Оптико-электронный модуляционный спектрограф Советский патент 1988 года по МПК G01R23/17 

Фиг.1

Изобретение относится к области измерения и регистрации спектров сигналов в радиоастрономии.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона спек- трограф а с синхронным интегрированием на фотоприемнике за счет увеличения эффектийной зарядовой емкости интегрирующих ячеек фотоприемника.

На фиг. 1 представлена структурная схема оптико-электронного спек- троанализатора на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие временной характер

зон частот акустооптического спек- троанализатора 3. В последнем происходят преобразование радиосигнала в оптический и пространственное спектральное разложение последнего. Оптические сигналы спектральных компонент проецируются на зону III (фиг. 2S) секции накопления (СН) МПЗС 4. В засвеченных элементах фотоприемника накапливается заряд q, пропорциональный освещенности и времени накопления. Каждому столбцу элементов МПЗС соответствует свой

Изобретение относится к измерению и регистрации спектров сигналов в радиоастрономии.Цель изобретения - увеличение динамического диапазона спектрографа, с синхронным интегрированием на фотоприемнике. Устройство содержит модулятор 1 , спектральный приемник 2, акустооптический спектро- анализатор 3, матричный фотоприемник Tt на приборе с зарядовой связью с кадровой организацией,счетчик 6,регистрирующий прибор 11 и опорный генератор 8. Введение делителя 7 частоты и анализаторов 9 и 10 увеличивает эффективную зарядовую емкость интегрирующих ячеек фотоприемника. 2 ил. с (Л со О5 00 х 00

амплитудной модуляции входного сигна- if спектральный отсчет, который форми- ла (а) и работу матричного фотопри- руется лишь в зоне III. Зоны I, II, емника (б) .,

Ш, IV, V и VI изолированы от свет и служат зонами хранения зарядовой информации.

Оптико-электронный спектрограф (фиг. 1) содержит модулятор 1,первый вход которого является входом устрой- ства, соединенный по выходу с входом спектрального приемника 2, кото- рьм соединен по выходу с электрическим входом акустооптического спек- троанализатора 3, оптический выход которого связан с матричным фотоприемником 4 на приборе с зарядовой связью (МПЗС). Выход генератора 5 реверсивных фазных импульсов соединен с управляющим входом МПЗС 4, первый вход генератора 5 соединен с выходом счетчика 6. Вход счетчика 6,вторые входы модулятора 1 и генератора 5,

а также первый вход делителя 7 частоты опорного генератора 8 соединены с выходами опорного генератора 8. Электрический выход МПЗС 4 соединен с входом первого анализатора 9,который по первому выходу связан с входом второго анализатора 10,- а по вто- 40 версивных фазных импульсов вырабатырому - с вторым входом делителя 7, выходом связанного с третьим входом генератора 5. Второй анализатор 10 по первому выходу соединен с вторым входом спектрального приемника 2 и третьим входом делителя 7, по второму выходу - с регистрирующим устройством 11.

Спектрограф работает следующим образом.

С приемной антенны А на вход спектрографа постулает радиосигнал,который по сигналам с опорного генератора 8 модулируется модулятором 1 с

периодом Тдд Т,-1-Т/ (фиг. 2а).Спект- 55 рельеф,отображающий спектр сигнала ральный приемник осуществляет усиление модулированного радиосигнала в полосе приема и преобразует диапазон частот принимаемого сигнала в диапаSj. По следующему импульсу с опорного генератора 8 в момент времени t синхронно с переключением модулятора 1 генератор 5 вырабатывает

спектральный отсчет, который форми- руется лишь в зоне III. Зоны I, II,

Ш, IV, V и VI изолированы от света и служат зонами хранения зарядовой информации.

До начального момента времени t элементы СН очищены, в счетчик 6 записано удвоенное (2п) число циклов синхронного накопления (п). В делителе 7,состоящем из последовательно

соединенных двух сдвиговых регистров и счетчика, исходный код хранит первый регистр (во втором регистре осуществляется его деление на 2,счетчик считает импульсы начиная с заданного числа и по переполнении вьздает сигнал на выход делителя).В

момент времени t, на вход спектрографа подается сигнал и в зоне III происходит накопление заряда, соот- ветствующего сигналу первого полупериода, модуляции S.

приходом

импульса с опорного

момент времени сигнал с S, на S,

вает последовательность импульсов, которая перемещает зарядовый рельеф, отображающий усредненный за время Т, спектр сигнала S,, из зоны III

в зону I. Одновременно из зоны V в зону IV перемещаются пустые зарядовые пакеты. Перемещение зарядовых пакетов осуществляется на К строк. В этот же момент времени t, по импульсу с опорного генератора 8 уменьшается содержимое счетчика 6 и счетчика, входящего в состав делителя 7. В течение промежутка времени Т в зоне III формируется зарядовый

рельеф,отображающий спектр сигнала

Sj. По следующему импульсу с опорного генератора 8 в момент времени t синхронно с переключением модулятора 1 генератор 5 вырабатывает

обратную последовательность фазных импульсов,которая устанавливает исходное расположение зарядовых пакетов, что завершает первый цикл синхронного накопления. В этот же момент времени t счетчик 6 и счетчик делителя 7 уменьшают свое состояние. Когда число таких циклов равно заданному в делителе 7, в момент времени t с делителя поступает снг- нал, по которому генератор 5 реверсивных фазных импульсов перемещает заряды при очередном их сдвиге не на К строк,а на К+1. В результате в зоне III появляются пустые зарядовые пакеты и в период начинается их заполнение.-Счетчик делителя в момент /времени t восстанавливает свое первоначальное состояние.Синхронное накопление в новых зарядовых пакетах продолжается до тех пор, пока не поступит сигнал либо со счетчика 6, либо с делителя 7. Если сигнал поступает со счетчика 6, в момент времени tg , генератор 5 вырабатывает фазные импульсы, производящие перемещения накопленных зарядов за время из СН в секцию хранения (СХ) МПЗС. Информационный, заряд в накопленном кадре (фиг. 2) расположен в четырех группах строк: в двух - соответствующий, спектру сигнала S, и двух других - спектру сигнала

2

Заряды из СХ по фазным импульсам генератора 5 выводятся через выходной регистр и в.ыходное устр ойст- во МПЗС 4 независимо от синхронных перемещений в СН.

С выхода МПЗС 4 сигнал поступает на анализатор 9, который в-случае, если сигнал превосходит заданный уровень и, ,вьщает сигнал на делитель Уровень и определяется зарядовой емкостью ячейки в СН МПЗС.Сигнал, поступающий на второй вход делителя, осуществляет сдвиг исходного кода на один разряд вправо (деление на 2). В результате при формировании следующего кадра делитель 7 делит импульсы с опорного генератора 8 на меньшее- число, что.приводит к увеличению числа строк зарядовых пакетов, соответствующих спектру входного сигнала. , .

С выхода первого анализатора 9 сигнал поступает на вход второго анализатора 10. Если сигнал с МПЗС близок к насьш1ению даже при использовании синхронного накопления с промежуточным сдвигом (распределен- ное накопление).и превосходит уровень и,, то анализатор 10 выдает

сигнал, по которому уменьшается коэффициент усиления радиосигнала в спектральном приемнике 2, восстанавливается первоначальная постоянная деления в делителе 7. После этого в очередном кадре протекает режим первоначального накопления. Если сигнал с МПЗС уменьшается до порога Цд, определяемого шумами

считывания с МПЗС, то сигнал с выхода анализатора 10 увеличивает коэффициент усиления спектрального приемника 2 и также восстанавливает первоначальное состояние делителя 7.

Соотношение уровней опорных напряжений

и и

и.

и

л«акс ;

где и

/мркс

напряжение с МПЗС, соответствующее выводу максимального заряда Q. С второго выхода анализатора 10 сигнал поступает на регистрирующее устройство 11. В сигнале могут быть сформированы отметки о режиме работы спектрографа, например числе управляющих сигналов с анализаторов. Динамический диапазон устройства

5

D

где С

МО) КС

0

длакс У--

; .

максимальный сигнал i-й спектральной компоненты,-. получаемый в результате определения разности в процессе дальнейшей обработки между спектрами сигналов S / и S

г

45

2, - собственные шумы -системы.

, Mokc

-- и

7г,

где и

мокс

i;

0

it

усредненный за время накопления Т П Т, лезный сигнал S,; усредненный за Т ц пк

((Т, Tj) входной шумовой радиосигнал S

г

Для известных спектрографов мак„ .„ ма&с

симальныи сигнал С ; ограничен зарядовой емкостью Q;- j-й ПЗС ячейки столбца СН, в которой он накапливается за время Тц.,,

рмакс.

Sj u О

при поэтому

D,

аа;

Jlii.

5i

где Qj- - зарядовая емкость одной ПЗС ячейки с номером

(i,j);

а ; - коэффициент преобразования.

В данном устройстве полезный сигнал S, накапливается не в одной, а в m ячейках, m - число зарядовых строк, соответствующих сигналу 84(8) Динамический диапазон устройства

Qi:

где q

2:

г;

эффективная зарядовая емП)

кость, Q

(S

Сравнение D, и П показывает, что устройство позволяет до биться увеличения динамического диапазона в m раз. .

Формула изобретен и.я

Оптико-электронный модуляционный спектрограф, содержащий последовательно соединенные между собой модуля13687986

тор, первый вход которого является входом спектрографа, спектральный приемник, акустооптический спектро- g анализатор,матричный фотоприемник на приборе с зарядовой связью с кадровой организацией, управляюпщй вход которого .подключен к выходу генератора реверсивных фазных импуль10 сов, первый вход которого подключен к выходу счетчика, а также устройство регистрации, опорный генератор, соединенный с вторыми входами модулятора и генератора реверсивных фаз15 ных импульсов и входом счетчика, отличающийся тем,что,с целью расширения динамического диапазона, в него введены делитель часто- . ты опорного генератора и два после20 довательно соединенных анализатора, причем первый вход делителя связан с выходом опорного генератора, второй вход - с вторым выходом первого анализатора, вход которого подключен

25 к выходу матричного фотоприемника, третий - с первым выходом второго анализатора и с вторым входом спектрального приемника, выход делителя соединен с третьим входом генерато30 ра реверсивных фазных импульсов, второй анализатор по второму вьпсоду соединен с входом регистрирующего устройства.

/

S/

f

tl 6

OHO

В

XpOHPfffJA

Z

1

f

tu

tn-1 fn