АКУСТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G01S15/00 G06E3/00 

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано для формирования изображений местности в РЛС с синтезированной апертурой
Цель изобретения повышение разрешающей способности за счет исключения неоднозначностей измерений.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее ПЗС-контроллер, первый и второй блоки возведения в квадрат, сумматор, электрический ключ, а также расположенные последовательно на одной оптической оси лазер, коллиматор, первую цилиндрическую линзу, первый акустооптический модулятор, второй акустооптический модулятор с противоположным направлением распространения звука, вторую, третью и четвертую цилиндрические линзы, маску в выходной плоскости и расположенную вплотную к ней ПЗС-матрицу с двумя регистрами сдвига, электрически связанную с ПЗС-контроллером, причем первая и третья цилиндрические линзы расположены софокусно и их образующие параллельны направлению распространения звука в АОМ, а вторая и четвертая расположены софокусно и их образующие перпендикулярны направлению распространения звука в АОМ, при этом выход первого регистра сдвига, электрически связанного со светочувствительными элементами матрицы, соединен со входами второго регистра сдвига и первого блока возведения в квадрат, выход второго регистра сдвига соединен со входом второго блока возведения в квадрат, выходы блоков возведения в квадрат соединены со входами сумматора, выход которого соединен с сигнальным входом электрического ключа, управляющий вход которого электрически связан с контроллером, а выход электрического ключа является выходом устройства, дополнительно введены мультивибратор, тактовый генератор, генератор линейно-частотно-модулированного сигнала (ЛЧМ-сигнала), перемножитель и многовходовая аналоговая линия задержки, причем выход мультивибратора соединен со входами тактового генератора и генератора ЛЧМ-сигнала, выход которого подключен ко входу второго АОМ и к первому входу перемножителя, выход которого соединен со входом первого АОМ, второй вход перемножителя подключен к выходу линии задержки, управляющий вход которой соединен с выходом тактового генератора, при этом управляющие входы мультивибратора и ПЗС-контроллера соединены с выходом блока синхронизации, входы линии задержки являются входами устройства и, кроме того, коэффициент пропускания маски равен

где x, y координаты в выходной плоскости устройства, причем x параллельна направлению распространения звука в звукопроводах АОМ;
N число пар строк матрицы ПЗС;
F_o центральная частота АОС;
S скорость звука в звукопроводе АОМ;
D апертура АОМ;
λ длина волны зондирующего сигнала РСА;
h высота полета носителя РСА;
V скорость носителя РСА;
1/T_r частота выборки сигналов приемной антенной решетки РСА;
d расстояние между элементами приемной антенной решетки РСА;

α крутизна ЛЧМ-сигнала, вырабатываемого генератором ЛЧМ-сигнала;
Dy удвоенная ширина строки матрицы ПЗС в направлении, перпендикулярном направлению распространения звука в звукопроводах АОМ.

В известных устройствах, содержащих линии задержки, сумматоры и оптические процессоры с акустооптическими модуляторами, также производится многоканальная обработка сигналов приемных антенных решеток. Однако применение большого числа одноканальных линий задержки и сумматоров чрезмерно усложняет электронную часть этих устройств.

Также известны устройства для многоканальной обработки сигналов приемных антенных решеток. В этих устройствах в качестве входных преобразователей используются двумерные пространственно-временные модуляторы света с различным типом адресации. Недостатком этих устройств является отсутствие достаточно качественных и доступных двумерных модуляторов света. В известном устройстве для обработки сигналов РСА по азимуту также используется маска-фильтр. Однако в предложенном устройстве маска выполнена таким образом, что становится возможным получение двух квадратурных составляющих с помощью одной ПЗС-матрицы.

На чертеже представлена оптико-электронная схема предлагаемого устройства, здесь 1 многовходовая аналоговая линия задержки; 2 тактовый генератор; 3 генератор ЛЧМ-сигнала; 4 мультивибратор; 5 перемножитель; 6 лазер; 7 -коллиматор; 8 первая цилиндрическая линза; 9, 10 первый и второй акустооптические модуляторы; 11, 12, 13 вторая, третья и четвертая цилиндрические линзы; 14 маска; 15 ПЗС-матрица; 16, 17 первый и второй регистры сдвига; 18 ПЗС-контроллер; 19, 20 первый и второй блоки возведения в квадрат; 21 сумматор; 22 электрический ключ; 23 блок синхронизации.

Устройство работает следующим образом.

М-входовая аналоговая линия задержки 1 осуществляет параллельную выборку, хранение и последовательный вывод запомненной информации. Тактовый генератор 2 вырабатывает последовательности импульсных напряжений, необходимых для работы аналоговой линии задержки 1. Генератор ЛЧМ-сигнала 3 формирует опорный ЛЧМ-сигнал. Мультивибратор 4 вырабатывает управляющий сигнал для генераторов 2 и 3. Перемножитель 5 перемножает сигналы с выходов линии задержки 1 и генератора ЛЧМ-сигнала 3. Лазер 6 является источником света в оптической системе. Коллиматор 7 формирует световой луч необходимого поперечного сечения. Линза 8 фокусирует свет на апертуре АОМ 9 и 10. Модулятор 9 служит для ввода в оптическую систему информационного сигнала с выхода перемножителя 5, а модулятор 10 для ввода опорного сигнала с выхода генератора 3. Линзы 11 и 13 формируют изображение модуляторов по горизонтали с выходной плоскости оптической системы. Линза 12 коллимирует свет в вертикальной плоскости. Маска 14 служит для компенсации квадратичного фазового набега и устранения пространственной несущей. ПЗС-матрица 15 осуществляет детектирование оптических сигналов и вывод зарегистрированной информации через сдвиговый регистр 16. Сдвиговый регистр 17 служит для задержки выходного сигнала на одну строку. ПЗС-контроллер 18 формирует последовательности импульсных напряжений, необходимые для работы ПЗС-матрицы. Блоки 19 и 20 формируют сигналы, пропорциональные квадратам входных сигналов. Сумматор 21 суммирует выходные сигналы блоков 19 и 20. Ключ 22 осуществляет стробирование выходного сигнала устройства. На вход 23 с синхронизатора РСА поступает управляющий сигнал, который синхронизирует работу устройства.

РЛС с синтезированной апертурой функционирует следующим образом. Непрерывно излучаемая передающей антенной энергия облучает земную поверхность. Отраженные от зондируемого участка местности сигналы принимаются одновременно всеми М элементами антенной решетки. Каждый эхо-сигнал переносится на промежуточную частоту, усиливается, демодулируется и затем поступает на соответствующие входы устройства обработки, которое работает следующим образом.

Пусть в момент времени t=0 на вход 23 поступает синхро-импульс, запускается мультивибратор 4, который вырабатывает импульс длительностью Т. Генераторы 2 и 3 работают в ждущем режиме, и пока на их входы поступает импульсный сигнал с выхода мультивибратора 4, генерируют сигналы. С выхода генератора 2 последовательность из М+1 тактовых импульсов длительностью T_o(T= (1+M)T_o) поступает на управляющий вход М-входовой аналоговой линии задержки 1, которую можно реализовать на ПЗС.

За первый такт осуществляется одновременная запись сигналов, поступающих на М входов линии задержки 1, а в течение остальных М тактов - последовательное считывание записанной информации. Для обеспечения высокого разрешения в направлении, поперечном линии пути носителя, т.е. по горизонтальной дальности, необходимо синтезировать диаграмму направленности приемной антенной решетки. В данном устройстве это достигается посредством фурьепреобразования выборки сигналов антенной решетки, считываемых с аналоговой линии задержки 1. Спектральный анализ реализуется оптическим методом по алгоритму ЛЧМ-преобразования.

При этом на вход первого АОМ 9 поступает сигнал с выхода перемножителя 5, на вход второго АОМ 10 с выхода генератора ЛЧМ-сигнала 3. К моменту времени Т_o + Т_M/2 (Т_M время памяти акустооптических модуляторов) апертуры модуляторов 9 и 10 будут наполовину заполнены акустическими волнами и готовы к выполнению алгоритма ЛЧМ-преобразования. Световой пучок от источника 6 расширяется коллиматором 7 и фокусируется линзой 8 на апертуру модуляторов. Дифрагированные на ультразвуковых волнах лучи света с помощью линз 11 и 13 формируют изображение АОМ в выходной плоскости устройства по горизонтали. Линза 12 коллимирует световой пучок в вертикальной плоскости, так что на ПЗС-матрицу падает однородный по вертикали световой пучок. С момента времени T_o+T_M/2 до момента T_o+T_M/2+T_в (T_в=MT_o длительность анализируемой выработки) ПЗС-матрицы 15 осуществляет накопление заряда, пропорционального интенсивности света, прошедшего маску 14. Затем весь накопленный заряд смещается на две строки в направлении выходных регистров 16 и 17. Первая строка, считанная с регистра 16, записывается в регистр 17 и не поступает на выход устройства, так как в этот момент электронный ключ 22 закрыт. После того, как регистр 16 заполняет второй строкой ПЗС-матрицы, производится одновременное считывание информации с двух регистров 16 и 17. Блоки 19, 20 и 21 выполняют функции квадратурной обработки. В результате на выход устройства через открытый электронный ключ 22 поступает сфокусированная строка изображения и цикл обработки завершается. Работа устройства приостанавливается до прихода очередного синхросигнала на вход 23, при этом в следующем цикле обработки на выход устройства поступает смежная строка изображения и так далее по мере пролета местности.

Чтобы оценить разрешающую способность устройства, необходимо получить выражение для выходного сигнала. При выводе этого выражения воспользуемся геометрией РЛС для точечной цели.

Сделав подстановку y=htg Θ и R_o=h²+y² ( Q угол между высотой носителя h и направлением на цель) в выражениях для R_t и R_r, а затем разложив в ряд R_t+R_r в окрестности точки x_o=x и y_o=0, получим:

Для фазовой характеристики эхо-сигнала S_R достаточно использовать три первых члена в (1). Такая аппроксимация верна для участка синтезирования |x-x₀| < x_c= 2tgΦ_x/2•R₀ (Y_x ширина диаграммы направленности антенной решетки в направлении линии пути), который находится в дальней зоне антенной решетки: h > (2a)²/λ (2a длина антенной решетки, l -длина волны излучения). В этом случае эхо-сигнал на входе антенной решетки имеет вид:

где f_o частота излучения.

С выхода антенной решетки сигнал (2) поступает в стандартные приемо-преобразующие модули РЛС, где осуществляется преобразование на промежуточную частоту, усиление и синхронное детектирование. В результате сигнал, поступающий на m-й вход устройства обработки, примет вид

В (3) опущен несущественный для дальнейшей обработки постоянный фазовый член 4πR₀/λ и учтено, что y_o=md, а x_o=Vt (d шаг элементов антенной решетки, V скорость носителя).

Запись информации в М-входовую аналоговую линию задержки осуществляется с частотой 1/T_r (частота выборки антенной решетки), при этом выборку сигнала (3) на соответствующем входе линии задержки можно представить в виде:

где T_o длительность выборки;
N число выборок на интервале синтезирования; -приращение задержки на элемент антенной решетки.

Сигналы на выходах линии задержки и ЛЧИ-генератора

где T=MT_o длительность ЛЧМ-сигнала; F_o центральная частота ЛЧМ-сигнала; α крутизна ЛЧМ-сигнала.

Сигналы на входах первого и второго акустооптических модуляторов

В горизонтальном направлении амплитуды светового поля первых дифракционных порядков в выходной плоскости для АОМ 9 и 10

где D апертура АОМ; S скорость звука в АОМ.

Заряд, накопленный в ПЗС-матрице за n-ю экспозицию без учета постоянной составляющей, определяется следующим образом:

где T(x, y) коэффициент пропускания маски.

Проделав преобразования после подстановки (9) и (10) в (11) и оставляя только составляющие, несущие информацию, получим

Второй сомножитель в (12) совпадает по форме с "множителем решетки" диаграммы направленности антенной решетки и определяет разрешающую способность устройства в направлении, поперечном к линии пути (т.е. по горизонтальной дальности y): , где d(Θ) = λ/2a cosΘ - разрешающая способность по углу Θ. Положение максимума главного лепестка "множителя решетки" по координате x в выходной плоскости соответствует углу места цели Q и выражается соотношением: . Помимо главного лепестка "множитель решетки" имеет побочные лепестки, максимумы которых расположены в координатах: , K=±1,±2. Для того, чтобы предотвратить появление побочных лепестков в выходном сигнале и тем самым исключить неоднозначность определения угла места и горизонтальной дальности, предельная координата X_max= D/2 должна быть равна . Тогда, учитывая T_o= T/M, получаем условие на необходимую ширину полосы ЛЧМ-генератора:

Например, при М=100 и T_M=10 мкс (типичное время памяти акустооптических модуляторов) полоса ЛЧМ-генератора равна 5 МГц.

В направлении линии пути носителя (координата х) или азимута осуществляется синтезирование апертуры антенной решетки. Поэтому для получения сфокусированного изображения необходимо провести азимутальную корреляционную обработку, которая состоит в когерентном суммировании выборок входных сигналов с внесением соответствующей фазовой коррекции. Эти операции, как и в прототипе, производятся с помощью маски и ПЗС-матрицы, которая работает в режиме временной задержки и накопления. Пусть коэффициент пропускания маски определяется выражением

Первое слагаемое аргумента косинуса необходимо для устранения пространственной несущей по координате X (см. третий сомножитель в (12), а второе для фокусирования изображения в азимутальном направлении.

Для получения выходного сигнала в ПЗС-матрице осуществляется сдвиг и суммирование накопленных зарядов, которые соответствуют отдельным выборкам входных сигналов на интервале синтезирования. После N экспозиций (число экспозиций равно числу выборок на интервале синтезирования) полный заряд в ячейке ПЗС-матрицы с координатами x, y равен

где Δy расстояние, на которое сдвигается заряд в направлении выходного регистра 16, в промежутке между двумя соседними выборками.

Подставляя (12) и (13) в (14), оставляя только составляющие, несущие информацию, получим:

Произведение косинусов можно представить в виде суммы косинуса разности и косинуса суммы аргументов. Для устранения пространственной несущей по координате X необходимо, чтобы выполнялось условие: . При выполнении этого условия суммарная несущая частота по координате X в (15) равна . Выбором центральной частоты модуляторов F_o можно добиться того, что период суммарной частоты окажется меньше размера элемента ПЗС-матрицы. Например, при F_o=100 МГц и этот пространственный период равен 10 мкм, в то время как размер ячейки ПЗС-матрицы, например, К1200ЦМ2 составляет 20 мкм. Поскольку при накоплении осуществляется интегрирование по площади ячейки, то слагаемое на суммарной частоте даст вклад лишь в постоянную составляющую выходного сигнала. Аргумент косинуса разностной частоты в (15) запишется в виде:

где y члены, не зависящие от n.

Для фокусирования по азимуту необходимо, чтобы выполнялось условие: , из которого следует: Учитывая, что в максимуме главного лепестка "множителя решетки" , также, что R₀= hcosΘ, получим: .

По аналогии с прототипом окончательное выражение для заряда можно представить в виде

Последний сомножитель в (16) показывает, что вычисляется одна из квадратурных составляющих выходного сигнала. Обе квадратурные составляющие можно получить в одном устройстве, если коэффициент пропускания маски выбрать следующим образом:

где Δy удвоенная ширина элемента ПЗС-матрицы в вертикальном направлении;
N число пар строк ПЗС-матрицы.

В каждой паре соседних строк ПЗС-матрицы фаза маски отличается на π/2, и следовательно, в соседних строках будет формироваться сигнал, соответствующий двум квадратурным составляющим. Блоки 19, 20 и 21 выполняют функции квадратурной обработки, при этом на выходе устройства формируется сигнал Q²= Q²(cosΦ) + Q²(sinΦ), который является квадратом огибающей (16) и не зависит от неизвестного фазового сдвига Φ. Электрический ключ под управлением ПЗС-контроллера закрывается на время вывода первой квадратурной составляющей и сигнал поступает на выход устройства только во время вывода из ПЗС-матрицы четных строк.

ПЗС-контроллер также формирует необходимые импульсные напряжения для ПЗС-матрицы. Наиболее перспективными являются контроллеры с программным управлением, которые способны обеспечить работу ПЗС-матрицы в различных режимах, в том числе и в режиме временной задержки и накопления.

Выходной сигнал устройства, в отличие от прототипа, содержит "множитель решетки", который, как отмечалось выше, определяет разрешающую способность устройства по горизонтальной дальности. Кроме того, эта составляющая выходного сигнала показывает, что цели, которые имеют противоположные координаты дальности y₁= -y₂, и соответственно, углы места Q₁=-Q₂=Q, будут фокусироваться в противоположных координатах выходной плоскости оптической системы , т.е. неоднозначность по дальности отсутствует.

Таким образом, за счет многоканальной обработки сигналов приемной антенной решетки в предложенном устройстве по сравнению с прототипом устраняется неоднозначность и достигается высокая разрешающая способность по горизонтальной дальности. В сочетании с синтезированием апертуры антенной решетки вдоль траектории полета это обеспечивает высокое разрешение по обеим координатам. При этом алгоритм получения двух квадратурных составляющих на одной ПЗС-матрице позволит сохранить высокий динамический диапазон и, следовательно, высокую точность вычислений.

Изобретение относится к области оптической обработки информации и может быть использовано для формирования изображений местности в радиолокационных станциях с синтезированной апертурой. Целью изобретения является повышение разрешающей способности за счет исключения неоднозначностей измерений. Цель изобретения достигается введением в устройство последовательно соединенных мультивибратора 4, генератора линейно-частотно-модулированного сигнала 3 и перемножителя 5, последовательно соединенных тактового генератора 2 и многовходовой аналоговой линии задержки 1, при этом маска выполнена с коэффициентом Т. 1 ил.

Акустооптическое устройство обработки сигналов, содержащее ПЗС-контроллер, последовательно соединенные первый блок возведения в квадрат, сумматор и ключ, а также второй блок возведения в квадрат, выход которого соединен с вторым входом сумматора, последовательно соединенные и оптически сопряженные лазер, коллиматор, первую цилиндрическую линзу, первый акустооптический модулятор, второй акустооптический модулятор, вторую, третью и четвертую цилиндрические линзы, маску и ПЗС-матрицу, первый регистр сдвига, второй регистр сдвига, выход которого соединен с входом второго блока возведения в квадрат, а выход первого регистра сдвига соединен с входом второго регистра сдвига и первого блока возведения в квадрат, выход ПЗС-контроллера соединен с вторым входом ПЗС-матрицы, при этом направление распространения звука во втором акустооптическом модуляторе противоположно направлению распространения звука в первом акустооптическом модуляторе, первая и третья цилиндрические линзы расположены софокусно и их образующие параллельны направлению распространения звука в первом и втором акустооптических модуляторах, вторая и четвертая цилиндрические линзы расположены софокусно и их образующие перпендикулярны направлению распространения звука в первом и втором акустооптических модуляторах, а второй вход ключа соединен с вторым выходом ПЗС-контроллера, отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способности за счет устранения неоднозначностей измерений, введены последовательно соединенные мультивибратор, генератор линейно-частотно-модулированных сигналов и перемножитель, выход которого соединен с вторым входом первого акустооптического модулятора, последовательно соединенные тактовый генератор и многовходовая аналоговая линия задержки, выход которой соединен с вторым входом перемножителя, вход тактового генератора соединен с выходом мультивибратора, а выход генератора линейно-частотно-модулированных сигналов соединен с вторым входом второго акустооптического модулятора, входы мультивибратора и ПЗС-контроллера соединены с выходом синхронизатора, при этом маска выполнена с коэффициентом пропускания, равным

где х, у координаты в выходной плоскости устройства, причем X параллельна направлению распространения звука в первом и втором акустооптических модуляторах;
N число пар строк ПЗС-матрицы;
F₀ центральная частота первого и второго акустооптических модуляторов;
S скорость распространения звука в первом и втором акустооптических модуляторах;
D апертура первого и второго акустооптических модуляторов;
λ - длина волны зондирующего сигнала радиолокационной станции с синтезированной апертурой;
h высота полета носителя радиолокационной станции с синтезированной апертурой;
v скорость полета носителя;
1/τ_ч- частота выборки сигналов приемной антенной решетки;
d расстояние между элементами приемной антенной решетки;
Δy - удвоенная ширина строки ПЗС-матрицы в направлении, перпендикулярном направлению распространения звука в первом и втором акустооптических модуляторах;
α - крутизна сигнала линейно-частотно-модулированного сигнала,
а коэффициент P определяется условием
о