:

где В - постоянная, обеспечивающая смещение рабочей точки пространственного модулятора на линейный участок модуляционной кривой;

С - крутизна модуляционной характеристики;

S_оп(t) - опорный сигнал.

Входной электрический сигнал, возбуждающий ультразвуковой модулятор света 3, имеет вид:

где U(t) и ϕ(t) - законы амплитудной и фазовой модуляции.

Входной электрический сигнал преобразуется пьезопреобразователем УЗМС 3 в ультразвуковой, распространяющийся вдоль апертуры УЗМС 3.

Тогда коэффициент прозрачности УЗМС 3 будет равен:

где - мнимая единица;,

- индекс фазовой модуляции;

L - толщина УЗМС 3;

λ - длина волны света;

Δn_м - максимальное изменение коэффициента преломления среды УЗМС 3 при воздействии на него сигнала единичной мощности;

х - координата вдоль УЗМС 3;

V - скорость распространения ультразвука в УЗМС 3.

Учитывая, что УЗМС 3 работает при малых индексах фазовой модуляции, т.е. Ψ≪1, коэффициент прозрачности УЗМС 3 будет равен:

и распределение интенсивности дифрагированного света на УЗМС 3 в плоскости матрицы из n фотоприемников 7:

Таким образом, в устройстве-прототипе происходит модуляция интенсивности оптического излучения входным электрическим сигналом.

Распределение интенсивности дифрагированного света (5) проецируется в плоскость матрицы из n фотоприемников 7.

При интегрировании во времени второе и третье слагаемые в правой части (5) усредняются и практически близки к нулю. Первый член описывает постоянную засветку, растущую пропорционально времени интегрирования, а последний является кросскорреляцией сигналов S_оп(t) и .

Недостатком устройства - прототипа является ограниченность временного интервала, на котором измеряется задержка сигнала, временем распространения ультразвука вдоль ультразвукового модулятора света.

Для устранения указанного недостатка в акустооптический приемник сложных сигналов, содержащий последовательно размещенные на одной оптической оси источник света, коллиматор, ультразвуковой модулятор света, электрический вход которого является входом устройства, первую интегрирующую линзу, пространственный фильтр, вторую интегрирующую линзу и первую матрицу из n фотоприемников; а также, содержащий генератор опорного сигнала, первый выход которого соединен с входом источника света, а второй выход - с управляющим входом первой матрицы из n фотоприемников, введены вторая матрица из n фотоприемников, генератор опорного напряжения, n вычитателей первой группы, n вычитателей второй группы, n пороговых блоков первой группы, n пороговых блоков второй группы, первый и второй сумматоры, первый и второй весовые сумматоры, разностная схема, компаратор, а также первая, вторая, третья и четвертая линии задержки. При этом, первая и вторая матрицы из n фотоприемников расположены в одной плоскости, отстоящей от плоскости размещения второй интегрирующей линзы на величину фокусного расстояния этой линзы. N выходов первой матрицы из n фотоприемников соединены соответственно с первыми входами n вычитателей первой группы, выходы которых соединены соответственно с входами n пороговых блоков первой группы, выходы которых соединены соответственно с n входами первого весового сумматора, выход которого является первым выходом устройства. N выходов второй матрицы из n фотоприемников соединены соответственно с первыми входами n вычитателей второй группы, выходы которых соединены соответственно с входами n пороговых блоков второй группы, выходы которых соединены соответственно с n входами второго весового сумматора, выход которого является вторым выходом устройства. Кроме этого, первый выход генератора опорного сигнала через вторую линию задержки соединен с входом источника света; второй выход генератора опорного сигнала соединен с входом и выходом четвертой линии задержки, а через третью линию задержки соединен с управляющим входом второй матрицы из n фотоприемников, причем выход четвертой линии задержки соединен с входом генератора опорного напряжения, выход которого соединен со вторыми входами n вычитателей первой группы, а через первую линию задержки - со вторыми входами n вычитателей второй группы. Выходы n вычитателей первой группы соединены соответственно с n входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом разностной схемы; выходы n вычитателей второй группы соединены соответственно с n входами второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом разностной схемы, выход которой соединен с входом компаратора, выход которого является третьим выходом устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - источник света (точечный источник когерентного оптического излучения);

2 - коллиматор;

3 - ультразвуковой модулятор света (УЗМС);

4, 6 - первая и вторая интегрирующие линзы;

5 - пространственный фильтр;

7.1, 7.2 - первая и вторая матрицы из n фотоприемников;

8 - генератор опорного сигнала;

9 - генератор опорного напряжения;

10.1₁-10.1_n - n вычитателей первой группы;

10.2₁-10.2_n - n вычитателей второй группы;

11.1₁-11.1_n - n пороговых блоков первой группы;

11.2₁-11.2_n - n пороговых блоков второй группы;

12, 13, 14, 15 - первая, вторая, третья и четвертая линии задержки;

16₁, 16₂ - первый и второй сумматоры;

17₁, 17₂ - первый и второй весовые сумматоры;

18 - разностная схема;

19 - компаратор.

Предлагаемое устройство содержит последовательно расположенные на одной оптической оси источник света 1, коллиматор 2, ультразвуковой модулятор света (УЗМС) 3, электрический вход которого является входом устройства, первую интегрирующую линзу 4, пространственный фильтр 5, вторую интегрирующую линзу 6, а также первую 7.1 и вторую 7.2 матрицы из n фотоприемников, расположенные в одной плоскости, отстоящей от плоскости размещения второй интегрирующей линзы на величину фокусного расстояния этой линзы.

N выходов первой матрицы из n фотоприемников 7.1 соединены соответственно с первыми входами n вычитателей первой группы 10.1₁-10.1_n, выходы которых соединены соответственно с входами n пороговых блоков первой группы 11.1₁-11.1_n, выходы которых соединены соответственно с n входами первого весового сумматора 17₁, выход которого является первым выходом устройства.

N выходов второй матрицы из n фотоприемников 7.2 соединены соответственно с первыми входами n вычитателей второй группы 10.2₁-10.2_n, выходы которых соединены соответственно с входами n пороговых блоков второй группы 11.2₁-11.2_n, выходы которых соединены соответственно с n входами второго весового сумматора 17з, выход которого является вторым выходом устройства.

Первый выход генератора опорного сигнала 8 соединен с входами источника света 1 и второй линии задержки 13, выход которой также соединен с входом источника света 1. Второй выход генератора опорного сигнала 8 соединен с управляющим входом первой матрицы из n фотоприемников 7.1, с входом и выходом четвертой линии задержки 15, а через третью линию задержки 14 соединен с управляющим входом второй матрицы из n фотоприемников 7.2, причем выход четвертой линии задержки 15 соединен с входом генератора опорного напряжения 9, выход которого соединен со вторыми входами n вычитателей первой группы 10.1₁-10.1_n и через первую линию задержки 12 - со вторыми входами n вычитателей второй группы 10.2₁-10.2_n.

Кроме того, выходы n вычитателей первой группы 10.1₁-10.1_n соединены соответственно с n входами первого сумматора 16₁, выход которого соединен с первым входом разностной схемы 18; выходы n вычитателей второй группы 10.2₁-10.2_n соединены соответственно с n входами второго сумматора 16₂, выход которого соединен со вторым входом разностной схемы 18, выход которой соединен с входом компаратора, выход которого является третьим выходом устройства.

На фиг.3 показано размещение первой 7.1 и второй 7.2 матриц из n фотоприемников в плоскости ξO₁ξ регистрации оптических сигналов, отстоящей от плоскости размещения второй интегрирующей линзы 6 на величину фокусного расстояния этой линзы. Причем первая 7.1 и вторая 7.2 матрицы из n фотоприемников смещены относительно горизонтальной оси O₁ξ, соответственно вверх и вниз так, чтобы фотоприемники с одинаковыми номерами, входящие в состав соответствующих первой 7.1 и второй 7.2 матриц из n фотоприемников, освещались одним дифракционным пятном, определяемым шириной ультразвукового модулятора света 3.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

С входа устройства на управляющий вход УЗМС 3 с размерами апертуры D×Н×L (длина × высота × толщина) поступает принимаемый электрический сигнал S(t), длительность которого значительно превышает время распространения ультразвуковой волны вдоль апертуры УЗМС 3:

где V - скорость распространения ультразвуковой волны в УЗМС 3.

Входной электрический сигнал S(t) преобразуется пьезопреобразователем УЗМС 3 в ультразвуковой , распространяющийся вдоль апертуры УЗМС 3 (вдоль оси ОХ).

В то же время, УЗМС 3 освещается световой волной, создаваемой источником света 1, под углом θ к нормали к плоскости УЗМС 3. Интенсивность оптического излучения источника света 1 модулируется опорным сигналом S_оп(t) так, чтобы интенсивность света I(t), освещающего УЗМС 3, всегда была положительной:

где B₁ и С₁ - соответственно смещение и глубина модуляции.

Глубина модуляции и смещение выбираются таким образом, чтобы значение I(t) всегда было положительным.

Опорный сигнал, модулирующий оптическое излучение источника света 1, представляет собой сумму сигнала S(t), генерируемого генератором опорного сигнала 8, совпадающего с принимаемым сигналом, и сигнала S(t-Т_м), прошедшего вторую линию задержки 13.

где t - текущее время наблюдения;

Т_м - время задержки;

Т - длительность принимаемого сигнала.

Тогда выражение для распределения интенсивности дифрагированного на УЗМС 3 светового потока (дифракционного пятна) в плоскости размещения первой 7.1 и второй 7.2] матриц из n фотоприемников вдоль оси O₁ξ, преобразованных системой первой 4 и второй 6 интегрирующих линз, с учетом фазового сдвига на за счет пространственного фильтра 5, размещенного в плоскости преобразования Фурье, может быть представлено в виде:

где ψ=2πΔn_мL/λ - индекс фазовой модуляции, (ψ≪1);

Δn_м - амплитуда изменения коэффициента преломления среды акустооптического взаимодействия относительно среднего значения при воздействии сигнала единичной мощности;

L - длина акустооптического взаимодействия (толщина УЗМС 3);

λ - длина волны светового пучка, освещающего УЗМС 3;

τ_з - время задержки принимаемого сигнала относительно момента начала освещения УЗМС 3 оптическим пучком, в качестве которого принят момент: .

Одновременно с поступлением сигнала S(t) с первого выхода генератора опорного сигнала 8 на вход источника света 1 и началом освещения УЗМС 3 и соответственно засветкой первой 7.1 и второй 7.2 матриц из n фотоприемников в плоскости ξO₁ξ промодулированным световым потоком, со второго выхода генератора опорного сигнала 8 на управляющий вход первой матрицы из n фотоприемников 7.1 поступает короткий импульс, включающий эту матрицу. Вторая матрица из n фотоприемников 7.2 включается импульсом со второго выхода генератора опорного сигнала 8, задержанным в третьей линии задержки 14 на время Т_м.

Первая 7.1 и вторая 7.2 матрицы из n фотоприемников интегрируют перехватываемый ими световой поток до тех пор, пока на их управляющие входы не поступит импульс за счет обратной связи с выхода четвертой линии задержки 15 на временной интервал, равный длительности сигнала S(t). Первая матрица из n фотоприемников 7.1 интегрирует перехватываемый ею световой поток в течение времени 0≤t≤Т, а вторая матрица из n фотоприемников 7.2 интегрирует перехватываемый ею световой поток в течение времени Т_м≤t≤Т_м+Т.

Если принять, что световой поток перехвачен фотоприемниками с порядковым номером (ν=0,1,...,n), то выражения для электрических сигналов на выходе ν-x фотоприемников в выходной плоскости для первой 7.1 и второй 7.2 матриц из n фотоприемников можно представить следующим образом:

где k_пр - коэффициент преобразования фотоприемника;

ν=1,...,n - номера фотоприемников в первой 7.1 и второй 7.2 матрицах из n фотоприемников, освещаемые дифрагируемым на УЗМС 3 световым потоком (дифракционным пятном);

Δξ - расстояние между центрами соседних фотоприемников вдоль оси координат O₁ξ;

b - размер рабочей апертуры фотоприемника вдоль оси О₁ξ;

h - расстояние от центра фотоприемника до оси координат О₁ξ;

a - размер рабочей апертуры фотоприемника вдоль оси О₁ξ.

Подставляя (9) в (10) и (11) и проводя преобразования с учетом того, что ψ≪1, b≪D, a a≪H, получим:

В формулах (12) и (13) первые слагаемые определяют уровень выходных сигналов первой 7.1 и второй 7.2 матриц из n фотоприемников, обусловленных их постоянной засветкой, а вторые слагаемые можно представить следующим образом:

где A_пр=2k_прψbaC₁,

Если принятый сигнал S(t) совпадает с опорным S_оп(t), то сигнальные составляющие на выходе фотоприемника с координатами первой матрицы из n фотоприемников 7.1 и фотоприемника с координатами второй матрицы из n фотоприемников 7.2 достигают максимальных значений.

Если 0<τ_з<Т_м то получим:

где - максимальное значение выходного эффекта фотоприемника первой матрицы из n фотоприемников 7.1;

- максимальное значение выходного эффекта фотоприемника второй матрицы из n фотоприемников 7.2;

Е - энергия принимаемого сигнала, определяемая выражением:

Если 0<τ_з<2T_м, то получим:

При этом номера фотоприемников с максимальным выходным эффектом первой 7.1 и второй 7.2 матриц из n фотоприемников должны совпадать:

Таким образом, при одинаковых принимаемом и опорном сигналах в предлагаемом устройстве на выходе одного из фотоприемников первой матрицы из n фотоприемников 7.1 и второй матрицы из n фотоприемников 7.2 формируется в реальном масштабе времени в пределах временного интервала, определяемого временем распространения ультразвука вдоль апертуры УЗМС 3, максимальный выходной эффект.

Номер фотоприемника с максимальным выходным эффектом соответствует времени задержки принимаемого сигнала.

Как указывалось в (12) и (13), уровень выходных сигналов первой 7.1 и второй 7.2 матриц из n фотоприемников зависит от уровня постоянной засветки и времени интегрирования Т. Для их компенсации при появлении импульса на выходе четвертой линии задержки 15 генератор опорного напряжения 9 вырабатывает напряжение:

которое подается на вторые входы n вычитателей первой группы 10.1₁-10.1_n, и через первую линию задержки 12 с задержкой по времени на Т - на вторые входы n вычитателей второй группы 10.2₁-10.2_n.

На первые входы n вычитателей первой группы 10.1₁-10.1_n и n вычитателей второй группы 10.2₁-10.2_n подаются сигналы с выходов первой 7.1 и второй 7.2 матриц из n фотоприемников соответственно.

Сигналы с выходов n вычитателей первой группы 10.1₁-10.1_n, определяемые выражением:

поступают на входы n пороговых блоков первой группы 11.1₁-11.1_n соответственно.

Сигналы с n вычитателей второй группы 10.2₁-10.2_n, определяемые выражением:

поступают на входы n пороговых блоков второй группы 11.2₁-11.2_n соответственно.

В пороговых блоках первой группы 11.1₁-11.1_n происходит сравнение выходных напряжений вычитателей первой группы 10.1₁-10.1_n с пороговым значением γ_пор и выносится решение о наличии или отсутствии засветки соответствующих фотоприемников первой матрицы из n фотоприемников 7.1. На выходе, n пороговых блоков первой группы 11.1₁-11.1_n получим сигналы логических уровней:

В пороговых блоках второй группы 11.2₁-11.2_n происходит сравнение выходных напряжений вычитателей второй группы 10.2₁-10.2_n с пороговым значением γ_пор и выносится решение о наличии или отсутствии засветки соответствующих фотоприемников второй матрицы из n фотоприемников 7.2. На выходе n пороговых блоков второй группы 11.1₁-11.2_n получим сигналы логических уровней:

Выходные сигналы n пороговых блоков первой группы 11.1₁-11.1_n поступают на соответствующие входы первого весового сумматора 17₁, где формируется оценка времени задержки по засветке первой матрицы из n фотоприемников 7.1, поступающая на первый выход устройства:

где n - количество фотоприемников;

V=1,...,n - номера фотоприемников.

Выходные сигналы n пороговых блоков второй группы 11.2₁-11.2_n поступают на соответствующие входы второго весового сумматора 17₂, где формируется оценка времени задержки по засветке второй матрицы из n фотоприемников 7.1, поступающая на второй выход устройства:

Для определения истинной оценки задержки принимаемого сигнала выходные сигналы n пороговых блоков первой группы 11.1₁-11.1_n суммируются первым сумматором 16₁, а выходные сигналы n пороговых блоков второй группы 11.2₁-11.2_n суммируются вторым сумматором 16₂.

Выходные сигналы первого 16₁ и второго 16₂ сумматоров подаются на соответствующие первый и второй входы разностной схемы 18, где вычисляется разность напряжений сигналов:

Величина Z сравнивается с нулем в компараторе 19, где выносится решение о справедливости оценки.

Если напряжение на выходе компаратора 19 соответствует уровню логической единицы, то есть при Z>0 выносится решение о том, что оценка времени задержки:

Если напряжение на выходе компаратора 19 соответствует уровню логического нуля, то есть Z<0 выносится решение о том, что оценка времени задержки:

Из этого следует, что выходной сигнал компаратора 19, подаваемый на третий выход устройства, выносит решение об истинном значении времени задержки принимаемого сигнала относительно опорного.

Реализацию матриц из n фотоприемников можно осуществить, используя приведенную литературу [1, 2].

Реализация остальных блоков не вызывает затруднений, так как они широко описаны в научно-технической литературе.

Таким образом, введение в устройство новых блоков позволяет расширить временной интервал, на котором осуществляется параллельный поиск по времени принимаемого сигнала в два раза, то есть значительно уменьшить общее время поиска принимаемого сигнала, и, следовательно, улучшить технические характеристики акустооптического приемника сложных сигналов.

Литература

1. Д.М.Борсак. Фотодетекторы для акустооптических систем обработки сигналов, ТИИЭР, 1981 г., т.69, №1, стр.117-138.

2. Н.А.Есепкина и др. Оптоэлектронные процессоры со сканирующими ПЗС фотоприемниками. Квантовая электроника, 1995 г., т.22, №10, стр.991-996.

Акустооптический приемник сложных сигналов, содержащий последовательно размещенные на одной оптической оси источник света, коллиматор, ультразвуковой модулятор света, электрический вход которого является входом устройства, первую интегрирующую линзу, пространственный фильтр, вторую интегрирующую линзу и первую матрицу из n фотоприемников, а также содержащий генератор опорного сигнала, первый выход которого соединен с входом источника света, а второй выход - с управляющим входом первой матрицы из n фотоприемников, отличающийся тем, что введены вторая матрица из n фотоприемников, генератор опорного напряжения, n вычитателей первой группы, n вычитателей второй группы, n пороговых блоков первой группы, n пороговых блоков второй группы, первый и второй сумматоры, первый и второй весовые сумматоры, разностная схема, компаратор, а также первая, вторая, третья и четвертая линии задержки, при этом первая и вторая матрицы из n фотоприемников расположены в одной плоскости, отстоящей от плоскости размещения второй интегрирующей линзы на величину фокусного расстояния этой линзы, n выходов первой матрицы из n фотоприемников соединены соответственно с первыми входами n вычитателей первой группы, выходы которых соединены соответственно с входами n пороговых блоков первой группы, выходы которых соединены соответственно с n входами первого весового сумматора, выход которого является первым выходом устройства, n выходов второй матрицы из n фотоприемников соединены соответственно с первыми входами n вычитателей второй группы, выходы которых соединены соответственно с входами n пороговых блоков второй группы, выходы которых соединены соответственно с n входами второго весового сумматора, выход которого является вторым выходом устройства; кроме этого, первый выход генератора опорного сигнала через вторую линию задержки соединен с входом источника света, второй выход генератора опорного сигнала соединен с входом и выходом четвертой линии задержки, а через третью линию задержки соединен с управляющим входом второй матрицы из n фотоприемников, причем выход четвертой линии задержки соединен с входом генератора опорного напряжения, выход которого соединен со вторыми входами n вычитателей первой группы, а через первую линию задержки - со вторыми входами n вычитателей второй группы, выходы n вычитателей первой группы соединены соответственно с n входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом разностной схемы, выходы n вычитателей второй группы соединены соответственно с n входами второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом разностной схемы, выход которой соединен с входом компаратора, выход которого является третьим выходом устройства.