Многоканальная электронно-лучевая трубка для когерентно-оптической обработки сигналов Советский патент 1983 года по МПК H04N5/82 

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в сейсмической и акустической разведке, а также в радиоастрономии и космической физике при поиске источников кратковременных волновых процессов неизвестного заранее диапазона, которые носят случайный характер. С помощью антенн типа фазированных решеток приемными элементами которых в сейсмическом диапазоне являются геофоны, в акустическом - гидрофоны и в радиодиапазоне - рупорные антенны, можно обнаружить местоположение этих источников. Наиболее эффективное выделение сигналов таких решеток на фоне шумов и точное определение азимута источников сигналов осуществляется методом когерентно-оптической обработки, по которому сигналы радио- или иного диапазона преобразуются в оптические сигналы, а затем с помощью когерентнооптического спектроанализатора осуществляется реконструкция светового волнового фронта в видимое изображение источников сигналов на экране спектроанализатора в координатах, соответствующих азимуту реального источника. При этом одновременно осуществляется фильтрация сигнала от помех с помощью оптических фильтров, установленных в частотной плоскости, и весовая обработка, снижающая влияние боковых лепестков диаграммы направленности антенной решетки 1.

Преобразование сигналов в оптический диапазон может осуществляться с помощью ультразвуковых модуляторов света. В данном устройстве сигналы с элементов антенной решетки после преобразования частоты и усиления подаются на пьезокварцевые электроакустические преобразователи, закрепленные на одном из торцов акустического полигона (многоканального акустического модулятора света). При этОм фазы сигналов, излучаемых в акустический полигон, повторяют фазы сигналов, поступающих на элементы антенной решетки.

Таким образом, ультразвуковые волны, возбуждаемые линейкой пьезокварцевых преобразователей в акустическом полигоне; создают акустическую волновую решетку, распространяющуюся в акустическом полигоне и вызывающую дифракцию светового потока, проходящего сквозь нее. Дифракционное отклонение светд относительной акустической решетки соответствует углу прихода волнового фронта, падающего на антенную решетку.

Акустический полигон устанавливают в передней фокальной плоскости интегрирующего объектива когерентно-оптического спектроанализатора, освещают световым потоком, и в задней фокальной плоскости объектива формируются дифракционные пятна, угловое положение которых соответствует угловой координате источника излучения или отражения радио/ сейсмо-или акустических волн.

На экране, установленной в задней фокальной плоскости интегрирующего объектива спектроанализатора с фокусным расстоянием F, расстояние, отсчитываемое от дифракционного пятна, соответствующего положению объекта на земной поверхности при угле азимута в в до дифракционного пятна, соответствующего положению объекта при нулевом значении в Эд, будет равно

,,

(1)

где A,j и а - соответственно длина волны, падающей на антенную решетку и расстояние между элементами антенной решетки; Лев 1 м - соответственно длина волны монохроматического потока, освещающего акустический полигон, и шаг акустической решетки, распространяющейся в 0 акустическом полигоне, равный расстоянию между центрами соседних ультразвуковых преобразователей.

Таким образом, масштабный элемент К, равный

,-K (2)

определяет разрешающую способность устройства по азимуту, а его постоянство обеспечивает точность измерения азимута объектов излучения или отражения. Однако, если длина волны излучающего объекта случайнаи становится известной только в момент излучения, точность измерения азимута объекта нарушается, так как соответствующая мгновенная расстановка элементов антенной или ультразвуковых преобразователей, с целью сохранения постоянной величины масштабного коэффициента, невозможна.

Недостатком известного устройства является также низкая разрешающая способность, ограниченная значительной величиной шага дифракционной решетки, причем уменьшение расстояния между соседними ультразвуковыми модуляторами, определяющего шаг дифракционной решетки, принципиально ограничено дифракционной расходимостью и затуханием ультразвуковых волн в

5 среде акустооптического взаимодействия.

Затухание ограничивает также полосу частот . сигналов, поступающих на вход ультразвуковых преобразователей и размер апертуры, который в связи с большой емкостью ультразвуковых волн должен быть

0 значительным для обеспечения необходимой длительности акустооптического взаимодействия, достаточной для регистрации выходного сигнала в виде яркостного дифракционного пятна фотоприемниками, на. пример фотодиодными матрицами.

Применение матриц фотодиодов для считывания распределения светового потока в выходной плоскости спектроанализатора позволяет осуществлять- дискретизацию выходного оптического сигнала и преобразование его в совокупность электрических сигналов, что удобно при последующей обработке. Ввиду того, что быстродействие матрицы фотодиодов невелико, последние не зарегистрируют выходной сигнал при малой длительности обработки. Наиболее близкой к предлагаемой является электроннолучевая трубка для когерентно-оптической обработки сигналов, содержащая электронную пушку, включающую катод управляющий электрод и анод, расщепляющую диафрагму, многоканальный модуляторный блок, фокусирующую систему в виде одиночной щелевой линзы, включающей три последовательно расположенных электрода, а также отклоняющую систему и прозрачный термопластический экран 2. В известном устройстве быстродействие записи, определяемое скоростью развертки линейки электронных зондов на термопластическом экране, сочетается с требуемой длительностью обработки, которая может регулироваться подбором режима термического проявления и стирания в соответствии со скоростью считывания спектроси.гнала фотодиодной матрицей. Однако уменьшение щага дифракционной решетки путем уменьшения расстояния между соседними элементами многоканального модулирующего блока также, как и в акустических модуляторах света, ограничено. Здесь оно ограничивается допустимой величиной переходного затухания. Таким образом, известное устройство характеризуется низкой разрешающей способностью и низкой точностью измерения .азимута, связанную с непостоянством масштабного коэффициента, зависящего от длины волны, поступающей на антенную решетку. Цель изобретения - повыщение разрешающей способности и точности измерений. Указанная цель достигается тем, что в многоканальной трубке, содержащей электронную пушку, включающую ленточный катод, управляющий электрод и анод, расщепляющую диафрагму, многоканальный модуляторный блок, фокусирующую систему в виде одиночной щелевой линзы, включающей три последовательно расположенные электрода, а отклоняющую систему и прозрачный термопластический экран, упомянутая фокусирующая система снабжена двумя дополнительными электродами, установленными на входе и выходеодиночной щелевой линзы, при этом обращенные друг к другу торцовые поверхности дополнительных электродов и соответствующих крайних электродов линзы выполнены искривленными, образующими симметрич ные зазоры с направленными к центру линзы выпуклостями, и дополнительные электроды электрически соединены с анодом электронной пушки. На фиг. 1 представлена многоканальная электроннолучевая трубка, сопряженная с когерентно-оптическим спектроанализатором, общий вид; на фиг. 2 и 3 - соответственно в плоскости yOZ и в плоскости симметрии линзы XOZ геометрия электродов фокусирующей системы и условный ход электронных пучков, а также схема подключения электродов, где Уд - перемениый управляемый Частотомером потенциал на крайних электродах; 4(. - потенциал на дополнительных электродах, равный потенциалу анода электронной пушки; Vi - потенциал на среднем электроде щелевой линзы, управляемый генератором развертки.. Устройство содержит электронную пушку, состоящую из ленточного катода 1, управляющего электрода 2 и анода 3, формирующую ленточный электронный пучок 4. За анодом расположена расщепляющая диафрагма 5 с множеством расположенных на одной линии отверстий, создающих ряд элементарных электронных пучков 5, расположенных в одной плоскости, совпадающей с общей плоскостью симметрии врего устройства XOZ. Далее за диафрагмой, по ходу пучка расположен многоканальный модульный блок 7, составленный из квадрупольных линз, число которых соответствует числу элементарных пучков, связанных с соответствующими приемными элементами фазированной антенной решетки. Апертура 8 каждой модулирующей пучок квадрупольной линзы выбирается из условия исключения влияния краевых эффектов. Обычно 10 dn, где - радиус квадрупольной линзы; dfi - диаметр пучка в области квадрупольной линзы, приблизительно равный размеру отверстий расщепляющей диафрагмы 5. Расстояние d между осями соседних квадрупольных линз (шаг многоканального модулятора) определяется допустимой величиной переходного затухания, обычно . 1,5 мм.. Далее расположен многоканальный блок 9 линз, фиксирующий элементарные пучки в направлении, перпендикулярном плоскости XOZ. За блоком 9 линз расположена фокусирующая система 10, состоящая из электродов И -13 щелевой одиночной линзы и установленных по обеим ее краям дополнительных электродов 14 и 15 (фиг. 2). Обращенные друг к другу поверхности электродов 11 и 14 образуют вогнутый по ходу пучка искривленный зазор (фиг. 3), а обращенные друг к другу поверхности электродов 13 и 15 образуют выпуклый зазор. Электрод 12, являющийся средним электродом одиночной щелевой линзы, подключен к высокому отрицательному потенциалу Vj, электроды 11 и 13 закорочены между собой и через преобразователь частота-возбуждение связаны с частотомером принимаемого фазированной антенной решеткой излучения. Дополнительные электроды 14 и 15 находятся под потенциалом анода Уг 0, а электроды 11 и 13 под изменяемым в соответствии с частотой принимаемого излучателя переменным отрицательным потенциалом V. За пятиэлектродной фокусирующей сиетемой 10 расположена отклоняющая система 16, состоящая из отклоняющих электродов 17 и 18, причем обращенная к пучкам поверхность скошенной под углом 45° части электрода 17 выполнена зеркальной, а установленная под углом 45° к плоскости симметрии трубки XOZ плоскость 19 электрода 18 выполнена из стекла, металлизированного со стороны, обращенной к пучкам. Со стороны, противоположной пучкам, электрод 18 имеет также зеркальную поверхность 20, скощенную под углом 45° к плоскости XOZ. За отклоняющей системой установлен прозрачный термопластический экран 21 с микрорельефом в виде дифракционной решетки 22. На фиг. 1 обозначен световой поток 23 квантового генератора 24 и коллиматора 25. Далее по ходу светового потока 23, выведенного за пределы вакуумно-плотной оболочки многоканальной электроннолучевой трубки через оптическое окно на расстоянии от термопластического экрана, равном фокусному F, расположена интегрирующая линза спектроанализатора 26, и далее на таком же расстоянии экран 27 спектроанализатора, выполненный в виде диодной матрицы; связанной с координатоуказателем источника излуче ния. Устройство работает следующим обраПри поступлении на приемные элементы фазированной антенной решетки излучаемого объектом волнового фронта на элементарные квадрупольные линзы многоканального модуляторного блока подаются сдвинутые по фазе сигналы, причем величина фазного сдвига равна А ё.,з1пв/Л, где 0 - азимутальный угол между направлекием пеленга фазированной антенной решетки и направлением на излучающий объект. Одновременно с помощью частотомера измеряется длина излучаемой волны j, в зависимости от величины которой преобразователь частота-возбуждение формирует уровень потенциала на соединенных между собой электродах И и 13 пятиэлектродной фокусирующей системы 10. Квадрупольные линзы обеспечивают модуляцию проходящих через их апертуру элементарных электронных пучков 6 путем расфокусировки их в плоскости симметрии ленточного пучка XOZ, что вызывает увеличение площади поперечного сечения каждого электронного пучка на экране 21 и соответствующее уменьшение платности зарядов, осаждаемых при сканировании пучков. Это вызывает модуляцию по глубине термопластической структуры и соответственно фазовую модуляцию дифрагмирующей на экране 21 световой волны. Фокусировка каждого электронного пучка на .термопластическом экране 21 осуществляется в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а именно в направлении YOZ, перпендикулярном плоскости симметрии ленточного пучка 4, соответствующей элементарной линзой многоканального блока 9 линз. В направлении XOZ фокусировка пучков осуществляется одиночной щелевой линзой составной фокусирующей системы 10. Симметричное расположение электрически связанных между собой электродов 11 и 13 относительно электрода 12 обеспечивает постоянство оптической силы одиночной щелевой линзы при изменении потенциала этих, связанных с частотомером, электродов с изменением длины волны принимаемого излучения, и размер пучка в направлении YOZ остается постоянным по ходу пучков. Первый вогнутый искривленный зазор между электродами 11 и 14 с тормозящим электроны полем оказывает фокусирующее действие на линейку движущихся к экрану пучков, искривляя траекторию электронов в плоскости XOZ составной фокусирующей системы (фиг. 3). Ввиду большого радиуса кривизны зазора фокусирующее действие слабо. Уменьшение же радиуса кривизны с целью усиления фокусирующего действия приводит к возрастанию сферической аберрации и увеличению размеров периферийных элементарных пучков, путь которых в пространстве зазора длиннее, и к неравномерному изменению расстояний между соседними пучками уменьшается к периферии. Однако фокусирующее действие усиливается вторым по ходу пучков искривленным зазором между электродами 13 и 15, собирающее действие которого в ускоряющем электроны поле обеспечивается выпуклой по ходу входящих в зазор пучков геометрией. Совокупное фокусирующее действие двух зазоров, вогнутого и выпуклого, приводит к уменьшению первоначального расстояния между соседними пучками, заданного расположением отверстий расщепляющей диафрагмы и выбираемого из условия допустимого переходного затухания в многоканальном модуляторном блоке. При этом благодаря связи с частотомером электродов 11 и 13 расстояние будет изменяться с длиной волны поступающего на фазированную

антенную решетку излучения. Большой радиус зазоров обеспечивает малую сферическую аберрацию и, следовательно, равномерный шаг между пучками. Сканирование на термопластическом экране 21 линейки пучков с помощью отклоняющей системы 16 приведет после осаждения зарядов на экране 21 и после термического проявления к появлению микрорельефа в виде фазовой дифракционной решетки 22, шаг которой изменяется с длиной волны (фиг. 1).

Таким образом, введение дополнительных электродов с искривленной поверхностью и соответствующее искривление обращенных к ним поверхностей крайних электродов щелевой одиночной линзы фокусирующей системы позволяет за счет уменьщения щага дифракционной решетки увеличить углы дифракции световой волны, проходящей через термопластический экран, увеличивая тем самым разрешающую способность когерентно-оптического метода определения азимута излучающих объектов. Кроме того, за счет возможности регулировки шйга dj дифракционной рещетки обратно пропорционально длине волны Лц можно сохранить постоянным масштабный коэффициент 3, т. е. повысить точность определения азимута излучающего объекта со случайным изменением частоты.

Независимость регулировки оптической силы в двух взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивает динамическую подфокусировку электронных пучков при бЪльшой длине отклонения линейных электронных пучков при управлении напряжением среднего электрода 12 щелевой одиночной линзы с генератором развертки. При этом щаг дифракционной рещетки остается неизменным по всему полю термопластического экрана.

В предлагаемом устройстве средний размер термопластической канавки экрана 21

порядка 0,015 мм, а расстояние между центрами соседних канавок достигает порядка 0,02 мм. Этот размер определяет минимальный шаг фазовой дифракционной решетки на термопластическом экране. Таким образом, разрешающая способность предлагаемого устройства по сравнению с известными может быть увеличена в 75 раз. Получение требуемой точности измерения азимута излучающих объектов со случайным изменением частоты в известных устройствах затруднено. так как оперативная перестановка приемных элементов антенной решетки невозможна, а перестройка частоты квантового генератора имеет малый диапазон и является сложной технической задачей.

Использование многоканальной электроннолучевой трубки с составной фокусирующей системой в радиоастрономии, гидролокации позволяет повысить разрешающую способность и точность определения азимута объектов, частота излучения которых

случайна.

МНОГОКАНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВАЯ ТРУБКА ДЛЯ КОГЕРЕНТНО-ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ фазированной антенной решетки, содержащая электронную пушку, включающую ленточный катод, управляющий электрод и анод, расщепляющую диафрагму, многоканальный модуляторный блок, фокусирующую систему в виде одиночной щелевой линзы, включающей три последовательно расположенных электрода, а также отклоняющую систему и прозрачный термопластический экран, отличающаяся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и точности измерений, фокусирующая система снабжена двумя дополнительными электродами, установленными на входе и выходе одиночной щелевой линзы, при этом обращенные Друг к другу торцовые поверхности дополнительных электродов и соответствующих крайних электродов линзы выполнены искривленными, образую S щими симметричные зазоры с направленны(Л ми к центру линзы выпуклостями, и дополнительные электроды электринески соединены с анодом электронной пущкц. о 1C to со оо ел