МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛЯТОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОТОКА ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G02F3/00 

Изобретение относится к области акустики, оптики и радиосвязи и может быть использовано для опознавания сигнала в потоке информации и преобразования формы оптических импульсов короткой и предельно-короткой длительности за счет использования эффекта перемещения световых импульсов со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, в частности, для анализа и генерации звуков дельфинов и других китообразных, дешифрирования и многомерной обработки в реальном времени сигналов в системах УЗИ разного назначения, сигналов в локаторах для слепых и других устройствах обработки потока информации, представленной в виде световых и/или электрических импульсных и непрерывных во времени сигналов.

Известны оптические корреляторы, содержащие оптически связанные друг с другом источники коллимированного когерентного излучения, пространственно-временные модуляторы света, соединенные с источником информации. Действие этих корреляторов основано на выполнении оптического пространственного преобразования Фурье, пространственно-частотной фильтрации и последующего обратного преобразования Фурье с целью получения корреляционного сигнала [1]. Однако такие корреляторы являются дорогостоящими, сложными, требующими применения прецизионной механики, усложняющей и замедляющей работу устройства, а замена фильтрующих элементов пространственно-частотного фильтра трудоемка и сложна.

Применение современных быстродействующих оптических пространственных модуляторов не позволяет уменьшить время данной операции до величины менее 1 мкс. Известны корреляторы более высокой производительности за счет применения излучателей с разными длинами волн, работающих параллельно, которые позволяют решать задачи поиска информационного сигнала по многим признакам [2]. Однако для корреляторов, основанных на таких принципах, требуется резкое увеличение габаритов системы и, соответственно, невозможность использования предельных временных характеристик, которые принципиально могут обеспечивать методы оптической обработки информации, вследствие применения узкополосных световых сигналов.

Анализ результатов обширного поиска информации показал, что указанным и принципиальным недостатком обладают все известные устройства, основанные на применении фильтрации пространственного спектра, полученного в монохроматическом излучении. Применение промежуточной монохроматизации с последующим сложением результатов обработки компонентов сигнала, полученных в разных частотных составляющих, приводит к сложению ошибок и соответствующему понижению надежности функционирования всей системы, особенно при наличии шумов в исходном канале связи.

Известны устройства современного процессинга оптических сигналов с большими скоростями в области частот повторения световых импульсов до 1 ТГц, основанные на преобразовании входного светового импульса в цепочку импульсов во времени, в том числе с возможностью модуляции амплитуды, и основанные на расщеплении исходного импульса с помощью системы световодов разной длины [3] и последующего объединения выходных сигналов в общий сигнал. Однако устройства данной системы имеют недостаточно высокие скорости обработки информации за счет применения длинных оптических импульсов и недостижимости предельно высоких скоростей. Это обусловлено необратимым искажением информации о фазе как непрерывных, так и импульсно-модулированных сигналов в результате дисперсии скорости распространения различных частотных составляющих сигналов, которое приводит к невозможности перехода к световым импульсам предельно малой длительности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство прямого преобразования пространство-время для изменения формы оптического импульса и генерации цепочки импульсов [4]. Оно состоит из входного порта, получающего импульсный световой пучок; плоского модулятора, присоединенного к указанному входному порту, пространственно структурирующего пучок, спектрального диспергирующего устройства, принимающего пространственно-структурированный пучок, разлагающего его в спектр по разным направлениям; фокусирующего устройства, принимающего разложенный пучок и направляющего его на выходной порт; и выходного порта, имеющего определенную апертуру и принимающего часть сфокусированного пучка.

Недостатками известного устройства [4] являются ограниченная производительность за счет использования только сигналов телеграфного класса, состоящих, по крайней мере, из нескольких колебаний световой волны, в результате чего понижается скорость обработки информации; невозможность достижения теоретического предела скорости обработки информации вследствие сужения спектра сигналов при промежуточном преобразовании с помощью диспергирующего устройства; высокая вероятность появления перекрестных искажений вследствие дифракционного смешения оптических каналов, образованных при обязательном делении входного фронта волны на отдельные микропикселы, что обуславливает и невозможность работы с непрерывными во времени сигналами, а также достаточно высокая стоимость таких устройств.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение быстродействия и производительности коррелятора за счет применения эффектов распространения со скоростью больше скорости света следа импульсной волны на облучаемой поверхности, расширение функциональных возможностей коррелятора за счет работы с непрерывными сигналами разной длительности и использования полной информации об амплитудно-фазовой структуре входного сигнала при разных типах модуляции и кодирования входных сигналов, а также существенное снижение помех, стоимости устройства при одновременном повышении механической стабильности его работы. В заявляемом изобретении скорость обработки информации совпадает с теоретически предельной скоростью работы оптических процессоров, в нем отсутствуют перекрестные искажения, так как дифракция волн является основой всех преобразований сигнала, в связи с чем оно способно обрабатывать импульсные, импульсно-модулированные информационные потоки, а также непрерывные сигналы с произвольным типом модуляции.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве применены два блока, предназначенные: первый - для преобразования относительно медленно меняющегося электрического сигнала, например, полученного акустическим приемником с верхней границей по частоте, которая определяется временем записи сигнала на оптическом пространственном модуляторе и сегодня составляет 1-10 МГц [5], в оптический; а второй - для обработки входного оптического сигнала оптическими методами с теоретически предельно большими скоростями. Каждый из блоков может действовать независимо от другого, но вместе они обеспечивают универсальность и гибкость системы, ее способность работать в реальном времени с сигналами разного типа. Но это не означает, что получен суммарный и ожидаемый для специалиста технический эффект. Указанный технический результат является новым и обеспеченным новым конструктивным исполнением устройства.

В заявленном изобретении существенно уменьшается «расплывание» импульсов во времени вследствие дисперсии; кроме того, в блоках нового устройства для осуществления переменной задержки входящей волны во времени относительно управляемого пространственного модулятора применено наклонное расположение плоскости управляемого пространственного модулятора относительно фронта волны входного сигнала, а для определения момента появления сигнала обнаружения в потоке информации применен дополнительный оптический узел, состоящий из разделителя светового пучка и пространственного фотоприемника, что обеспечивает дополнительное функциональное преимущество - возможность одновременного обнаружения нескольких сигналов в потоке информации, или ассоциативного поиска сложного сигнала по совокупности нескольких признаков.

Сущность заявляемого изобретения поясняется Фиг. 1-8; на Фиг 2-6 представленные схемы поясняют работоспособность заявленного устройства; Фиг. 7-8 иллюстрируют примеры апробации на модельных устройствах и теоретическое обоснование принципа работы и быстродействия заявленного устройства.

На Фиг. 1 представлена основная схема многофункционального оптического коррелятора с пространственным модулятором с управляемыми пропускающими элементами, расположенными на одной плоскости (далее - управляемый пространственный модулятор).

На Фиг. 2 представлена схема освещения отражающего управляемого пространственного модулятора.

На Фиг. 3 и Фиг. 4 представлены две схемы, одна из них (Фиг. 3) отражающего, а вторая (Фиг. 4) пропускающего управляемого пространственного модулятора с повышенной эффективностью по световому потоку.

На Фиг. 5 представлена схема отражающего управляемого пространственного модулятора с повышенной эффективностью по световому потоку, не содержащего наклонных зеркальных элементов.

На Фиг. 6 представлена схема, иллюстрирующая основной принцип действия многофункционального оптического коррелятора с управляемым пропускающим пространственным модулятором.

На Фиг. 7 показан результат эксперимента по преобразованию одного фемтосекундного импульса в цепочку одинаковых импульсов, а на Фиг. 8 в виде графиков приведен пример выделения (опознавания) известного сигнала в смеси сигнала с шумом.

Сущность заявленного изобретения поясняется Фиг. 1, на которой представлена схема устройства, которое содержит блок 1 для формирования потока оптической информации и блок 2 для обработки потока оптической информации; на входе блока 1 установлен лазер 3, генерирующий последовательность предельно коротких фемтосекундных импульсов, оба блока содержат входной порт 4, принимающий импульсный световой пучок, устройство оптической связи для создания плоской импульсной световой волны 5, которое оптически связано с управляемым пространственным модулятором 6 и расположено между входным портом 4 и управляемым пространственным модулятором 6, фокусирующее устройство 7 и выходной порт 8; причем блоки оптически связаны между собой, например, световодом 9; при этом блок 2 для обработки потока оптической информации содержит разделитель по амплитуде волны выходного пучка 10, расположенный между фокусирующим устройством 7 и выходным портом 8, и пространственно-чувствительный фотоприемник 11, размещенный в плоскости действительного изображения управляемого пространственного модулятора, созданного фокусирующим устройством 7. Управляемые пространственные модуляторы 6 блоков 1 и 2 связаны каждый со своим устройством ввода сигнала пространственного модулятора 21 (далее - устройство ввода), которое управляется связанным с ним источником сигнала 20. Управляемые пространственные модуляторы 6 установлены под углом α к оси пучка устройства оптической связи для создания плоской импульсной световой волны 5 и под углом β к оси пучка фокусирующего устройства 7, которые определяются из соотношения: sin(α)-sin(β)=1, причем углы α и β блоков 1 и 2 могут быть различными. За выходным портом 8 блока 2 расположен быстродействующий фотоприемник 12. Образованный в быстродействующем фотоприемнике 12 импульс тока через усилительную электронную систему 13 направляется на пороговое устройство 14, выдающее сигнал на генератор вспомогательного кода опознания сигнала 15, включающего индикатор 16 срабатывания порогового устройства, например сигнал «тревога» и запускающего управляющий компьютер 17. Часть светового потока, выходящего из фокусирующего устройства 7, разделителем волны выходного пучка 10 подается на пространственно-чувствительный фотоприемник 11, управляемый специальным устройством 18, связанным с управляющим компьютером 17. Сигнал пространственно-чувствительного фотоприемника 11 через согласующее устройство 19 передается в управляющий компьютер 17 для обработки.

Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. В первом блоке 1, преобразующем медленный входной электрический сигнал, сформированный источником сигнала 20 и устройством ввода сигнала 21, в оптический; преобразование осуществляется путем записи сигнала на управляемом пространственном модуляторе 6 (пропускающем или отражающем) как последовательно меняющиеся по поверхности пропускание, отражение или поворот плоскости поляризации и последующего считывания пространственного распределения свойств с помощью предельно-короткого во времени оптического импульса. Изменение параметров управляемого пространственного модулятора 6 устанавливается пропорциональным амплитуде входного сигнала блока 1, сформированного соответствующим устройством ввода сигнала 21, которое связано с источником сигнала 20.

Второй блок 2 предназначен для опознавания полученного в блоке 1 оптического сигнала методом сравнения с образцовым сигналом, записанном также в виде переменных по координате поверхности свойств управляемого пространственного модулятора, путем создания нового оптического сигнала пропорционального функции взаимной корреляции входного и образцового сигналов. Действительное изображение поверхности плоского оптического пространственного модулятора 6 блока 2 проецируется на поверхность пространственно-чувствительного фотоприемника 11, что позволяет определить по координате на управляемом пространственном модуляторе 6 положение во времени опознанного сигнала, сформированного в виде корреляционного максимума интенсивности, в общем потоке информации.

Основой скоростной работы блока 2 для обработки потока оптической информации заявленного устройства является известный в оптике эффект перемещения линии пересечения плоского волнового фронта с реальной плоской поверхностью модулятора со скоростью превышающей скорость света в вакууме «с». Пропускание управляемого пространственного модулятора 6 устанавливается пропорциональным амплитуде входного сигнала, сформированного устройством ввода сигнала 21, которое управляется источником сигнала 20 блока 2. Как правило, это стационарный образец, заданный в виде изменяющихся вдоль поверхности параметров управляемого пространственного модулятора 6 (пропускания, отражения или угла поворота плоскости поляризации) непрерывно, как в акусто-оптическом модуляторе или в виде набора дискретных элементов микроразмеров (как, например, в стандартных конструкциях дисплеев), величины которых выбираются с помощью теоремы отсчетов Котельникова-Шеннона.

В качестве иллюстрации рассмотрим более детально работу блока 1 (Фиг. 1). Этот блок содержит входы для двух сигналов: входной порт 4 для предельно-короткого фемтосекундного импульса, состоящего из одного периода или полупериода волны от лазера 3 и вход устройства ввода сигнала 21 управляемого пространственного модулятора 6 от источника сигнала 20, например, принятого микрофоном акустического импульсного или непрерывного сигнала. Устройство оптической связи для создания плоской световой волны 5 преобразует световой импульс от порта 4, излученный лазером 3, в плоскую световую волну предельно-короткой длительности. На Фиг. 6, для наглядности, эта волна освещает пропускающий излучение управляемый пространственный модулятор 6, который размещается таким образом, чтобы нормаль N к его плоскости составляла не равный нулю угол α с нормалью к фронту световой волны от устройства оптической связи для создания плоской импульсной световой волны 5. В данном случае предполагается, что входной порт имеет очень маленькие размеры и для создания плоской волны достаточно одной линзы или вогнутого зеркала. В общем случае это есть телескопическая система линз или зеркал, как это показано на Фиг. 1. С помощью фокусирующего устройства 7, в главном фокусе которого установлен выходной порт 8 в виде малой диафрагмы, из рассеянных управляемым пространственным модулятором 6 под разными углами пучков выделяется параллельный пучок света, распространяющийся под определенным углом β к нормали пространственного модулятора. С этой целью размеры диафрагмы выходного порта выбираются предельно малыми, но пропускающими достаточное количество света. При идеальном качестве оптики фокусирующего устройства 7 этому условию соответствует размер диафрагмы, равный размеру дифракционного пятна.

То же относится и к блоку 2.

Прошедший через выходной порт 8 блока 1 оптический импульс направляется на вход блока 2 с помощью, например, световода 9 или иного оптического согласующего устройства. Блок 2, предназначенный для опознавания созданного блоком 1 оптического сигнала, устроен аналогично блоку 1, но содержит на выходе порта 8 быстродействующий фотоприемник 12, оптический сигнал на который подается с помощью второго световода 9, или иного согласующего устройства. Образованный в фотоприемнике импульс тока усиливается с помощью электронной системы 13 и направляется на электронное пороговое устройство 14, которое выдает импульс на генератор вспомогательного кода опознания сигнала 15, включающий индикатор срабатывания порогового устройства 16, например сигнал «тревога», и запускающий управляющий компьютер 17. Часть светового потока, выходящего из фокусирующего устройства 7, разделителем пучка, например, полупрозрачным зеркалом, подается на пространственно-чувствительный фотоприемник 11, установленный в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью управляемого пространственного модулятора 6, и на его поверхности формируется действительное изображение распределения интенсивности, возникающее при освещении управляемого пространственного модулятора 6 оптическим сигналом, выработанным блоком 1. Считанное изображение поверхности модулятора 6 через согласующее устройство 19 усиливается и передается в управляющий компьютер 17, где и производится его обработка.

Управляемый пространственный модулятор 6 может быть как состоящим из отдельных управляемых элементов, расположенных на плоскости, или искривленной поверхности, так и представлять собой систему с непрерывно меняющимися по поверхности свойствами рассеивать или пропускать падающую световую волну. Технически более простым является плоское устройство пространственного управляемого модулятора.

Плоская световая волна, сформированная устройством оптической связи 5 входного порта 4, освещает плоскость управляемого пространственного модулятора 6 так, что между направлением распространения волны и нормалью к поверхности управляемого пространственного модулятора 6 имеется определенный не равный нулю угол α. Рассеянное вследствие дифракции на элементах управляемого пространственного модулятора 6 поле выделяется фокусирующим устройством 7 под некоторым углом β и направляется в выходной порт 8. Пары углов α и β блоков 1 и 2 могут различаться, углы считаются положительными, если они отсчитаны от нормали N к поверхности управляемого пространственного модулятора по часовой стрелке, и отрицательными - против.

Если пропускание управляемого пространственного модулятора 6 меняется от точки к точке как некоторая функция k(x), а входной световой импульс имеет настолько малую длительность, что его можно приближенно считать δ(t)-функцией, то отклик фокусирующего устройства 7 и выходного порта 8 при этом пропорционален интегралу:

Величина W, стоящая в этом выражении, это скорость перемещения светового пятна по поверхности управляемого пространственного модулятора 6, измеренная из точки выходного порта 8. Скорость W измеряется как отношение:

где с - скорость света в вакууме.

Знаменатель дроби может меняться от 0 до 2 при изменении величины и знака углов, соответственно, скорость W может меняться от половины скорости света с/2 до бесконечности. Бесконечности соответствует волна, прошедшая через управляемый пространственный модулятор без отклонения; она может изменяться только по амплитуде, для работы заявленного устройства этот случай не представляет интереса. Интеграл вычисляется достаточно просто, пользуясь свойствами δ -функции:

Таким образом, в блоке 1 происходит преобразование медленно меняющегося (или даже стационарного) сигнала, записанного на пространственном модуляторе как зависящее от координаты пропускание k(х), в быстро меняющийся во времени сигнал. Коэффициент этого преобразования определяется эффективной скоростью W, которая может меняться от с/2 до бесконечности в зависимости от углов α, β (т.е. от конкретной геометрии устройства), и медленный сигнал может быть сжат во времени в очень большой степени: например, из акустического диапазона частот преобразован в оптический диапазон. Таким способом записанный на пространственном модуляторе 6 акустический сигнал превращается в оптический модулированный во времени импульс длительностью не более 0,3 наносекунд (нс) и несущий полную информацию о сигнале от источника сигнала 20 через устройство ввода сигнала 21 поступившем на вход управляемого пространственного модулятора 6. Если вместо пропускающего управляемого пространственного модулятора 6 использовать отражающий (Фиг. 2), то в формуле для эффективной скорости меняется знак: W=с/(sinα+sinβ), в т.ч. соответственно меняется знак и во всех приведенных ниже соотношениях.

Блок 2, предназначенный для опознавания определенного сигнала в потоке информации, работает сходным образом. На его входной порт 4 действует уже не отдельный ультракороткий импульс, а сложный поток информации r(t), созданный блоком 1 и переданный по световоду 9 в блок 2, либо созданный иным внешним источником и поданный на входной порт 4 этого блока. В блоке 2 происходит выделение из потока информации заранее известного сигнала, записанного в виде пропускания управляемого пространственного модулятора 6 этого блока.

Плоская волна, сформированная устройством оптической связи 5 входного порта 4 с управляемым пространственным модулятором 6, например, телескопической зеркальной или линзовой системой, как это показано на Фиг. 1, или одной линзой, освещает плоский управляемый пространственный модулятор 6, коэффициент пропускания которого задается устройством ввода сигнала 21. Величина этого управляющего сигнала прямо пропорциональна амплитуде сигнала, вышедшего из источника сигнала 20 блока 2. В итоге пропускание пространственного модулятора меняется в зависимости от координаты x как φ(x). Пропускание управляемого пространственного модулятора 6 не зависит от координаты у, так же как в блоке 1, т.е. он подобен дифракционной решетке со сложной формой профиля пропускания. При прохождении волны через пропускающий управляемый пространственный модулятор 6 вследствие дифракции происходит рассеяние излучения по углам и локальное изменение амплитуды волны в соответствии с заданной функцией φ(х).

Регистрация рассеянной волны осуществляется под углом β≠α к нормали, проведенной через плоскость управляемого пространственного модулятора. Это позволяет изменить наблюдаемую в направлении β кажущуюся эффективную скорость распространения волны, частично компенсируя ее сверхсветовую величину. Для этого устанавливается высококачественное фокусирующее устройство 7 (безаберрационный объектив, например, линза), выделяющее излучение, прошедшее под углом β, и в заднем главном его фокусе помещается выходной порт 8 в виде малой диафрагмы, выделяющей центральную часть дифракционного пятна.

Полный отклик оптической системы блока 2 пропорционален интегралу:

Выберем углы освещения транспаранта и наблюдения рассеянной волны так, чтобы sinα-Sinβ=1, тогда W=с. Наблюдаемая скорость движения сигнала, поступившего во входной порт 4 блока 2 равна скорости света, координата точки пересечения фронта волны с плоскостью управляемого пространственного модулятора есть x=ct. Формула для амплитуды сигнала, наблюдаемого в точке фокуса выходного объектива (фокусирующего устройства 7) в отверстии выходного порта 8 блока 2, имеет вид:

Учитывая, что наблюдаемая координата χ меняется теперь со скоростью света в вакууме, т.е. x=ct, имеем:

Полученный интеграл есть функция взаимной корреляции вещественных функций φ(t) и r(t). В заявляемом изобретении впервые при формировании корреляции двух сигналов используется не огибающая волнового сигнала, с которой работают все известные одноканальные оптические корреляторы, а ее амплитуда. Тем самым появляется возможность реализации оптимальной фильтрации сигналов оптического диапазона. Зависимость амплитуды волны от времени с учетом положительных и отрицательных полупериодов может быть передана хорошо известными способами с использованием дополнительно введенных в коррелятор элементов, поляризующих излучение.

Так же, как и блок 1, блок 2 может выполнять другие интегральные преобразования входного сигнала, например, установив в любом из блоков углы α и β так, что sinα-sinβ=-1, на выходе получим сигнал, пропорциональный свертке двух сигналов:

Описанная работа двух блоков заявленного устройства показывает, что в каждом из них имеется много возможностей преобразования входного сигнала, начиная от простого умножения на константу или изменения масштаба входного сигнала во времени, и кончая различными типами модуляции и демодуляции входного сигнала.

Вновь подчеркнем, что рассмотренные схемы работы блоков 1 и 2 имеют важное отличие от работы обычных оптических систем, предназначенных для информационного процессинга сигналов: они позволяют работать с сигналами, имеющими как положительные, так и отрицательные амплитуды, с последовательностями импульсных и непрерывных волновых процессов. Знак амплитуды сигнала может передаваться как уровнем сигнала по отношению к среднему уровню, так и непосредственно. Для этого можно использовать управляемые пространственные модуляторы, поворачивающие плоскость поляризации, или изменяющие степень циркулярной поляризации (например модуляторы на жидких кристаллах), применив во входных каналах излучение с право- и левовращающейся циркулярной поляризацией.

Возможно непосредственное соединение блоков, при котором выходной порт 8 блока 1 непосредственно служит диафрагмой-входным портом 4 блока 2. Жесткое объединение оптических систем двух блоков уменьшает вероятность смещения одного блока относительно другого и, соответственно, уменьшается вероятность ошибок преобразования во времени. Одновременно это устраняет влияние волноводной и материальной дисперсии световода, искажающего исходные фазовые соотношения в сигнале.

С целью более компактного расположения блоков возможна такая конструкция, при которой выходной порт 8 блока 1 проецируется на входной порт 4 блока 2 с помощью вспомогательной оптики (например, безаберрационной линзы или вогнутого зеркала, в том числе, снабженных системой плоских зеркал). При этом возможно уменьшение стабильности системы вследствие смещений одного блока относительно другого, или смещения изображений портов, но одновременно - уменьшение габаритов устройства.

Световой поток, вышедший из порта 8 блока 2 передают с помощью световода 9 или непосредственно на вход установленного быстродействующего фотоприемника 12 (например, вакуумного или полупроводникового фотоэлемента), создающего электрический ток, который усиливается усилительной электронной системой 13, усиливающей сформированный фотоприемником зависящий от времени электрический сигнал до величины, необходимой для срабатывания электронного порогового устройства 14. При срабатывании электронного порогового устройства 14 полученный импульс передается на генератор вспомогательного кода опознания сигнала 15, формирующего импульс наличия опознанного в потоке информации заданного сигнала и который создает через специальное устройство 18 сигнал, включающий пространственно-чувствительный фотоприемник 11.

Блок 2 в отличие от блока 1 содержит дополнительное устройство, состоящее из разделителя выходного пучка 10, выполненного, например, в виде полупрозрачного зеркала, и пространственно-чувствительного фотоприемника 11, выполненного, например, в виде диссектора, телевизионной трубки любого типа, или CCD матрицы, установленного в плоскости формирования изображения поверхности управляемого пространственного модулятора 6, т.е. плоскости, оптически сопряженной с плоскостью модулятора. При включении пространственно-чувствительного фотоприемника 11 под действием управляющего импульса изображение управляемого пространственного модулятора 6, сформированное на нем, с помощью согласующего устройства 19 передается в управляющий компьютер 17, где определяется координата действующего в данный момент сигнала корреляции на управляемом пространственном модуляторе 6.

Система обратных связей, показанная на Фиг. 1 штриховыми линиями, предназначена для регулировки коэффициента усиления сигнала фотоэлемента и приведения среднего значения множества сигналов к одному уровню, она же устанавливает уровень срабатывания порогового устройства 14. Сигнал срабатывания поступает на индикатор срабатывания порогового устройства 16.

При современном уровне техники доказано, что с помощью фемтосекундного лазера можно получить световые импульсы длительностью 2-5 фемтосекунд (фс), состоящие из одного колебания светового поля. Если не использовать амплитудную модуляцию, каждый импульс переносит 1 бит информации, и простейшие оптические устройства могут создать поток информации 100 Терабайт в секунду (Тб/с). При падении такого импульса на управляемый пространственный модулятор под углом 30° ему будет соответствовать элемент модулятора шириной 5-7 мкм, эта величина соответствует состоянию современной технологии. Таким образом, заявляемое устройство при длине пространственного модулятора 25 мм обеспечивает обработку бинарного сигнала, состоящего из 4096 элементов за время 80 пикосекунд (пс). С учетом возможности применения амплитудно-модулированных сигналов (1 байт/элемент) получаем скорость обработки информации не менее 8 Тб/с в одноканальной системе. Один и тот же образец опознаваемого сигнала в заявляемом устройстве может использоваться для обработки нескольких информационных потоков, проходящих через управляемый пространственный модулятор под разными углами α и β при условии выполнения указанных выше требований на величину суммы (разности) синусов этих углов, что в несколько раз увеличивает приведенную выше величину скорости обработки потока информации. Блок 2 в этом случае должен быть дополнен соответствующим числом выходных портов с собственными быстродействующими фотоприемниками 12 и световодами 9. Увеличение числа пространственно-чувствительных фотоприемников 11 необходимо в этом случае только при больших одновременных изменениях величин углов α и β, либо может быть реализовано применением двумерных пространственно-чувствительных фотоприемников.

Приведенные выше формулы, описывающие действие управляемого пространственного модулятора на освещающую его световую волну, предполагают непрерывное изменение свойств модулятора вдоль одной координаты, обозначенной как x-координата. Применение такого рода модуляторов известно в устройствах-корреляторах, использующих голографические методы обработки информации, и представляют собой двумерные пространственные фильтры, требующие замены при переходе от одного типа сигналов к другому. Такая замена резко снижает оперативность системы. В заявленном изобретении для обработки потока информации применен одномерный пространственный модулятор с управляемыми пропускающими элементами, расположенными в одной плоскости. Непрерывное оперативное управление в такой системе может быть получено использованием акусто-оптического модулятора.

Однако значительно большей оперативностью и гибкостью обладают управляемые пространственные модуляторы, состоящие из дискретных элементов, присоединенные к выходу управляющего компьютера. Такие модуляторы возможно применять и в заявленном устройстве, выбирая размеры отдельных элементов из условий теоремы Котельникова-Шеннона и учитывая особенности сверхсветового распространения фронта световой волны по поверхности модулятора.

При рассмотрении процесса формирования интегрального сигнала нами не принималась во внимание дифракционная эффективность пространственного модулятора. Если предположить, в соответствии со сделанными выше расчетами, что сигнал имеет дискретную форму и одному элементу соответствует 6 мкм поверхности пространственного модулятора, то рассматриваемая под углом 30° система выглядит как дифракционная решетка с периодом в 1,2 раза меньшим, т.е. 5,2 мкм, или приблизительно 200 штр/мм. Рассеянное излучение должно регистрироваться под таким же углом 30°, что приводит к значительному ослаблению светового потока по сравнению с входящим сигналом из-за дифракции. Компенсировать это ослабление можно, применив в отражательном пространственном модуляторе технику дифракционных решеток с профилированным штрихом (Фиг. 3), расположив управляемые элементы с отражающим слоем 22 под одинаковым углом (показан нормалью N₂) к средней поверхности модулятора (нормаль Ν₁). Как известно из теории и практики дифракционных решеток, в этом случае до 70-80% падающего излучения направляется в сторону «блеска» решетки.

В настоящий момент технологии создания управляемого модулятора оптимизированы по отношению к плоским системам. В них того же эффекта концентрации рассеянного света в нужном направлении можно добиться, снабдив, например, плоский пропускающий пространственный модулятор растром, состоящим из микропризм 23 (Фиг. 4), ширина каждой из которых равна ширине одного элемента модулятора, а угол при вершине рассчитывается из условия отклонения выходящих пучков в соответствии с приведенной выше формулой. Технология производства таких растров известна.

Нанося отражающий слой 22 на общую плоскую поверхность управляемого пространственного модулятора 6 с микропризмами 23, получим такой же эффект повышения дифракционной эффективности в отражающем управляемом пространственном модуляторе изготовленном по схеме, изображенной на Фиг. 5. Конкретное техническое решение определяется имеющимися технологиями и необходимой формой общей компоновки многофункционального оптического коррелятора для обработки потока информации.

Роль малой диафрагмы выходного порта 8 каждого из блоков коррелятора может выполнять входной конец световода 9. В этом случае в блоке 2 можно исключить разделитель по амплитуде волны выходного пучка и поместить входной конец световода 9 блока 2, передающего сигнал на быстродействующий фотоприемник 12, в точку главного фокуса фокусирующего устройства 7, а пространственно-чувствительный фотоприемник 11 - в плоскости оптически сопряженной с плоскостью управляемого пространственного модулятора 6 относительно фокусирующего устройства 7 и расположенной нормально к продолжению оси пучка фокусирующего устройства 7. Первая рассмотренная схема (Фиг. 1), в которой использовалось полупрозрачное зеркало, соответствует оптическим системам с делением волны по амплитуде, описанная выше вторая - системам с делением волны по фронту.

Известные технологии изготовления управляемых пространственных модуляторов позволяют искривлять поверхность модулятора. Применение таких управляемых пространственных модуляторов в заявленном многофункциональном оптическом корреляторе для обработки потока информации позволяет отказаться от некоторых фокусирующих компонентов системы, упростить конструкцию и повысить механическую стабильность. При этом элементы управляемого пространственного модулятора будут иметь разную ширину, что потребует изменения технологии их изготовления.

Принципы действия и эффективность работы заявленного устройства были апробированы экспериментально и методами компьютерного моделирования в Санкт-Петербургском государственном университете в лазерных лабораториях кафедры оптики.

Первый эксперимент относится к реализованному преобразованию одиночного фемтосекундного импульса (длительность на уровне 1/2 максимума равна 30 фс, форма приблизительно гауссова) в цепочку равноотстоящих импульсов с интервалом между импульсами 60 фс. Измерения производились по спектру преобразованных импульсов с помощью микропризменного элемента многофункционального оптического коррелятора для обработки потока информации по схеме (Фиг. 4). Результаты показаны на Фиг. 7. Верхний график (Фиг. 7, а) показывает измеренный спектр, нижний (Фиг. 7, б) - расчетный, совпадение спектров подтверждает осуществленное преобразование. Для сравнения на Фиг. 7(в) приведен спектр исходного одиночного импульса. Скорость распространения импульса по поверхности микропризменного элемента модулятора на порядок превосходила скорость света и составляла (8-10) скоростей света в вакууме, т.е. (2,4-3,0) 10⁹ м/с.

Второй (модельный, компьютерный) эксперимент показал возможность выделения известного сигнала из шума. Рассматривалась последовательность импульсов, скрытых потоком шумовых импульсов при среднем соотношении сигнал/шум по мощности, равном единице. На (Фиг. 8) дается исходный сигнал в смеси с аддитивным шумом (черные точки). Сигнал представляет собой единицу, заданную кодом Баркера В₁₁ и совершенно не виден в полученной смеси сигнала с шумом. Результат обработки и определения взаимно-корреляционной функции дается на том же графике (Фиг. 8, а) красными точками. Малоинерционный фотоприемник, находящийся за выходным портом блока 2 и реагирующий на интенсивность сигнала создает ток, приведенный на Фиг. 8(б). Хорошо видно, что даже в таком сложном случае, как показанный на Фиг. 8(а), обнаружение известного сигнала и его регистрация с помощью простейшего порогового устройства не представляет проблемы. Фиг. 8(б) хорошо показывает также, что регистрируемое с помощью разделителя по амплитуде волны 10 и быстродействующего фотоприемника 12 положение одиночного корреляционного пика на поверхности оптического пространственного модулятора позволяет определить момент времени в потоке информации, который соответствует положению в нем сигнала.

Параллельно проведенное моделирование работы описанного в патенте [4] устройства, которое было принято в качестве прототипа, показало (Фиг. 8, в), что его применение в таких условиях не позволяет сколько-нибудь улучшить отношение сигнал/шум и обнаружить сигнал. Причиной такого резкого различия является использование в заявленном изобретении полных временных и амплитудно-фазовых характеристик сигнала.

Технико-экономическая эффективность заявленного устройства состоит в повышении производительности и расширении функциональных возможностей оптических аналоговых процессоров для опознавание сигнала в потоке информации и преобразования формы оптических импульсов короткой и предельно-короткой длительности за счет использования эффекта перемещения световых импульсов со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, а также в достижении теоретически предельной скорости обработки информации в одноканальной системе при использовании стандартных широко распространенных оптических элементов, что обеспечивает невысокую стоимость разработки и производства многофункционального оптического коррелятора для обработки потока информации. При небольшой доработке стандартного программного обеспечения управлением пространственного модулятора, входящего в состав устройства, оно может быть выполнено методами интегральной оптики, значительно повышающими помехозащищенность и механическую стабильность устройства.

Проведенные апробации заявленного многофункционального оптического коррелятора для обработки потока информации, сопоставительный анализ его с известными аналогами и устройством-прототипом с использованием компьютерного моделирования и с учетом приведенных в приложении к данному описанию теоретических обоснований его работы, показывают, что оно обеспечивает оптимальную обработку цифровых и непрерывных сигналов в реальном времени и дает широкие перспективы расширения его функциональных возможностей и внедрения в производство. К значимым среди них следует отнести, например, миниатюризацию заявленного устройства: возможная в интегральном исполнении, она позволит создать на основе нового устройства обучающуюся акусто-локационную систему для слепых; кроме этого, это может эффективно использоваться в системах оптической связи (в частности, для генерации и опознавания сложных сигналов и их комбинаций; для выделения сигналов из шума методами оптимальной фильтрации; для преобразования сигналов разной длительности и имеющих разный физический носитель в сигналы светового диапазона; для генерации кодированной информации и ее декодирования; для обработки сигналов эхо- и радиолокации; распознавания речи, в том числе сильно искаженной помехами и дефектами канала связи; а также медицине и других сферах деятельности, где требуется оперативная переработка потока информации в режиме реального времени.

Список использованной литературы:

1. Патент USA №6965464 (В2) «Optical processor».

2. Патента RU №2037188 «Оптический многоканальный ассоциативный коррелятор».

3. Патент USA №6934445 (Bl) «Direct space-to-time pulse shaper and optical word generator».

4. Patent WO-0125849 (A2) «direct space-to-time pulse shaper and optical pulse train GENERATOR)) (прототип).

5. G. Moddel, К.M. Johnson, W. Li, et al ″High-speed binary optically addressed spatial; light modulator″. Applied Phusics Letters, 1989, Vol. 55, №6, p. 537-539.

Изобретение может быть использовано для опознавания сигнала в потоке информации и преобразования формы оптических импульсов. Коррелятор содержит блок для формирования потока оптической информации и блок для обработки потока оптической информации. Блок для обработки потока оптической информации содержит разделитель по амплитуде волны выходного пучка, расположенный между фокусирующим устройством блока для обработки потока оптической информации и выходным портом этого блока, и пространственно-чувствительный фотоприемник, размещенный в плоскости действительного изображения пространственного модулятора. Пространственный модулятор каждого блока установлен под углом α к оси пучка устройства оптической связи и под углом β к оси пучка фокусирующего устройства, которые определяются из соотношения: sin(α)-sin(β)=l. Модуляторы управляются источниками сигнала пространственных модуляторов через устройства ввода сигнала. За выходным портом блока для обработки потока оптической информации расположен быстродействующий фотоприемник. Образованный в фотоприемнике импульс тока усиливается с помощью усилительной электронной системы и направляется на электронное пороговое устройство, которое выдает сигнал на генератор вспомогательного кода опознания сигнала, запускающий управляющий компьютер и включающий индикатор срабатывания порогового устройства. Технический результат - повышение быстродействия и производительности коррелятора. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Многофункциональный оптический коррелятор для обработки потока информации, содержащий блок для формирования потока оптической информации и блок для обработки потока оптической информации; на входе блока для формирования потока оптической информации установлен лазер, генерирующий последовательность предельно коротких фемтосекундных импульсов, оба блока содержат входной порт, принимающий импульсный световой пучок, устройство оптической связи для создания плоской импульсной световой волны, которое оптически связано с пространственным модулятором с управляемыми пропускающими элементами, размещенными на одной плоскости, и расположено между входным портом и пропускающим световой пучок пространственным модулятором с управляемыми пропускающими элементами, размещенными на одной плоскости, фокусирующее устройство и выходной порт, причем блоки оптически связаны между собой световодом, отличающийся тем, что блок для обработки потока оптической информации содержит разделитель по амплитуде волны выходного пучка, расположенный между фокусирующим устройством блока для обработки потока оптической информации и выходным портом этого блока, и пространственно-чувствительный фотоприемник, размещенный в плоскости действительного изображения пространственного модулятора с управляемыми пропускающими элементами, размещенными на одной плоскости, созданного фокусирующим устройством этого блока; пространственный модулятор с управляемыми пропускающими элементами, размещенными на одной плоскости, каждого блока установлен под углом α к оси пучка устройства оптической связи для создания плоской импульсной световой волны и под углом β к оси пучка фокусирующего устройства, которые определяются из соотношения: sin(α)-sin(β)=l, пространственные модуляторы с управляемыми пропускающими элементами, размещенными на одной плоскости, управляются источниками сигнала пространственных модуляторов через устройства ввода сигнала, за выходным портом блока для обработки потока оптической информации расположен быстродействующий фотоприемник, а образованный в быстродействующем фотоприемнике импульс тока усиливается с помощью усилительной электронной системы и направляется на электронное пороговое устройство, которое выдает сигнал на генератор вспомогательного кода опознания сигнала, запускающий управляющий компьютер и включающий индикатор срабатывания порогового устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пропускающие элементы пространственного модулятора с управляемыми пропускающими элементами, размещенными на одной плоскости, снабжены микропризмами, каждая из которых имеет одинаковые углы преломления.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что пропускающие элементы пространственного модулятора с управляемыми пропускающими элементами, размещенными на одной плоскости, имеют зеркальные слои.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что пропускающие элементы пространственного модулятора с управляемыми пропускающими элементами, размещенными на одной плоскости, с зеркальным слоем выполнены наклонными с одинаковыми углами.