Акустооптический спектроанализатор Советский патент 1987 года по МПК G01R23/17 

8, имеющий отверстие, оптический, затвор 9, высокочастотный ключ 10, блок 11 однотипных кольцевых регистраторов, блок 12 однотипных таймеров, унифицированную магистраль 13 ЭВМ, кольцевые регистры 14-16, генератор 17 тактовых импульсов, таймерные модули 18-20, преобразователь 21 уровней.

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть применено в системах радиолокации, диагностики плазмы, радиоастрономии для анализа спектров быстроизменяющих- ся сигналов.

Целью изобретения является повы- шение быстродействия акустооптичес- кого спектроанализатора.

На фиг. 1 представлена функциональная схема спектроанализатора; на фиг, 2 - временные диаграммы, поясняющие управление электрическим ключом и оптическим затвором; на фиг. 3 - структурная схема таймерно- го модуля; на фиг. 4 - структурная схема кольцевого регистра; на фиг. 5 - схема временной структуры управляющего кадра.

Функциональная схема спектроанализатора (фиг. 1) содержит источник 1 когеретного света - лазер, формирователь 2 светового пучка, акустооп- тический модулятор (АОМ) 3, усйли-г таль (У) 4, интегрирующую линзу (1Ш) 5, многоэламентный фотоприемник 6 на приборах с зарядовой связью (ПЗС), блок 7 аналоговой обработки (БАО), непрозрачный экран 8 с отверстием (Д) оптический затвор (3)9, высокочастотный ключ (КП) 10, блок 14 однотипных кольцевых регистров (БКР), блок 12 однотипных таймерных модулей (БТМ), унифицированную магистраль ЭВМ 13, кольцевые регистры (КР) 14- 16, генератор 17 тактовых импульсов (ГТН), таймерные модули 18-20 (ТМ), преобразователь 21 уровней (ПУ).

Лазер 1 является источником света в оптической системе. Формирователь

ткниьй.

1355939

Формирователь 2 пучк.а служит для со г- ласования геометрических размеров лазерного луча и звукопровода акусто- оптического модулятора 3. Алгоритм функционирования устройства и временные диаграммы, поясняющие его работу, приводятся в описании изобретения, 2 з.п, ф-лы, 5 ил.

пучка 2 служит для согласования геометрических размеров лазерного луча и зпукопровода АОМ 3. ИЛ 5 выполняет .преобразование Фурье падающего на нее светового распределения. АОМ 3 является устройством ввода сигналов в оптическую систему. В вьгходной плоскости ИЛ 5 .помещена матрица ПЗС 6, служащая устройством вывода сигналов из оптической системы. Вплотную к ней размещена диафрагма Д 8, оставляющая открытой только одну строку матрицы. Затвор 9 и ключ 10 служат для стробирования светового и электрического сигналов соответственно. Элементы устройства 1, 9, 2, 3, 58и 6 соединены между собой оптически и расположены последовательно. Вход АОМ 3 электрически соединен с усилителем 4, увеличивающим мощность электрических сигналов. Аналоговый выход ПЗС фотоприемника 6 электрически соединен с БАО 7, необходимым для усиления амплитуды сигналов. Электрические входы ПЗС фотоприемника 6 че- рез преобразователь уровней связаны с выходами устройства управления, которое состоит из двух частей: операционного БЮ 11 и управляющего БТМ 12. ;БКР формирует импульсные последовательности, необходимые для функционирования ПЗС матрицы 6, затвора 9 оптического квантового генератора (ла- зера) ключа 10 на входе усилителя 4. ,БТИ 12 формирует заданную, внутрикадро- вую структуру управляющих импульсов Ф, поступающих в БКР 11, и осуществляет подсчет числа импульсов фаз II на счетных выходах БКР. Оба блока по информационно-адресным входам связаны с унифицированной магистралью ЭВМ 13.

БТМ 12 представляет собой однородную структуру из q однотипных таймер- ных модулей (Tlfj-TMa) 18-20, причем выход запуска УП; i-ro ТИ соединен с i-ми входами запуска-блокировки всех ТМ блока.

БКР 11 состоит из р однотипных модулей кольцевых регистров (КР - КРр) 14-16, причем фазные выходы через преобразователь уровней 21 соединены с электродами фаз ПЗС-матрицы 6, затвором 9 лазера 1, ключом 10, входы синхронизации К соединены с выходом ГТН 17. Счетный выход П.; j-ro К блока кольцевых регистров 11 соединен со всеми j-ми счетными входами таймерных модулей БТМ, а выход управления i-ro Til БТМ 12 подключен ко всем i-M входам управления кольцевых регистров БКР 11..

Устройство работает следующим образом.

Анализируемый сигнал усиливается усилителем 4 и поступает на АОМ 3, освещаемый когерентным световым лучом лазера 1, сформированным формц- рователем 2. Интегрирующая линза 5 выполняет преобразование Фурье по двум координатам. В выходной плоское- ти устройства распределение амплитуды оптического поля вдоль направления, параллельного направлению распространения ультразвука в звукопроводе АОМ, пропорционально, мгновенному спектру входного сигнала. Этот оптический сигнал преобразуется в электрический путем накопления зарядов за время t в одной строке матрицы ПЗС 6, которая расположена за отверстием в экране 8. Для того, чтобы накоп- пление зарядов осуществлялось только в одной строке матрицы, геометричес-. кие размеры отверстия и непрозрачном экране В должны совпадать с геомет- рическими размерами строки матрицы 6 Кроме того, параметры АОМ и матрицы ПЗС определяют фокусное расстояние интегрирующей линзы в плоскости оптическая ось - направление распрост- ранения ультразвука в звукопроводе АОМ. Размер рабочего поля L в выходной плоскости вдоль направления распространения ультразвука равен

Т - i.F

L - -g- F,,

где А - длина волны света.лазера; й - полоса частот AOMj

F - фокусное расстояние интегрирующей линзы в данной плоскости; , S - скорость звука в материале

звукопровода.

Для оптимального использования элементов строки матрицы ПЗС необходимо, чтобы

L М-а,

где М - число элементов в строке марицы;

а - размер одного элемента матрцы вдоль строки.

Элементы строки используются достаточно оптимально, когда

L (0,9...1) Ma,

где 0,9...1 - коэффициент использования. Следовательно, фокусное расстояние 1Ш 5 в плоскости оптическая ось - направление распространения - ультразвука в звукопроводе АОМ должно удовлетворять соотношению

()Ма§ t.

(1)

Размер G распределения интенсивности света в выходной плоскости вдоль направления, перпендикулярного направлению распространения ультразвука, определяется из выражения

.

где d - ширина звукового столба в

звукопроводе АОМ; Fj- фокусное расстояние линзы 5

в плоскости, перпендикулярно

направлению распространения

ультразвука.

Для того, чтобы G не превосходил размер одного элемента матрицы в направлении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука, необходимо, чтобы выполнялось условие

bd

2 (1...2)

(2)

где. 1... 2 - коэффициент пропорциональности;

b - размер одного элемента матрицы поперек строки. Из формул (1) и (2) легко получить, что при при реальных значениях ширины звукового столба F, Р.

В качестве ИЛ 5 удобно использовать анаморфотную систему с F, V .

После накопления зарядов в одной строке матрицы в течение промежутка времени IT зарядовый рельеф, пропорциональный мощности спектра входного сигнала, переносится в соседнюю строку. Снова регистрируется спектральная характеристика входного сигнала в течение следующего промежутка времени 1. , После этого зарядовый рельеф матрицы ПЗС сдвигается еще на одну строку и т.д. Таким образом можно молучить спектральные характеристики к временных промежутков длительностью Г, где к - полное число строк в матрице.

Соседние анализируемые промежутки и разделены между собой временным интервалом о, необходимым для переноса зарядов на один элемент вдоль столбца. Минимальная величина «того интервала определяется тактовой частотой считывания f и равна

1/f.

Величину времени накопления Zr можно сделать сколько угодно малой. Фактически она ограничивается снизу требуемой величиной частотного разрешения й мин

б

Если €„ f

1

V- , т.е. время накопления равно времени переноса, то в строках матрицы будет накапливаться зарядо- вьш рельеф, соответствующий спетраль ным характеристикам участков сигнала отстоящих друг от друга на величину, обратную тактовой частоте. Причем информация о спектре входного сигнала усредняется за это же время, равное 1/f. Характеризующее быстродействие прототипа время усреднения Т N/f, где N - число считываемых элементов в линейном фотоприемнике прототипа, т.е. в данном устройстве время усреднения в N раз меньше времени Т усреднения в устройстве-прототипе. Следовательно, быстродействие данног устройства вьше, чем быстродействие прототипа при одинаковых тактовых частотах опроса в число раз равное числу элементов в линейном фотоприемнике устройства-прототипа.

После заполнения заданного числа строк матрицы зарядовыми пакетами, содержащими информацию об энергети- ческих спектрах отрезков входного сигнала, осуществляется их вывод через сдвиговый регистр. На вывод всей информации затрачивается время (Мк)/ /f, после чего устройство готового к

новому циклу измерений. Из зтого следует, что устройство способно анализировать спектр входного сигнала с высоким быстродействием в течение некоторого отрезка времени, равного

сГ + )к, с последующей паузой, рав- ной (Мк)/.

Иногда необходимо проводить спектральный анализ при с « .

На фиг. ,а показан уровень мощности выходного сигнала, а штриховкой отмечены промежутки времени, в которые необходимо измерять спектр входного сигнала. Сигнальная или шумовая составляющие, поступающие на фотоприемник в промежутках Т,, приводят к

снижению динамического диапазона устройства. Для устранения шумовых составляющих по радиоканалу во входной информационной цепи установлен электрический ключ 10, отключающий Ug от АОМ на время Т. Для устранения шумовой составляющей по оптическому каналу между лазером и формирователем луча установлен оптический затвор 9 (например, электрооптический). Причем оптический затвор 9 должен открываться одновременно с электрическим ключом 10 и закрываться позже электрического ключа на время

-г: 2

0 5

где D - апертура АОМ.

Такая задержка необходима для того,

g чтобы спектральные- составляюш 1е накапливались в фотоприемнике все время, пока анализируемый сигнал находится в апертуре АОМ. Импульсы управления электрическим ключом Unnp,,

„ и оптическим затвором Uapp показаны на фиг. 26, в соответственно. Открывает устройство высокий уровень. Максимальное быстродействие спекроанали- затора достигается при с Ти 1/f.

5 Устройство управления акустоопти- ческого спектроанализатора выполняет следующие функции: формирует программируемую внутрикадровую импульсную последовательность фазных напряжений

элемента 26 (ЛЭ2;) в соответствии с

| его функцией выхода

V .

,J

К

ПЗС-матрицы; программно управляет излучением лазера|.управляет электрон- ньм высокочастотным ключом на входе спектроанализатора.g

Устройство управления выполнено в виде двух блоков: блока 11 кольцевых регистров и блока 12 таймерных модулей.

БТМ 12 представляет собой однород- 10 нуго структуру из q однотипных таймерных модулей 18-20. Внутренняя структура i-ro таймерного модуля (ТМ) раскрыта на фиг, 3, где программируемый счетчик (ПС;) 22 осуществляет подсчет 15 магистралью ЭВМ 13. Таким образом

где т - управляющие импульсы блока

таймерных модулей; - совокупность q логических программно задаваемых на информационных выходах реги стра управления констант.

По информационно-адресным входам PC;

и РУ2; связаны с унифицированной

импульсов на выходе М; логического элемента (ЛЭГ;) 23 при разрешающем уровне сигнала на управляющем выходе Ф; ЛЭ1 , Логический элемент 23 i-ro TTl реализует следующие логические функции от сигналов на счетных входах П,,..Пр, входах запуска (блокировки УП,...УПл) и информационных входах oi, j6 , у :

-ГГПк «: .,

-(zivn.pvy(,r)/

где р - число модулей кольцевых

регистров в БКР 11; q - число таймерных модулей в БТМ 12; значения логических констант

.MfV

обеспечивается программное управление кольцевым регистром.

Структура управляющего кадра, не- оходимая для функционирования акусто

20 оптического спектроанализа в режиме анализа энергетических спектров радиосигналов (отрезков радиосигналов) с высоким временньм разрешением схематически представлена на фиг. 5

25 и может быть условно разбита на три цикла: I - накопление спектральной информации об анализируемых входных сигналах; II - вывод информации чере сдвиговый регистр; III - очистка мат

30 рицы перед следующим кадром.

На фиг. 5 показаны импульсные последовательности фаз секций накопления (Ф) и хранения (Ф), Фаз сдвигового регистра (Фр) и импульсы сбро

на информационных выходах ре- 35 () , формируемые БКР 11, кроме

гистра управления 24 (РУ1р.

Включение логического элемента 23 совместно с регистром управления 24 позволяет реализовать управляемый запуск-блокировку i-ro ТМ и осуществлять коммутацию произвольного счетного выхода БКР с произвольным счетным входом БТМ, что необходимо для оперативной перестройки режима функционирования спектроанализатора. Для осуществления программного управления таймерным модулем РУ1 24 и ПС; 22 по информационно-адресным входам связаны с унифицированной магистральюЭВМ13

ВКР 11 состоит из р однотипных модулей, также образующих однородную структуру кольцевых регистров 14-16. :Внутренняя структура j-ro КР изображена на фиг. 4, где регистр сдвига 25 (РС) формирует последовательность перекрывающихся фазных напряжений на входах преобразователя уровней 21. Запуск-блокировка PC; осуществляется с помощью логического

40

того,показана импульсная последовательность пауз ( Г ), устанавливающая временное, разрешение устройства- с. Поскольку в матрицах ПЗС управлен трехфахное, Ф, Ф, Ф. представляют собой комбинацию трех сдвинутых по фазе напряжений каждая.

В начале I цикла устройство уп- равления формирует напряжения, пере jg мещающие заряды вдоль столбцов с частотой 1/(Т + Tj). В этой части кадра формируются последовательности Фц, Фх, о„. Кроме того, здесь формируются Uupp.Kft и Uunp.-ij показанные

gQ на фиг. 2, где изображена только эта часть кадра. Во II цикле накопленные в строках заряды последовательно сдвигаются в регистр сдвига и выводятся из него. Здесь требуется форми Фк, Фо, PvES. Причем посл Ф,

gg рование Фц,

X f

одного импульса Ф, Ф вырабатываются последовательности М импульсов Фр и RES. В III цикле в заключительной части кадра непрерьшно вырабатыэлемента 26 (ЛЭ2;) в

| его функцией выхода

V .

магистралью ЭВМ 13. Таким образом

где т - управляющие импульсы блока

таймерных модулей; - совокупность q логических программно задаваемых на информационных выходах регистра управления констант.

По информационно-адресным входам PC;

и РУ2; связаны с унифицированной

магистралью ЭВМ 13. Таким образом

обеспечивается программное управление кольцевым регистром.

Структура управляющего кадра, не- оходимая для функционирования акустооптического спектроанализа в режиме анализа энергетических спектров радиосигналов (отрезков радиосигналов) с высоким временньм разрешением, схематически представлена на фиг. 5

и может быть условно разбита на три цикла: I - накопление спектральной информации об анализируемых входных сигналах; II - вывод информации через сдвиговый регистр; III - очистка матрицы перед следующим кадром.

На фиг. 5 показаны импульсные последовательности фаз секций накопления (Ф) и хранения (Ф), Фаз сдвигового регистра (Фр) и импульсы сбро () , формируемые БКР 11, кроме

того,показана импульсная последовательность пауз ( Г ), устанавливающая временное, разрешение устройства- с. Поскольку в матрицах ПЗС управление трехфахное, Ф, Ф, Ф. представляют собой комбинацию трех сдвинутых по фазе напряжений каждая.

В начале I цикла устройство уп- . равления формирует напряжения, перемещающие заряды вдоль столбцов с частотой 1/(Т + Tj). В этой части кадра формируются последовательности Фц, Фх, о„. Кроме того, здесь формируются Uupp.Kft и Uunp.-ij показанные

на фиг. 2, где изображена только эта часть кадра. Во II цикле накопленные в строках заряды последовательно сдвигаются в регистр сдвига и выводятся из него. Здесь требуется форми- Фк, Фо, PvES. Причем после Ф,

рование Фц,

X f

одного импульса Ф, Ф вырабатываются последовательности М импульсов Фр и RES. В III цикле в заключительной части кадра непрерьшно вырабатываются последовательности Ф, Ф, Фр и RES для устранения насыщения элментов фотоприемника темновым током перед приемом следующего кадра. Этот цикл необходим,„если промежутки времени между последовательными кадрами съема превышают время памяти ПЗС матрицы. Как видно из структуры управляющего кадра, представленной на фиг, 5, &огласно предложенному принципу построения устройства управлени требуются три кольцевых регистра и девять таймерных модулей.

Алгоритм функционирования устрой- ства управления, акустооптического спектроанализатора в режиме сверхоперативной регистрации энергетическ спектров отрезков входных радиосигналов заключается в следующем.

. ЭВМ через унифицированную магистраль 13 по информационно-адресным шинам всех модулей БКР 11 и БТМ 12 осуществляется запись констант , в регистры управления РУ1 и РУ2, программно устанавливаются внутренние состояния всех И 14-16 и та 18-20.

По окончании программной установки параметров БКР и БТМ ЭВМ формирует импульс запуска первого таймерного модуля, после чего устройство управления функционирует в автономном режиме в соответствии с временной диаграммой на фиг. 5 до прихода либо сигнала сброса из ЭВМ, либо до достижения терминального значения в таймер- ном модуле числа полных кадров.

Аналоговый сигнал с выхода матрицы ПЗС, отражающий результаты сверхоперативной регистрации и буферизации в аналоговом запоминающем устройстве энергетических спектров анализируемых входных радиосигналов (отрезков радиосигналов), поступает на вход блока 7 аналоговой обработки, где осзтцествляется усиление, фильтрация и двойная коррелированная выборка. Далее он может быть отображен на экране видеоконтрольного устройства и

после оцифровывания введен в ЭВЧ для дальнейшего анализа.

Формула изобретения

1. Акустооптический спектроанали- затор, содержащий последовательно расположенные оптически связанные лазер, формирователь светового пучка,

акустооптический модулятор, электрически связанный с усилителем, вход которого является информационным входом спектроанализатора, интегрирующую линзу и многоэлементный фотоприемник на основе приборов с зарядовой связью, электрически связанньй через преобразователь уровней с устройством управления, содержащим генератор тактовых импульсов я блок аналоговой обработки, выход которого является информационным выходом спектроанализатора, отличающийся тем, что, с целью повьшгения быстродействия, многоэлементйый фотоприемник вьтолнен в виде матрицы, оптически связанной с интегрирующей линзой одной своей строкой, ближайшей к верхнему регистру матрицы, для чего перед матричным фотоприемником вплотную к нему помещен непрозрачный экран с отверстием, геометрические размеры которого равны размерам строки матрицы, а интегрирующая линза выполнена в виде анаморфотной системы с-фокусным расстоянием F в плоскости оптическая ось - направление распространения ультразвука в звукопроиоде модулятора, равным

й

где М - число фоточувствительньгх

элементов- в строке матрицы; а - размер одного элемента матрицы в направлении распространения звука в звукопроводе модулятора; S - скорость звука в материале

звукопровода; Л - длина волны лазера; - полоса анализа спектроанализатора, с фокусным расстоянием F,

нальной плоскости, равным

2 в ОрТОГОF.

Ы (H2)i

где b d 5

размер одного элемента матрицы;

размер звукового столба в звукопроводе в направлении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука, причем многоэлементный фотоприемннк расположен в выходной плоскости анаморфотной системы.

2, Спектроанализатор по п.1, о т - личающийся тем, что устройство управления содержит однородную наращиваемую структуру однотипных кольцевых регистров и электрически связанную с ней однородную наращиваемую CTpyKfypy однотипных таймер- ных модулей, причем выход запуска каждого таймерного модуля соединен с соответствующими входами запуска-блокировки всех таймерных модулей, счетный выход каждого кольцевого регистра соединен с соответствующими счетными входами всех таймерных модулей, а выход управления каждого таймерного модуля подключен к входам управления всех кольцевых регистров, каждьй тай- мерный модуль состоит из программируемого счетчика, регистра управления и логического элемента, входы которого являются счетными входами и входами запуска-блокировки таймерного модуля, логический уровень М( на пер- вом выходе логического элемента i-го таймерного модуля определяется выражением

М; ZZnK- i ,

L

число кольцевых регистров; логический уровень на к-м счетном входе логического элемента; логический уровень на к-том

причем выход логического элемента соединен с управляющим входом регистра сдвига, выходы которого являются выходами устройства управления и соединены с входами преобразователя ур оинформационном входе логичес- 35 счетным выходом кольцевого

кого элемента 1-го таймерного модуля,

а логический уровень Ф на втором выходе логического элемента i-ro таймерного модуля определяется выражением

40

регистра, а вход синхронизации регист ра сдвига соединен с выходом генератора тактовых импульсов, логический элемент по информационным входам соединен с регистром управления, а информационные адресные входы регистра управления и регистра сдвига подклю- .чены к унифицированной магистрали ЭВМ.

Р; (. /з; )( Уе

К-1

где q - число таймерных модулей;

логический уровень на к-м

входе запуска-блокировки логического элемента;

ри - логический уровень на (р+к)-м g,, информационном входе логического элемента i-ro таймерного модуля;

X - логический уровень на (p+q + +1)-м информационном входе логического элемента i-ro таймерного модуля.

причем первый выход логического элемента соединен со счетным входом программируемого счетчика, а второй выход логического элемента является управляющим выходом таймерного модуля и дополнительно связан с управляющим входом программируемого счетчика, выход которого является выходом запуска таймерного модуля, логический элемент по информационным входам соединен с регистром управления, а информационно адресные входы регистра управления и программируемого счетчика подключены к унифицированной магистрали ЭВМ, каждый кольцевой регистр состоит из регистра сдвига, регистра управления и логического элемента, входы которого являются входами управления кольцевого регистра, логический уровень Y; на выходе логического элемента j-ro кольцевого регистра определяется выражением ЧY 11 .

J

где ;

- логический уровень на i-м информационном входе логического элемента j-ro кольцевого регистра,

причем выход логического элемента соединен с управляющим входом регист ра сдвига, выходы которого являются выходами устройства управления и сое динены с входами преобразователя ур о- „ счетным выходом кольцевого

40

45

м g,,

регистра, а вход синхронизации регист ра сдвига соединен с выходом генератора тактовых импульсов, логический элемент по информационным входам соединен с регистром управления, а информационные адресные входы регистра управления и регистра сдвига подклю- . .чены к унифицированной магистрали ЭВМ.

3. Спектроанализатор по пп. 1 и 2, отличающий с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона, между лазером и формирователем светового пучка помещен оптический затвор, а в информационной цепи спектроанализатора установлен электрический ключ, причем оба этих дополнительных устройства электрически связаны через преобразователь уровней с устройством управления.

%

/7f /7 2 fJp i

y/7f /7/

Щ

7

/J

фивЗ

::

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в системах радиолокации, диагностики плазмы, радиоастрономии для анализа спектров бы- строизменяющихся сигналов. Целью изобретения является повышение быстродействия акустооптического спект- роанализатора. Устройство содержит источник 1 когерентного света - лазер, формирователь 2 светового пучка, акустооптический модулятор 3, усилитель 4, интегрирующую линзу 5, много- элементньй фотоприемник 6 на приборах с зарядной связью, блок 7 аналоговой обработки, непрозрачный экран с (Л д