Адаптивная оптическая система с многоканальной фазовой модуляцией Советский патент 1990 года по МПК G02B27/40 G01S17/06 

Изобретение относится к физической оптике, квантовой электронике и лазерной локации и может быть использовано в дистанционных оптических ин- формационных и измерительных системах.

Целью изобретения является увеличение плотности интенсивности излучения на объекте за счет устранения влияния фазовой задержки, обусловлен ной распространением излучения до объекта и обратно.

На фиг. 1 представлена блок-схема адаптивной оптической системы с многоканальной фазовой модуляцией; на фиг. 2 - блок-схема m-го адаптивного контура.

Адаптивная оптическая система содержит когерентные излучатели 1.1 - 1 .N, фазовые модулятрры 2.1 - 2.N, оптический приемник 3 и адаптивные контуры 4.1 - 4.N.

Блок-схема m-ro (,2,...,N) адаптивного контура 4лп (фиг. 2), модулирующий генератор 5.т, сумматор 6.т, полосовые фильтры 7т и 8т, синхронный детектор 9т, фильтр 10т нижних частот, квадратор 1 1т, синхронный детектор 12т, фильтр 13т ниж них частот, квадратор 14т, сумматор 15т, блок 16т извлечения корня, фазовращатель 17т на -, усилитель 18т,

синхронный детектор 19т, фильтр 20т нижних частот, квадратор 21т, синхронный детектор 22т, фильтр 23т нижних частот, квадратор 24т, сумма- тор 25т, блок 26т извлечения квадратного корня, умножитель 27т частоты на два, фазовращатель 28т на

т ; квадраторы 29т и 30т, сумматор

31т, блок 32т извлечения квадратного корня и делитель 33т.

Выходы когерентных излучателей 1.1 - 1.N, образующих решетку из N элементов, соединены с оптическими входами соответствующих фазовых модуляторов 2.1 - 2.N. Для регистрации отраженного от объекта оптического сигнала служит оптический приемник 3 выход которого подключен к входам N адаптивных контуров 4.1 - 4.N, а выходы последних соединены с электрическими входами соответствующих фазовых модуляторов 2.1 - 2.N.

В каждом m-м (l,2,...,K) адаптивном контуре 4.т имеется модулирующий генератор 9т, предназначенный для ввода в канал излучения когерентного излучателя 1.т фазовой модуляции с амплитудой Д/15 - Д/14 на частоте и/п« Для этого выход модулирующего генератора 5. m через сумматор 6 .т соединен с электрическим входом соответствующего фазового модулятора

2.m. Выход оптического приемника 3 подключен в каждом m-м адаптивном контуре 4.т к входам полосовых фильтров 7.т и 8.т, настроенных на модулирующие частоты bj и 2и тсоот- ветственно. К выходу полосового фильтра 7.т подключены две параллельные ветви, каждая из которых состоит из последовательно соединенных синхронного детектора, фильтра нижних частот и квадратора (элементы 9.т, Ю.т, 11 .т и 12.т, 13.т, 14,т соответственно). Выходы квадраторов 1I.т и 14,т соединены с входами сумматора 15.т, выход которого подключен к входу блока 16,т извлечения квадратного корня. Второй вход синхронного детектора 9.т соединен с выходом модулируюрдего генератора 5.т, а второй вход синхронного детектора 12.т соединен с выходом умножителя 1 7 .т частоты на два, вход которого подключен к выходу модулирующего генератора 5.т.

Выход полосового фильтра 8«т соединен с входом усилителя 18.т, к- выходу которого подключены две параллельные ветви, каждая из которых состоит из синхронного детектора, фильтра нижних частот, квадратора (элементы 19.т, 20.m, 21,m и 22.m, 23,m, 24.m соответственно). Выходы квадраторов 21,m и 24.m соединены с входами сумматора 25.т, выход которого подключен к входу блока 26.m извлечения квадратного корня. Второ вход синхронного детектора 19.m через умножитель 27,т частоты на два соединен с выходом модулирующего генератора 5.т, а второй вход синхронного детектора 22.m подключен к выходу модулирующего генератора 5.т через умножитель частоты на два 27.m

и фазовращатель на 28 .т.

В известном устройстве в каналах первой ьг и второй 2о) гармоник моrf П 1

дулирующего напряжения используются синхронные детекторы с косинусоидаль- ными и синусоидальными амплитудно- фазовыми характеристиками. Однако в этом случае трудно обеспечить идентичность амплитудно-фазовых характеристик каналов. Для устранения этого недостатка, а также с целью упрощения настройки и подготовки системы к работе в предлагаемом устройстве используются идентичные синхронные 5 детекторы с косинусоидальными амплитудно-фазовыми характеристиками, что

требует введения в каждый m-й контур

фазовращателя - 28.т.

0 Выходы блоков 16.т и 26.т извлечения квадратного корня через соот-- ветствующие квадраторы 29.т и 30 .т соединены с чхрдами сумматора 31.га, выход которого подключен к входу

5 блока 32.m извлечения квадратного корня. Выход блока 32.m извлечения квадратного корня соединен с входом делителя 33.т, второй вход которого подключен к выходу блока 16.т извлеQ чения квадратного корня, а выход делителя 33.т соединен с вторым входом сумматора 6.т.

Устройство работает следующим

5 образом.

В основе работы лежит принцип попарной обработки регистрируемых отраженных сигналов в каждом m-м адаптивном контуре на кратных частотах

0 to и 20. В соответствии с выражением, описывающим интенсивность отраженного от объекта сигнала на частотах, кратных одной из частот биений многоканальной фазовой модуля5 ции излучения подсвета,

Изобретение относится к физической оптике, квантовой электронике и лазерной локации и может быть использовано в дистанционных оптических информационных и измерительных системах. Целью изобретения является увеличение плотности интенсивности сигнала на объекте за счет устранения влияния фазовой задержки, обусловленной распространением излучения до объекта и обратно. Для этого адаптивная оптическая система, содержащая N когерентных излучателей 1.1 - 1.N

N фазовых модуляторов 2.1 - 2.N, оптический приемник 3 и N адаптивных контуров 4.1 - 4.N, каждый из которых состоит из двух полосовых фильтров, двух синхронных детекторов, двух фильтров нижних частот, двух квадраторов, двух сумматоров, блока извлечения квадратного корня, делителя, усилителя 18, модулирующего генератора и умножителя 27 частоты на два каждый из N адаптивных контуров дополнительно содержит два квадратора, два фазовращателя на φ/2, а также две ветви, каждая из которых состоит из последовательно соединенных синхронного детектора, фильтра нижних частот, квадратора, сумматора и блока извлечения квадратного корня. Введенные блоки образуют в каждом из N адаптивных контуров два дополнительных канала: один канал для управляющего сигнала первой гармоники модулирующего напряжения, другой - для сигнала второй гармоники. В этих каналах осуществляется квадратурная обработка соответствующих управляющих сигналов, которая позволяет устранить влияние случайного фазового сдвига, обусловленного запаздыванием сигнала при его распространении до объекта и обратно. При этом уменьшается расфазировка каналов, и следовательно, увеличивается плотность интенсивности излучения на объекте. 2 ил.

ч /

JM оЧ ЧК -Хе-1- Uj Amsin(/5m-,jmc)sincomt +

M

f#m

+ 4I0(Vo)l,(yo)( Ae +Um) Amcos(/3m-/3mc)cos 2шЈ (l)

A1lnsin(m-pme)sinwliit + A,l flcos(,3m-/3jcos2wmt,

где ц; - глубина фазовой модуляции в m-м адаптивном контуре;

I ,( V ) --Функции Кесселя i-ro порядка;

ч /

A

А„, - интенсивность излучаемого сигнала в m-м контуре;

At - интенсивность сигнала, излучаемого в 1-м контуре;

t - P , где R - расстояние до объекта

U - параметр сходимости адаптивного процесса. С учетом времени распространения излучения до объекта и обратно аргумент t заменяется на

D - 2R S -

с - скорость света.

Попарная обработка принимаемых сигналов основана на отсутствии необходимости измерять случайные амплитуды сигналов Ати предполагает их нормировку в виде отношения

Aim Ii(Ve) VvJ

Величина отношения является детерминированной величиной и зависит лишь от глубины модуляции if0.20

При наличии фазовой задержки

15

., указанное отношение дополчу

Нительно зависит от расстояния до объекта R:

Afm I,(vЈ) cosif R)

; 5;т7Л co-rr TR)

что не учитьгоается в известном устройстве, но может привести к рас- фазировке каналов, а, в конечном счете, к уменьшению плотности интенсивности излучения на объекте, если адаптивная система работает в режиме восхождения на холм.

В каналы излучения соответствую- щих когерентных излучателей 1.1 Sm, A1wsin(pm-/lmc)sin(m(t - U3) ; (2) sm1 AiWcos(pm-pK,c)cosC2uJm(t -C,)J. (3)

Сигнал 8,„ вида (2) поступает на

111 л

синхронный детектор 9.т, на второй вход которого с выхода модулирующего генератора 5.т поступает опорное напряжение вида U 0 . В результате после обработки сигнала Sm в синхронном детекторе 9,т и фильтре Ю.т нижних частот на выходе последнего выделяется управляющий сигнал Б,.

Фазовый сдвиг (/обусловлен задержкой сигнала при его распространении до объекта и обратно. Сигнал Sm вида (2.) также поступает на синхронный детектор 12.т, на второй вход которого с выхода модулирующего генератора 5.га через фазовращатель

Л/15 - А/14 на частотах ы, - шн , Эта модуляция в каждом m-м адаптивном контуре 4 .m (,2,...,N) формируется модулирующим генератором 5.т, с выхода которого сигнал подается на фазовый модулятор 2.т через сумматор 6.т. Модулированный сигнал от каждого излучателя интерферирует с сигналами всех остальных излучателей и создает на объекте пространственную интерференционную картину. Отраженный от объекта оптический сигнал, промодулированный по амплитуде на частотах ы, - , регистрируется оптическим приемником 3 и поступает на входы N адаптивных контуров 4.1 - 4.N. Система на m-м (т 1, 2,...,N) адаптивном контуре 4.т работает следующим образом (остальные адаптивные контуры работают аналогично).

Модуляционную составляющую интенсивности сигнала в m-м адаптивном контуре с учетом задержки сигнала

на величину можно представить в виде (l). Этот сигнал фильтруется полосовыми фильтрами 7.т и 8.т, на выходах которых формируются сигналы Зт1и Sm,j в соответствии с формулами (2) и (3):

if .-, на ;; 17 .т поступает опорный сигнал

вида U0« cos . К результате пос- ле обработки сигнала Dm в синхронном детекторе 12.т и фильтре 13.т нижних частот на выходе последнего выделяется управляющий сигнал

Si -Aim- sin font- .c) sintf ; (4)

. sin (|sm- pmc) cos IfЈ. (5)

Сигналы S вида (5) и S, вида (4) проходят через соответствующие квадраторы 11,т и 14.т и через сумматор 15.т поступают на вход блока I6.m извлечения квадратного корня, на выходе которого выделяется управляющий сигнал

,)1 + (s;)

Atm- sin().

Vb

A

1569785

10

иву/аь -

im-sin() LA.sin Jcosc

Как видно из формулы (6), сигнал Sf, не зависит от фазового сдвига (Л, обусловленного задержкой сигнала при его распространении до объек та и обратно.

у-А1т. cos(m-pnlc).COs(2wm(t -j)) (7)

поступает на вход синхронного детектора 19.т, на второй вход которого с выхода модулирующего генератора 5 .т через умножитель 27.m частоты на два поступает опорный сигнал вида -Л10 sin 2 . В результате после обработки сигнала S в синхронном детекторе 19.т и фильтре 20.m нижних частот на выходе последнего выделяется управляющий сигнал вида

Зг-А1т cos 0V /Vc) sin 2Vr (

Сигнал S m также поступает на синхронный детектор 22.т, на второй вход которого с выхода модулирующего генератора 9.т через умножитель

S5 JS + (Si)4 ,,,.). (10)

Из формулы (10) видно, что сигнал S sг также не зависит от фазового сдвига if , обусловленного задержкой сигнала при его распространении до объекта и обратно.

Сигналы S f. и S рг проходят через соответствующие.квадраторы 29.т и 30.т и через сумматор 31.т поступают на вход блока З2.т извлечения квадратного корня, на выходе которого формируется управляющий сигнал

V (Sff()« + (S,

« 4m . (И)

С выхода блока 32.m извлечения квадратного корня сигнал Sg- поступает на вход делителя 33.т, на второй вход которого поступает сигнал 5 вида (6) с выхода блока 1б,т извлечения квадратного корня, В результате на выходе делителя 33.т вырабатывается управляющий сигнал

9 sin (Pm Pmc).

(12)

1569785

10

иву/аь -

) LA.(6)

С выхода полосового фильтра 8.т

сигнал S т;2вида (3) проходит через усилитель 18.т, где он усиливается в л раз с выхода усилителя

А2го 1 8-.т сигнал вида

27,ш частоты на два и фазовращатель на

if - 28,m поступает опорный сигнал вида

U

работки сигнала Sm в синхронном ;детекторе 22,m и фильтре 23.ш нижних частот на выходе последнего выделяется управляющий сигнал S-i вида

cos . В результате после об25 jSv, -Almcos (/bw-/imc) cos .2 if. (9)

Сигналы S2 и Sj проходят через соответствующие квадраторы 21. 24.т и через сумматор 25.т поступают на вход блока 26,т извлечения квадратного корня, на выходе которого выделяется управляющий сигнал

5,не зависящий от амплитудных флуктуации А1т и от фазового сдвига tp.

0

5

у

Этот сигнал через сумматор б.т поступает на электрический вход фазового модулятора 2.т, осуществляя коррекцию фазовой ошибки в m-м адап-, тивном контуре 4.т.

Формула изобретения

Адаптивная оптическая система с . многоканальной фазовой модуляцией, содержащая N когерентных излучате- . лей, N фазовых модуляторов, оптические входы которых связаны с выходами соответствующих когерентных излучателей, а также оптический приемник, выход которого подключен к входам N адаптивных контуров, выходы 5 КОТ°РЬ1Х соединены с электрическими входами соответствующих фазовых модуляторов, причем каждый из N адаптивных контуров состоит из двух полосовых фильтров, двух синхронных

0

111

детекторов, двух фильтров нижних частот, двух квадраторов, двух сум- маторов, блока извлечения квадратного корня, делителя, усилителя, модулирующего генератора и умножителя частоты на два, причем первые полосовой фильтр, синхронный детектор и фильтр нижних частот соединены последовательно, второй полосовой фильтр, усилитель, второй синхронный детектор и второй фильтр нижних частот также соединены последовательно, выходы квадраторов подключены к входам первого сумматора, выход которого соединен с входом блока извлечения квадратного корня, выход которого подключен к входу делителя, выход которого Соединен с первым входом второго сумматора, выход последнего подключен к электрическому входу соответствующего фазового модулятора, входы первого и второго полосовых фильтров соединены с выходом оптического приемника, а второй ,вход первого синхронного детектора, второй вход второго сумматора и вход умножителя частоты на два подключены к выходу модулирующего генератора

с целью увеличения плотности интенсивности излучения на объекте, в каждый из N адаптивных контуров введены два квадратора, два фаэовращаЯ

теля на -, а также две ветви, каждая из которых состоит из последовательo

7Й

0

5

0

5

312

но соединенных синхронного детектора, фильтра нижних частот, квадратора, сумматора и блока извлечения квадратного корня, причем вход синхронного детектора первой ветви соединен с выходом первого полосового фильтра, вход синхронного детектора второй ветви соединен с выходом усилителя, выход первого фильтра нижних частот соединен с входом введенного квадратора, выход которого подключен к второму входу сумматора первой ветви, выход второго фильтра нижних частот соединен с входом второго введенного квадратора, выход которого подключен к второму входу сумматора второй ветви, выход блока из- .влечения квадратного корня первой ветви подключен к входу первого квадратора и второму входу делителя, выход блока извлечения квадратного корня второй ветви соединен с входом второго квадратора, выход модулирующего генератора соединен с входом

первого фазовращателя на -, выход коI .

торого подключен к второму входу синхронного детектора первой ветви, выход умножителя частоты на два подключен к входу второго фазовращателя на -, а выход последнего соединен

с вторым входом второго синхронного детектора и с вторым входом синхронного детектора второй ветви.

iOnJ

Kim