Оптоэлектронный анализатор спектра широкополосных сигналов Советский патент 1988 года по МПК G01R23/17 

5C-:tv

оо

00

оо

N5

S(t) апертуры AOM. ная частота анализи сигнала связана с п частотой сигнала в соотношением

f V-fx,

10

15

Изобретение относится к области оптоэлектронной техники и может быть использовано в радиотехнике в качестве анализатора сп ектра сигналов импульсно-доплеровских радиолокаторов и высотомеров.

Цель изобретения - повышение разрешающей способности спектроанализа- тора по частоте.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого анализатора.

Анализатор содержит последовательно оптически соединенные лазер 1, коллимирующую линзу 2, акустоопти- ческий модулятор (АОМ) 3, первую 4 и вторую 5 линзы Фурье,расположенные на расстоянии, равном сумме их фокус- ньи: расстояний, коллимирующую линзу

6, транспарант 7 и матричньш фото- 20 ®в arcsin (Л/2Л), детектор 8 на -приборах с зарядовой связью (МПЗС), выход которого соединен с первым входом первого ключа 9, первый и второй выходы которого соединены соответственно с инверти- РУК1ЩИМ и неинвертирующим входами интегратора 10, выход которого подключен к первому входу второго ключа 11, первый и второй выходы которого соединены с входами соответственно первого 12 и второго 13 квадраторов, вькоды которых соединены соответственно с первым и вторым входами векторного сумматора 14, выход которого является выходом анализатора. Входом анализатора является радиовход

акустооптического модулятора 3. Пять выходов устройства 15 управления подключены соответственно к второму входу первого ключа 9, к второму входу второго ключа 11, к третьему входу интегратора 10, к управляющему входу матричного фотодетектора 8 и к син- хровходу лазера 1, Транспарант 7 помещен непосредственно перед МПЗС 8,

.aлизaтop работает следующим образом.

ализируемый сигнал S(t) подается на радиовход АОМ 3 и создает в нем бегущую акустическую вoлнyJ изменяющую коэффициент преломления среды вдоль апертуры АОМ.

Световой потокJ, излучаемый лазером,, проходит коллимирующую линзу 2 и создает на выходе АОМ 3 световое распределение, фаза которого модули- по закону изменения входного воздействия S(t) за время t - t + Т, где Т - время прохождения сигналом

где fx - пространст V - скорость р

ультразвук

Для выделения лшпь ной компоненты перв повьш1ения дифракцио АОМ угол падения о светового поля выбр щим условию Брэгга

где Л - длина волны

Д - длина акусти Линзы 4 и 5 осуществ

25 вание фазовой модуля сигнала АОМ в амплит того, .преобразование ражения, необходимое ния геометрических р

30 МПЗС.

Цилиндрическая ко за 6 расширяет прохо поле в перпендикуляр и обеспечивает однов ку всех строк МПЗС. при импульсной засве каждая строка MI3C о вым полем, амплитуда строки промодулирова вии с сигналом, нахо момент в апертуре АО нальным входному воз Между коллимирующей расположен транспара М строк, равных числ и совокупности m М Каждый из m участков четырех соседних стр дая из этих строк и прозрачности, равный

35

40

45

50

55

Ь«:(х)

,

. sin

о

при

Я + 2liK; К

противном случае;

„V Ti 2УП , , х . sin---x b,(x) Q X

при

S(t) апертуры AOM. При этом временная частота анализируемого входного сигнала связана с пространственной частотой сигнала в апертуре АОМ соотношением

f V-fx,

(1)

где fx - пространственная частота; V - скорость распространения

ультразвука в АОМ.

Для выделения лшпь одной дифракционной компоненты первого порядка и. повьш1ения дифракционной эффективности АОМ угол падения облучающего АОМ светового поля выбран удовлетворяющим условию Брэгга и равен

®в arcsin (Л/2Л),

где Л - длина волны светового поля;

Д - длина акустической волны. Линзы 4 и 5 осуществляют преобразование фазовой модуляции выходного сигнала АОМ в амплитудную и, кроме того, .преобразование масштаба изображения, необходимое для согласования геометрических размеров АОМ и

МПЗС.

Цилиндрическая коллимирующая линза 6 расширяет проходящее световое поле в перпендикулярном направлении и обеспечивает одновременную засветку всех строк МПЗС. Таким образом при импульсной засветке лазером 1 каждая строка MI3C облучается световым полем, амплитуда которого вдоль строки промодулирована в соответствии с сигналом, находящимся в этот момент в апертуре АОМ и пропорциональным входному воздействию S(t). Между коллимирующей линзой 6 и МПЗС- расположен транспарант, состоящий из М строк, равных числу строк МПЗС, и совокупности m М/4 участков. Каждый из m участков состоит из четырех соседних строк, причем каждая из этих строк имеет коэффициент прозрачности, равный:

Ь«:(х)

,

. sin

о

при О + 2ТК

Я + 2liK; К 0,1,2.,

противном случае;

„V Ti 2УП , , х . sin---x b,(x) Q X

при

2|Гпх

27) + 2/IK; К 0,1,2..,,

в противном случае;

Ь(х) cos ---X

о

при

ные на выходах квадраторов 12 и 13 значения Н (п) и Т4 (п) поступают на входы векторного сумматора 14. На выходе векторного сумматора 14 получается электрический сигнал вида

Изобретение может быть исполь- Iзовано в радиотехнике в качестве анализатора спектра сигналов импульсно- доплеровских радиолокаторов и высотомеров. Оптоэлектронный анализатор спектра широкополосных сигналов содержит лазер 1, коллимирующие. линзы 2, 6, акустооптический модулятор 3, линзы 4, 5 Фурье, расположенные на расстоянии, равном сумме их фокусных расстояний, транспарант 7, состоящий из М строк, равных числу строк матричного фотоприемника 8, и совокупности m т М/4 участков (каждый из m участков состоит из четырех соседних строк), с определенным коэффициентом прозрачности, взятым из соотношения, указанного в описании изобретения, ключи 9, 11, интегратор 10, квадраторы 12, 13, векторный сумматор 14, устройство 15 управления. Оптоэлектронный анализатор имеет повышенную разрешающую способность по частоте. 1 нл. (С СЛ

,2М,|..,1,2,

21/n b (K) в противном случае.

О

при - +

2 К

X - 0,1,2..., в противном случае,

где длина строк транспаранта; X - текущая пространственная

координата; п - определяет число периодов

синусоидального и косину- соидального затемнения транспаранта вдоль строки /щя т-й совокупности из четырех строк (определяет частоту настройки фильтра). Устроенный таким образом транспарант предназначен для получения произведения S(x) - пространственного представления сигнала S (t) - на функ. 2«п 2(1п

ПИИ sin.X и COSX.

XX

При последовательном считывании сигналов с пер- ых двух строк ш-й совокупности из четырех строк, подключаемых при помощи первого ключа 9 соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входим управляемого интегратора 10, и накоплении получающегося результата на выходе интегратора 10 в момент окончания считывания второй строки накапливается сигнал, пропор- циональньш

.21Гп jb(,x;sin(--Ig(n) 5s(x)sin(™x).dx

(2)

Полученное значение ) при помощи второго ключа 11 подключается к квадратору 12, возводится в квадрат и хранится до момента окончания считьшания следующих двух строк. Считьшание следующих двух строк обеспечивает получение на выходе интегратора 10 сигнала, пропорционального

I,(n).ls(x)cos(-|--x) dx,(3)

о..

подключаемого при помощи второго ключа 11 к квадратору 13. Получен1(п) ) + I(n),

которьй и является выходным сигналом, так как он пропорционален одной из гармоник энергетического спектра сигнала S(t).

Устройство 15 управления осуществляет управление работой матричного ГОС 8 и синхронизацию режимов работы лазера 1, ключей 9, 11 и интегратора 10.

. Четвертый выход устройства управления представляет собой совокупность напряжений, управляющ гх работой матричного ГОС 8 в стандартном кадровом режиме.

п 25

Ключ 9 осуществляет поочередную коммутацию выходного сигнала МШС 8 с инвертирующей и незшверт-ирующим входами интегратора. 10. Эта коммутация происходит каж,щяй раз с вы30 водом новой строки. В качестве сигнала, управляющего вторым входом ключа 9 (первый выход устройства управления), могут использоваться стро чные гасящие импульсы, управJiHioiuiie

35 МЗПС 8.

Третий вход интегратора 10 является входом сброса напряжения на , выходе интегратора. Сброс интегратора осуществляется периодически

40 через интервал времени, равный времени считывания двух строк МГОС 8. Сигнал, управляющш третьим входом интегратора 10 (третий выход устрой- : ства управления), может быть сформи45 рован из деленной пополам последовательности строчных гася1цих импульсов, управляющих МПЗС 8.

Ключ 11 осуществляет поочереднзто коммутацию выходного сигнала интегратора 10.с входами первого 12 и второго 13 квадраторов. Сигнал управления вторым входом ключа 11 (второй рой выход устройства управления) аналогичен сигналу управления третьим входом интегратора 10, но опережает его на время окончания переходных процессов в квадрАторах 12 и 13.

Лазер 1 формирует короткие импульсы когерентного излучения, следующие друг за другом через интервал вре- ме1ш Т, равный времени прохождения сигналов S(t) апертуры АОМ 3. В связи с этим сигнал управления лазером 1 (пятый выход устройства управления) представляет собой последовательность коротких импульсов с пери- одом Т.

Электрический сигнал S(t), поступая на радиовход АОМ, создает на оптическом выходе АОМ пространственное распределение поля, амплитуда ко торого пропорциональна входному сигналу S(t) за время t - t + Т. Пространственная частЬта получаемого светового распределения связана с временной частотой входного воздей- ствия соотношением (1). Пространст- .венная частота функций прозрачности транспаранта Ь (х) - Ь4(х) опредеai/n

ляется как ----х и связана с времен-

ной частотой входного сигнала следующим соотношением:

. nV f --;

L - длина апертуры АОМ;

n - число периодов функции прозрачности транспаранта; V - скорость распространения ультразвука в АОМ.

При импульсной засветке ОКГ сигнала в апертуре АОМ, считьшании полученно- го на четырех соседних строках МПЗС сигнала и его суммировании (интегри- ровании) на выходе интегратора в различные моменты времени можно получить

соответственно сигналы вида

++т- .

Is(w) I S(t) .sin(2//-J t)dt;

ir

l (to)J S(t)cos()dt.

Вычисление блоком электронной обработки, содержащим два квадратора и векторный сумматор функции вида

IЧu)) ,(ы) + l(u))S

позволяет получить составляющую спект-55 ра сигнала S(t) на частоте

nV L

В режиме, при котором происходит несколько импульсных засветок лазером апертуры АОМ через интервалы времени, равные времени нахолодения сигнала S(t) в апертуре АОМ, а считывание сигналов с МПЗС производится лишь по излучении К импульсов, можно записать

t+КТ

П i/ViTT 1

(4)

Г Ij I

t и соответственно

t + KT

t + :

l,(c.)Js(t)sinpp dt

(t).tldt.

(5)

г 0

5

0

5

0

5

0

5

Увеличение времени интегрирования в вьфажениях (4) и (5) в К раз рав- носительно повьшению в К раз разрешающей способности анализатора.

Формула изобретения

Оптоэлектронньй анализатор. спект- ра широкополосных сигналов,выполненный в видё канала обработки сигнала, содержащего последовательно оптически соединенные лазер, первую кол- лимирующую линзу, акустооптический модулятор, радиовход которого является входом анализатора, первую линзу Фурье и фотодетектор, расположенный в задней фокальной плоскости первой линзы Фурье, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности по частоте, в него дополнительно введены устройство управления, вторая линза Фурье, вторая коллимирующая линза, транспарант, интегратор, два квадратора, два ключа и векто ньш сумматор, причем вторая линза Фурье,э вторая коллимирующая линза и транс- парант последовательно установлены между первой линзой Фурье и фотодетектором, расстояние между первой и второй линзами Фурье равно сумме их фокусных расстояний, а транспарант помещен непосредственно перед фотодетектором, в качестве которого используется матричный фотоприемник, на приборах с зарядовой связью, выход которого подключен к первому входу первого ключа, второй вход которого подключен к первому выходу устройства управления, первый и второй выходы первого ключа подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам интегратора.

выход которого подключен к первому входу второго ключа, второй вход которого подключен к второму выходу устройства управления, первый ц второй выходы второго ключа подключены к входам соответственно первого и второго квадраторов, выходы которых с динены срответственно с первым и вторым входами векторного сумма- тора , выход которого является выходо анализатора, третий, четвертый и пятый выходы устройства управления подключены соответственно к третьему входу интегратора, к управляющему входу фотодетектора и синхровходу лазера, а транспарант состоит из М строк, равных числу строк матричного фотоприемника, и совокупности m М/4 участков, каждый из ш участков состоит из четырех соседних строк, причем каждая из этих строк имеет коэффициент прозрачности

Ь(х) при . I о - х

М+21 К; К 0,1,2,..., в против1ls(x)

Го

|о

ном слтучае: Ь,))Г.. 2 ti+2 iiK; К 0,1,2,..., в противном случае:

COS ,,, .

X при --+21 К

2- X

2 ± 2гГК; К 0,1,2,..., в противном случае:

. . |cos ll25f 2Гпх

Ь4(х)| р г при 2//К.™- го l

2 - 0,1,2,..., в-противном случае,

где X - длина строк транспаранта; X - текущая пространственная

координата;

п - определяет число периодов синусоидального и косинусо- идального затемнения транспаранта вдоль строки для ш-й ровокупности из четырех стро