Когерентно-оптический процессор для обработки сигналов антенной решетки Советский патент 1991 года по МПК G06E3/00 

Изобретение относится к. области оптоэлектроники и может быть использовано в радиотехнических комплексах с антенными решеткамио

Известно устройство, состоящее из блока преобразования частоты, вход которого подключен к решетке излучателей, а выход связан с электрически входом акусто-оптического модулятора оптически через согласукяций оптический тракт связанного с лазером и линейкой фотоприемников, электрические выходы которой связаны с блоком регистрациио

Недостаток устройства - низкая стабильность параметров и ограниченное быстродействиео Первый недостаток обусловлен тем, что входной импеданс акусто-оптического преобразователя модулятора носит комплексный характер, причем соотношение активной и реактивной составляющей изменяется в широких пределах от частоты к частоте, особенно вблизи частот акустического резонанса поверхностных волн Кроме того, для различных частот акустическая добротность акустооптического преобразователя различна, что также снижает стабильность параметpofi проце;ссора в полосе частот Второй недостаток вызван ограниченной полосой пропускания акусто-оптической ячейки в области верхних частот, которая определяется конструкцией поверхностно-акустического преобразователя и материалом акусто-оптической ячейки

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности явля ется когерентно-оптический процессор дпя обработки сигналов антенной .решетки, содержащий расположенные последовательно на одной оптической оси лазер, коллиматор, поляризатор, N-канальный электрооптический модулятор, поляризационный анализатор, сферическую линзу и линейку фото.приемников, выходы которой соединены с регистратором, а также блок преобразования частоты, выходы которого связаны с электрическими входами N-кнапьного электрооптического модулятора.

Недостаток устройства - низкая ст бильность эксплуатационных параметров (быстродействия, помехозащищенности, разрешающей способности, точности) о Недостаток вызван влиянием

температурных вариаций коэффициента преломления необыкновенного луча кристалла N-канального электрооптического модулятора на распределение оптического сигнала в плоскости фотоприемников С другой стороны, на распределение сигнала в плоскости регистрации линейки фотоприемников существенное вхшяние оказывает относительный фазовый набег между сигналами в различных каналах N-канального электрооптического модулятора, вызваный градиентом температуры по попереному сечению, механическими напряжениями в кристалле и др Поскольку са по себе электрооптический эффект носит фазовый характер, в плоскости регистрации; не удается восстановить адекватную картину амплитудно-фазового распределения сигнала в раскрыве антенной решетки

Целью изобретения является повышение точности за счет компенсации искажений фазового фронта в эяектрооптическом модуляторе

Цель достигается тем,что в устройство, состоящее из расположенных последовательно на одной оптической оси лазера, коллиматора, поляризатора, N-канального электрооптического модулятора, поляризационного анализатора, сферической линзы и линейки фотоприемников, выходы которых соединены с регистратором, а также из блока преобразования частоты,введены светоделитель, расположенный между лазером и электрооптическим модулятором, одноканапьный фотоприемник, вторая линейка фотоприемников, ключ, коммутатор, фильтр нижних частот, компаратор, N-канальный фазовый корректор, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, демультиплексора, N реверсивных цифровых накопителей, N преобразователей код-напряжение и N усилителей, причем илход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу демультиплексора, каждый из N выходов которого подключен к входу соответствующего реверсивного цифровог накопителя одноименного канала, выход которого через соответствующий преобразователь код-напряжение подключен к усилителю одноименного канала, вход одноканального фотоприемника через светоделитель оптически связан с лазером, а выход - с информационным входом ключа, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого через фильтр нижних частот и коммутатор связан с выходами второй линейки фотоприемников, а выход - с информационным входом аналого-цифрового преобразователя N-канального фазавого KOpiректора, сигнальные входы усилителей которого связаны с выходами блока преобразования частоты, а сигнальные выходы усилителей - с злектрическими входами N-канального электрооптнческого модулятора, при этом сннхронизирующий выход коммутатора связан с управляющим входом кпюча и с синхронизирующими входами аналого-цифрового преобразователя и демультиплексора N-канального фазового корректора, а поляризационный анализатор выполнен в виде двупреломляющей поляризационной призмы, второй оптический выход которой, поляризованньй ортогонально первому оптическому выходу, связан ному с первой линейкой фотоприемников, оптически связан с второй линейкой фотоприемников, На фиго приведена функциональная блок-схема процессора; на фиго2 - схе ма N-канапьного фазового корректора Когерентно-оптический процессор содержит лазер 1, светоделитель 2, коллиматор 3, поляризатор (призма Глана) 4, N-канальный электрооптический модулятор 5, поляризационный анализатор 6, сферическую линзу 7 и первую линейку фотоприемников 8, выходы которой связаны с регистратором 9 ВЬ1ХОды второй линейки фотоприемников 10 связаны с коммутатором П, сигнал ный выход которого через фильтр нижних частот 12 соединен с одним из входов компаратора 13., Другой вход компаратора 13 связан с выходом одноканального фотоприемника 14 через ключ 15о Выход компаратора 13 связан с аналого-цифровым преобразователем 16 N-канальиого фазового корректора 17о Фазовый корректор 17 содержит также демультиплексор 18, N реверсивных цифровых накопителей 19, N преобразователей код-напряжение 20 и N усилителей 21, сигнальные входы коТ01ЯЙХ связаны с выходами блока преоб„ раэования частоты 22, а сигнальные выходы усилителей- с .электрическими входами N-канального электрооптического модулятора, при этом синхроннзируюций выход коммутатора 11 связан с управляющим входом ключа 15 и с синхронизирупщимн входами аналогоцифрового преобразователя 16 и демультиплексора 18, информационный вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), 16. Выходы демультиплексора 18 подключены к входам соответствующих реверсивных цифровых накопителей (РЦН) 19, выхрды которых через соответствующие преобразователи код-на1фяжеиие подключены к соответствумщим усилителям 21 о Вход однокаиального фотоприемника 14 связан с лазером-1 через светоделитель 2« Поляризационный анализатор 6 выполнен в виде призмы Глана с незачерненнрй второй гранью, оптический выход которой связан оптически с второй линейкой фотоприемников Юо Работает устройство следуищим образом. Сигналы с элементов антенной решетки поступают в блок преобразования частоты 22, где осуществляется их перенос на промежуточную частоту, минимальное значение которой одределяется необходиьодм подавлением комбинационш 1х составляющих и шириной спектра сигналов, максимальное - полосой рабочих частот N-канального электрооптического модулятора 5в Передача информации об амплитудно-фазовом распределении СВЧ-поля в световой поток осуществляется N-канальным эдектрооптическим модулятором 5, электрические входы которого связаны с блоком преобразованиячастоты 22 через Н-канальный фазовый корректор 17 Корректор обеспечивает необхода1« 1й уровень управляющих напряжений в каналах модулятора 5 и величину постоянных корректирующих напряжений, подаваемых в КЖ1СДЫЙ канал одаовреьюнно с BЧ-cигнaлa u, N-Канальный электрооптический модулятор 5 осуществляет фазовую модуляцию когерентного светового потока лазера 1 и в соответствии с cигнaлa вI иа его злектрических входах таким образом, что распределению поля на апертуре антеиной. решетки f (x,t) - Ар(х) sin COf t+ Cf p (x)3 / ,j соответствует-.распределение (при не ч . « л-г болыпих значениях индекса фазоэой модулйции)( f -siticot-i Si|i sin (tibQ)t-tpp(x)(х)1 -i sin r((J)p(x) + tfj где т(хО - индекс .фазовой модуляции, пропорциональньш амплитуд сигнала на входах модулятора;р круговая частота ВЧ-сигСО - круговая частота оптического излучения; Ар(х), (х) - распределение амплитуд и фаз ВЧ-сигналов; (0 (х) - дополнительный фазовый сдвиг, вызванный естественным двулучепреломлением кристалла модулятора; Q - круговая частота модулирующего напряженияо При помощи двух скрещенных поляризационных устройств - поляризатора 4 и анализатора 6, установленных на вхо де и выходе модулятора 5 фазовая модуляция преобразуется в амплитудную, выходной оптический сигнал подвергается Фурье-преобразованию при помощи сферической линзы 7, преобразуется в электрический при помощи линейки фото приемников 8 и поступает в регистраTop 9, где происходит вычисление и запись необходимых параметров сигналов в раскрыве антенной решетки (угловое распределение источника СВЧ-излучения и дрс,)о Как видно из приведенного выше выражения5 полезная информация об амплитудно-фазовом распределении поля в раскрыве антенной решетки представлена в виде боковых полос с составляющими частот ((0-Q) и ((), Однако однозначное преобразование распределения СВЧ поля и оптического сигнала в плоскости регистрации возможно только в случае известной зависимости (х), представляющей собой дополнительный фазовый сдвиг, вызванный естественным двулучепреломлением в кристалле На практике Cfo(x) подвержена влиянию множества Факторов и заранее не предсказуемао Так, даже небольшие температурные градиенты (порядка 0,) приводят к изменению Цо() ), что полностью искажает картину распре деления поля в антенной решеткво Преобразование фазовой модуляции в амплитудную при. помощи скрещенных поля ризаторов приводит к тому, что дополнительный фазовый сдвиг Ср5(х) выражается в смещении среднего уровня оптического сигнала на выходах каждого канала модулятора Это смещение в каждом канале на выходах анализатора 6 в лучах со взаимно ортогональной поляризацией имеет противоположньш знако Так, при отсутствии естественного двулучепреломпения в канале Cfg(:)0 средний уровень оптического сигнала на каждом из выходов анализатора 6 равен половине.среднего уровня оптического сигнала на входе модулятора 5, Естественное двулучепреломление в кристалле равносильно смещению рабочей точки данного канала модулятора. Это смещение вызывает противоположное изменение среднего уровня оптического сигнала на выходах анализатора с ортогональной поляризацией лучей, уровень одного из указанных сигналов становится больше половины уровня входного оптического сигнала, другого - меньше. Таким образом, имеется возможность извлечения информации о величине и знаке дополнительного фазового набега за счет естественного двулучепреломления путем сравнения средних уровней сигналов на выходах анализатора со взаимно ортогональной поляризацией лучей, либо сравнением одного из указанных сигналов с уровнем входящего в модулятор 5 потока излученияо Поскольку один из лучей на выходе анализатора 6 связан со сферической линзой 7 и используется для дальнейшей обработки информации, дпя определения величины и знака дополнительного фазового набега Ср (х) (в канале с номером п) используется второй луч поляризационного анализатора 6о Этот лучвторой оптический выход анализатора оптически связан с второй линейкой фотоприемников 10, электрические выходы которой через коммутатор 1I и ; фильтр нижних частот 12 связаны с вторым входом компаратора 13о Коммутатор 11 осуществляет последовательную подачу сигналов, соответствукщих каждому каналу модулятора 5 на компаратор 13с При этом в качестве опорного сигнала, подаваемого на первый вход компаратора 13, используется сигнал одноканального фотоприемника 14, связанного через- ключ 15 с первым входом компаратора 13о Ключ 15 осуществляет синхронную подачу сигналов на первый и второй входы компаратора 13о Таким образом, на одном из входов ком паратора при неизменной мощности лазера I образуется последовательность импульсов одинаковой амплитуды, на другом - сигналы, средний уровень которых зависит от величины естественного двулучепреломпения в каждом из каналов модулятора 5. После прохождения фипьтра нижних частот 12 эти сигналы приобретают вид импульсной последовательности длины N; амплитуда каждого импульса последовательности несет информа дию о дополнительном фазовом сдвиге в каждом из каналов модулятора 5, По сигналам на выходе компаратора 13 осуществляется определение необходимой величины компенсирующего напряжения, подаваемого на каждый из N каналов модулятора 5оРеализовать эту операцию можно при помощи известных аналоговых схем, однако построение N-канального фазового корректора на основе цифровых схем позволяет достигнуть большей однородности структуры и расширить область устойчивой работы устройствао Последнее обстоятельство особенно важно в связи с тем, что монотонное изменение дополнительного фазового сдвига под действием, например, разогрева кристалла проходящим оптическим излучением требует соответствукяцего увеличения уровня компенсирукяцего напряжени Это .напряжение компенсирует фазовьй сдвиг, однако его абсолютная величина может выйти за пределы, допустимые для кристалла, либо необходимое его значение может оказаться выше ра бочих напряжений элементов схемы фазового корректора 11 о В связи с этим возникает необходимость такого построения схемы корректора, которое, используя свойство периодичности характеристики электрооптического моду лятора, осуществляет сброс предела регулирования на величину удвоенного полуволнового напряжения (2 U-jf), Toe в случае, если необходимая величина компенсирующего напряжения UV 2 и, Г-, на модулятор подается и - 2 Uj.TaK, что в любом сл чае ( ° Осуществляется это следуюпщм образом Синхронно с коммутатором 11 работает аналогоцифровой преобразователь 16 и демультиплексор 18о На выходе АЦП вырабатывается цифровое представление сигнала компаратора 13 последовательно для каждого канала модулятора 5, Этот сигнал через демультиплексор подается на ряд реверсивных цифровых наког пителёй (РЦН), по сигналу которых вырабатывается компенсирующее напряжение При монотонном уходе рабочей точки модулятора 5 в каждом такте работы устройства в соответствукщий РЦН заносится код, который суммируется с хранящимся в нем кодом, что приводит к соответствующему увеличению компенсирующего напряжения„ Если же (, 2 U/jj., происходит переполнение РЦН, он обнуляется и устанавливается UI, О, что равноценно, поскольку характеристика модулятора имеет период 2 Предел счета РЦН установлен так, что О гомп- Аналогичный процесс происходит последовательно для каждого канала модулятора 5о Последовательный контроль каждого канала не приводит к ухудшению параметров фазового корректора, поскольку инерционность процесса измене- ния величины естественного двулучепреломления кристалла в худшем случае определяется временем порядка единиц секунд, так что практически не трудно установить тактовую частоту работы коммутатора 11 так, что она на порядок превышает скорость ухода рабочей точки Таким образом, предложенное устройство позволяет обеспечить практически полное соответствие амплитудно-фазового распределения оптического сигнала в плоскости регистрахцад и на апертуре антенной решетки за счет компенсации искажений фазового фронта, вызывае1 1х непараллельностью торцов кристалла, отклонением направления распространения света от оси кристалла, температурными градиентами и др Это приводит к повьшению точности, разрешающей способности, коэффициента направленного действия и других параметров системы антенная решетка - когерентно-оптический процессор .

КОГЕРЕНТНО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ.СИГНАЛОВ АНТЕННОЙ РЕЩЕТКИ, содержавщй расположенные последовательно на одной оптической оси лазер, коллиматор, поляризатор Н-канальный электрооптический модулятор, поляризационный анализатор, сферическую линзу и линейку фотоприемников, выходы которой, соединены с регистратором, а также блок преобразования частоты, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности за счет компенсации искажений фазового фронта в электрооптическом модуляторе,, в него введены светоделитель, расположенный между лазером и электрооптическим модулятором, одноканальный фотоприемник, вторая линейка фотоприемников, ключ, коммутатор, фильтр нижних частот, компаратор, N-канальный фазовый корректор, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, демультиплексора, N реверсивных цифровых накопителей, N преобразователей код-напряжение и N усилителей, причем выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информа1щонному входу демультиплексора, каждый из N выходов которого подключен к входу соответствукядего реверсивного цифрового накопителя одноименного канала, выход которого через соответствующий преобразователь код-напряжение подключен к усилителю одноименного канала, вход одноканального фотоприемника через светоделитель оптически связан с лазером, а выход - с информационным входом ключа, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого через фильтр нижних частот и коммутатор связан с выходами второй линейки фотоприемнисл ков, а выход - с информационным входом аналого-цифрового преобразователя N-канального фазового корректора, сигнальные входы усилителей которого связаны с выходами блока преобразования частоты, а сигнальные выходы усилителей - с электрическими вxoдaмIi N-канального электрооптического модулятора, при этом синхронизирующий СП выход коммутатора связан с управляющим входом ключа и с синхронизирующи-. ми входами аналого-цифрового преобразователя и демультиплексора N-канальро ного фазового корректора, а поляризационный анапизатор выполнен в виде двупреломпяющей поляризационной призмы, второй оптический выход которой, поляризованный ортогонально первому оптическому выходу, связанног-1у с первой линейкой фотоприемников, оптически связан с второй линейкой фотоприемников.