Акустооптический спектроанализатор с интегрированием во времени Советский патент 1990 года по МПК G01R23/17 

Положение его главного максимума по координате Y линейно связано с частотой входного сигнала. Частотно разрешение такой системы из выражения (6)

4Ј«ин

равно

1

тск|)

(7)

Коэффициент (1+S/V) в знаменателе отражает тот факт, что вследствие

встречного движения ультразвуковых волн в звукопроводе АОМ и зарядов в ПЗС-матрице вклад в интеграл дает сигнал длительностью Т (1+S/V). Скорость S, как правило, на три порядка меньше скорости V. Поэтому в болыпин- |СТве случаев с хорошей степенью точности можно считать Л€„,. Время накопления зарядов в ПЗС-Мсгтрице может достигать сотен миллисекунд при

10

15

комнатной температуре. Следовательно, разрешение спектроанализатора может составлять единицы герц.

Соотношение для выходного сигнала (6) получено в предположении бесконечно узких по координате X элементов ПЗС. Учесть конечный размер элементов можно, если проинтегрировать это соотношение по времени в промежутках/) t, соответствующих времени прохождения зарядов со скоростью S интервала JX, равного размеру элемента вдоль оси X. Очевидны следующие соотношения:.

4t | ,

где М - число элементов в столбце

матрицы ПЗС.

Согласно теореме Котельникова результат такого интегрирования хорошо аппроксимирует распределение (6), если промежутки At. по крайней мере в два раза меньше периода косинуса. Минимальное его значение достигается при /2, т.е. на краю полосы обзора. Следовательно

2JL лыт

Так как 3cvm-2li 3fМИНК, где К - чис- 30 ло разрешимых точек спектроанализэ- тора, то из последнего соотношения следует , т.е. число элементов в столбце матрицы должно быть не меньше числа разрешимых точек спектроанализатора. Число элементов ПЗС в строке матрицы N определяет число частотных каналов устройства и должно в два раза превосходить число разрешимых точек спектроанализатора. Тогда на главный максимум распределения (6) приходится два элемента строки, т.е. два столбца.

Функция пропускания оптического

20

25

4t Ј

35

40

где Ф(У,С,($ определяется из выраже ния (6).

Данная задача решается следующим образом.

Аналоговый выход ПЗС электрически связан с входом БФР 11,аналогично го по структуре известной схеме двои ной коррелированной выборки (ДКВ). БФР 11 формирует на выходе напряжение, пропорциональное разности сигна лов двух соседних отсчетов на выходе ПЗС-матрицы 8. В известной схеме ЦКВ стробирование обоих входов осуществляется в пределах такта вывода сигна ла одного элемента строки для фиксации шумовой компоненты и выборки информационной составляющей сигнала. В предлагаемом устройстве стробирование БФР 11 осуществляется сигналам синхронизации, формирующимися контроллером 9 в соседних тактах вывода сигналов двух элементов строки. Сигнал разности соседних элементов с выхода БФР 11 поступает на вход АЦП 12, осуществляющего преобразование аналогового сигнала в эквивалентный цифровой код. Запуск АЦП 12 осуществ ляется спадом сигнала синхронизации контроллера 9, Цифровой код разности далее поступает на адресные входы ПЗУ 13, предварительно запрограммированного на реализацию функции возведения в квадрат. Шина данных ПЗУ 13 соединена с информационным входом БР 14 и вторым входом сумматора 15. БР 14 реализует функцию хра нения кода квадрата разности двух со седних отсчетов, его выход соединен с первым входом сумматора 15. Запись кода в БР I4 осуществляется по фронту сигнала контроллера 9. Выход сумматора 15 соединен с магистралью 16 ЭВМ, причем сигнал, определяемый вы50

транспаранта 4 - выражение (1) позво- 45 Ряжением (8), формируется на выходе ляет в каждом частотном канале получать четыре составляющих, соответствующих четырем значениям (п в выражении (6)

f.-o; ifrfo

Причем эти составляющие последовательно выводятся через сдвиговый регистр ПЗС-матрицы 8, Электронно- цифровая часть обрабатывает сигналы каждой четверки элементов по алгоритму

(у, ь)Ф (Y , t, ч) , t, t)7+ +eOf,t,if3),t,t/f)3a, (8)

55

сумматора в момент прихода сигнала контроллера 9. Сигналы контроллера 9 поступающие на БР 14 и сумматор 15, совпадают соответственно с сигналами, поступающими на АЦП 12 и БФ 11, только их частота в два раза меньше

Предлагаемый акустооптический спектроанализатор с интегрированием во времени обладает существенными преимуществами перед известным. Здес полоса пропускания АОМ не должна превышать полосу анализа устройства. Кроме того, анализируемый сигнал поступает непосредственно на пьезопре0

5

30

0

25

35

40

где Ф(У,С,($ определяется из выражения (6).

Данная задача решается следующим образом.

Аналоговый выход ПЗС электрически связан с входом БФР 11,аналогичного по структуре известной схеме двои-- ной коррелированной выборки (ДКВ). БФР 11 формирует на выходе напряжение, пропорциональное разности сигналов двух соседних отсчетов на выходе ПЗС-матрицы 8. В известной схеме ЦКВ стробирование обоих входов осуществляется в пределах такта вывода сигнала одного элемента строки для фиксации шумовой компоненты и выборки информационной составляющей сигнала. В предлагаемом устройстве стробирование БФР 11 осуществляется сигналами синхронизации, формирующимися контроллером 9 в соседних тактах вывода сигналов двух элементов строки. Сигнал разности соседних элементов с выхода БФР 11 поступает на вход АЦП 12, осуществляющего преобразование аналогового сигнала в эквивалентный цифровой код. Запуск АЦП 12 осуществляется спадом сигнала синхронизации контроллера 9, Цифровой код разности далее поступает на адресные входы ПЗУ 13, предварительно запрограммированного на реализацию функции возведения в квадрат. Шина данных ПЗУ 13 соединена с информационным входом БР 14 и вторым входом сумматора 15. БР 14 реализует функцию хранения кода квадрата разности двух соседних отсчетов, его выход соединен с первым входом сумматора 15. Запись кода в БР I4 осуществляется по фронту сигнала контроллера 9. Выход сумматора 15 соединен с магистралью 16 ЭВМ, причем сигнал, определяемый вы

Ряжением (8), формируется на выходе

сумматора в момент прихода сигнала контроллера 9. Сигналы контроллера 9, поступающие на БР 14 и сумматор 15, совпадают соответственно с сигналами, поступающими на АЦП 12 и БФ 11, только их частота в два раза меньше.

Предлагаемый акустооптический спектроанализатор с интегрированием во времени обладает существенными преимуществами перед известным. Здесь полоса пропускания АОМ не должна превышать полосу анализа устройства. Кроме того, анализируемый сигнал поступает непосредственно на пьезопреобраэователь АОМ, а не модулирует по амплитуде ЛЧМ-сигнал, как в известном. Использование ЛЧМ-сигнала в данном случае вообще не требуется. Отсутствие амплитудной модуляции в электрическом тракте позволяет максимально использовать динамический диапазон АОМ. При этом расширяется и динамический диапазон всего устройства в целом, что повышает точность измерений спектра входного сигнала. Предлагаемая последетекторная обработка . сигналов позволяет в реальном масштабе времени вычислять и вводить в память ЭВМ спектр входных сигналов независимо от начальной фазы сигналов без пространственной несущей. Спект- роанализатор позволяет вычислять спектр СВЧ-сигналов с разрешением порядка единиц герц.

Формула изобретения

Акустооптический спектроанализатор с интегрированием во времени, содержащий оптически связанные источник когерентного света, коллиматор, акустооптический модулятор, электрический вход которого соединен с вхо

дом спектроанализатора, оптический транспарант, проекционную систему, состоящую из двух софокусно расположенных линз с диафрагмой в общей их фокальной плоскости, и двумерный фотоприемник на основе приборов с зарядовой связью, расположенный в выходной фокальной плоскости проекционной системы, электрически соединенный с контроллером, электрически соединенным с унифицированной магистралью ЭВМ, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены генератор синусоидальных сигналов с частотой, равной центральной частоте акустооп- тического модулятора, соединенный с источником когерентного света, электрически соединенные блок формдоова- ния разности сигналов двух соседних элементов строки фотоприемника, аналого-цифровой преобразователь, постоянное запоминающее устройство, буферный регистр и сумматор, причем аналоговый выход фотоприемника соединен с блоком формирования разности

0

5

5

0

сигналов двух соседних элементов строки фотоприемника, а его выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с адресной миной постоянного запоминающего устройства, шина данных которого соединена с входом буферного регистра и вторым входом сумматора, причем первый вход сумматора соединен с выходом буферного регистра, а выход - с унифицированной магистралью ЭВМ, второй выход синхронизации контроллера подключен к второму входу синхронизации блока формирования разности и входу синхронизации аналого-цифрового преобразователя, а первый, третий и четвертый выходы синхронизации контроллера .подключены соответственно к первому входу синхронизации блока формирования разности, входам синхронизации буферного регистра и сумматора, при этом коэффициент G пропускания оптического транспаранта равен

25

30

X,Y

где V - скорость распространения звуковых волн в звукопроводе акустооптического модулятора;

центральная частота акустооп- тического модулятора; координаты в плоскости акустооптического модулятора, причем ось X параллельна направлению распространения ультразвука в звукопроводе модулятора;

О - апертура модулятора вдоль оси X;

AYm - размер рабочей зоны оптической системы вдоль оси Y; N - число элементов в строке двумерного фотоприемника;

55

If Hi:

|z| $a/2, |zI a/2.

Изобретение относится к области оптической обработки информации. Цель изобретения - повышение точности измерений. Устройство содержит источник 1 когерентного света, коллиматор 2, акустооптическим модулятор 3, оптический транспарант 4, софокусные линзы 5, 6 с диафрагмой 7 в их общей фокальной плоскости, двумерный матричный фотоприемник 8, контроллер 9, ЭВМ 16. Цель изобретения достигается введением генератора 10 синусоидальных сигналов на частоте ω_о, равной центральной частоте акустооптического модулятора 3, а коэффициент пропускания оптического транспаранта 4 вычисляется по формуле, приведенной в описании. Кроме того, в электронно-цифровую часть введены блок 11 формирования разности сигналов двух соседних элементов строки фотоприемника, аналого-цифровой преобразователь 12, постоянное запоминающее устройство 13, буферный регистр 14, сумматор 15. 1 ил.