Акустооптоэлектронный спектроанализатор Советский патент 1990 года по МПК G01R23/17 

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в системах радиолокации, радиосвязи, радиоастрономии

Цель изобретения - повьт1ение частотного разрешения и длительности обрабатываемых сигналов.

На фиг, 1 представлена структурно-функциональная схема спектроана- лизатора; на фиг„ 2 - функциональная схема модуля последетекторной ; обработки о

Спектроанализатор (фиг. 1) содержит источник 1 когерентного света (импульсньй лазер), генератор 2 синхроимпульсов, генератор 3 опорного радиосигнала, светоделитель 4,; объективы 5 и 6 .коллиматора сигнального пучка, .акуст.ооптический МО- дулятор 7 тракта сигнального пучка (АОМр), электрически соединенный с входом спектроанализатора, четвертьволновую фазосдвигающую пластинку 8, сферический 9 и цилиндрический 10 объективы, отражательное зеркало 11, полупрозрачное- зеркало 12, отражательное зеркало 13, объективы 14 и 15 коллиматора опорного пучка, акустооптический модулятор 16 тракта опорного пучка (АОМо), сферический объектив 17, фильтрующую диафрагму 18, сферический объектив 19, много- элементный матричный ПЗС-фотоприем- ник 20, экран 21 с двумя щелевыми отверстиями, устройство 22 управле™ 1ШЯ, аналого- цифровые преобразователи 23 и 24, модуль последетекторной обработки,(МГЩО) 25, магистраль 26, ЭВМ 27,

МГЩО содержит (фиг о 2) первое- четвертое постоянные запоминающие устройства (ПЗУ,-ПЗУ4) 28-31, пер- вую-четвертую .схемы сравнения (ССу- СС) 32-35, коммутатор 36, первый и второй счетчики 37 и 38, первьй умножитель 39, первый сумматор 40, пятое и шестое.постоянные запоминающие устройства (ПЗУ 41 и ПЗУ 42) второй и третий умножители 43

и 44, второй и третий сумматоры 45 и 46, первый и второй буферные регистры 47 и 48, первый, и второй блоки памяти 49 и 50, седьмое и восьмое постоянные запоминающие устройства (ПЗУ 51 и ПЗУ 52) четвертый сумматор 53,

Элементы 1,4- 21 соединены оптически, электрически соединены

,

Q

0 5 о г 0

5

5

элементы 1 и 2, 2 и 3, 3 и 16.- Элементы 5-12 входят в оптический тракт сигнального пучка, элементы 13-19 входят в оптический тракт опорного пучка, Генератор 2 синхроимпульсов

2электрически соединен с генератором 3 опорного радиосигнала

Спектроанализатор работает сле- ДУЮ1ЩМ образом.

Анализируемый сигнал поступает на входы двухканального АОМ 7 Акустические волны, возбуждаемые радиосигналом, распространяются в звукопроводе В момент заполнения ультразвуком всей апертуры AOMj, с помощью генератора 2 синхроимпульсов запускается импульсный лазер 1.. Пучок света, испускаемый лазером, с помощью светоделителя 4 делится на две части, которые далее расп1;1остраняются в оптических трактах сигнального и опорного пучков. В тракте сигнального пучка .свет расширяется объективами 5 и 6 коллиматора с Выходящий из объектива 6 свет освещает AOMj. 7. При этом с помощью оптической стеклянной пластинки, установленной, между объективом 6 и АОМ(ч, фаза световой волны, освещающей один из каналов (для определенности первый канал), задерживается на 90 относительно фазы световой волны, освещающей другой канал Когерентный свет дифрагирует на акустических волнах и в выходной плоскости оптической схемы устройства, куда свет попадает после отражения от зеркал 11 и 12, с помощью астигматической системы объективов 9 и 10 в первом дифракционном порядке формируются две группы световых пятен/ Вдоль направления распространения ультра.звука эти пятна соответствуют частотному спектру сигнала, а в перпендикулярном направлении - изображениям двух каналов АОМр .

Одновременно с распространением света в тракте сигнального пучка

3тракте опорного пучка свет расширяется объективами 14 и 15„ Выходящий из объектива 15 свет, освещает АСМ 16, возбуждаемьш генератором 3 опорного радиосигнала о Далее с помощью двух сферических объективов 17

и 19 и расположенной между ними диафрагмы 18 выделяется пучок первого порядка, оптическая частота которого близка к частоте света сигнального

516

тракта„ Этот пучок в выходной плоскости оптической части схемы интерферирует со световыми пятнами сигнального оптического тракта

Регистрируемые в выходной плоскос световые распределения предст вляют собой голограммы спектра анализируемого сигнала, причем благодаря наличию фазосдвигающей пластины 8 фазе- вые соотношения между опорньи и сигнальным пучками двух голограмм отличаются на 90°о Измеряя интенсивности света в выходной плоскости, можно найти, амплитуду и фазу сигнального пучка, То е. определить спектральный состав сигнала

Измерение интенсивностей света производится с помощью многоэлементного матричного ПЗС-фотоприемника 20, светочувствительные элементы которого расположены в выходной плоскости оптической схемы. При этом строки матрицы параллельны направлештю распространения ультразвука в АОМ., Вплотную к ПЗС-матрице установлен непрозрачный экран 21 с двумя щелевыми отверстиями, размеры каждого из которых равны размерам строки матрицы. Экран и матрица размещены так, что освещаются лишь две строки матрицы, наиболее удаленные-от регистров сдвига.

Подбором наклона полупрозрачного зеркала 12 достигается коллинеарность распространения.сигнального и опорно- , го световых пучков. Напряже1та:я, регистрируемые на элементах двух строк ПЗС-матрицы, пропорц11ональны интен- сивностям света I и , , падающего на эти элементы (k .- номер элемента строки)о Соответствующие им напряженности светового поля 1 и представляют собой результат вектор- ного сложения напряженностей опорного U(j и сигнального Uci; . При этом фазы сигнального пучка благодаря наличию фазосдвигающей пластинки отличаются на 90°. Опуская для прос- тоты индекс номера элемента строки, связь между напряженностями светового поля записывают в виде

.(1) 55

|Uol + /Uc(+ 2 /Ч,|/и,|з1п(/ lUoH +М + 2/Uo//U cos(p

сдвиг фазы между напряженностями опорного и сигнального

16

сзетовьк палей на первой открытой строке матрицы. Пз системы (1) находят интенсивность сигнального светового поля, а также его фазу:

1с К . -.

- ,+ 1о)1о-(1г Ia)j(2a) (26)

arcsin -- (I,- i), О

arccos

1

(За)

С|;, + ....иь --.,,. Де 1о iUoi

(V lo- Ic)

(36)

- интенсивность опорного .

Значение фазы должно быть выбрано из условия

ц; Cf

(4)Нарщенные значения напряженности F(k) /и,, (5).

представляют собой парциальный спектр сигнала. Повторяя процесс регистрации интенсивностей 1, и I2j N раз через интервалы времени , равные времени распространения ультразвука в AOMg, и,, производя соответствзтощие вычисления, находят N реализаций парциального спектра сигнала

В результате сложения парциальных спектров с учетом фазовых ffloжитeлeй получают суммарный спектр F (k), соответствующий спектроанализатору, у которого модулятор имеет в N раз большую длину, чем используемьй в схеме, и в N раз большую длительность обрабатываемых сигналов:

F(k)-

N

F(k) , (6) где а - постоянный множитель, зависящий от параметров АОМ. и фокусного расстояния объектива 9;

п 1,2,3. ,

Как следует из соотношений (5) и (6), спектр сигнала по интенсивности может быть вычислен по

((n-1) + (n-1)a - ; (Ч (7)

Процесс вычисления парциальных с|пектров и их сложеше осуществляют с помощью МПДО 25. Оптические сигналы г;реобразуются в. электрические путем накопления зарядов в двух наиболее Удаленных от регистров сдвига строках Матричных секций ПЗС-фотоприемника. После накопления зарядов зарядовый йельеф, пропорциональный интенсивности,Q оптического сигнала, под действием тактирующих фазных напряжений, фор- 1Л1руемых устройством 22 управления, лереносится в соседние строю о Через лромежуток времени, равньй , снова регистрируются распределения света я т.д. Таким образом,, полштеч ЕНИИ промежутка времени, .равнб го No, в N строках каждой секции. ПЗС-матрицы получают N голографически зарегист- jo рированных парн 1альных спектров.

После заполнения заданного числа строк обеих секций матрицы, определяемого временной задержкой ь нала в апертуре АОМр 7 и длитель- 25 ностью анализируемого сигнала, осуществляется их вьшод через верхний и нижний регистры сдвига (ВРС и ЫРС). По измеренным интенсивностям на выходах ВРС и НРС в k-й.такт съемаз информации, а также ранее измеренной интенсивности опорного пучка I в соответствии выражениями (2а) и (26) на выходах ПЗУ, 28 и ПЗУ, 29 формируются соответственно k-й отсчет интенсивности парциального сигнала. I и модуль напряженности этого сигнала fUckf . При этом ПЗУ, реализует вьфажение С2а), а ПЗУ выполняет функцию извлечения квадратного корня. Ц

Одновременно коды сигналов, снимаемых с регистров сдвига, поступают на первую группу адресных входов ПЗУ 30 и ПЗУ4 31, а на другую группу поступа- .ет код сигнала 1, при этом на хвыко- дах ПЗУз и ПЗУ формируются коды сигналов, пропорциональные возможным сдвигам фазы измеряемого сигнала относительно фазы опорного сигнала в соответствии с въражениями (За) и . Окончательный выбор правильного фазового сдвига в соответствии с выражением (4) осуществляется с помощью набора схем сравнения (32-35) и управляемого сигналами с их вькодов коммутатора 36, сигнал с выхода которого поступает на вход сумматора 40.

Для нахождения отсчетов суммарного спектра необходимо вьшол1шть операцию кргерентного накопления в соответствии с выражением (6). Величины k(n-1) вычисляют с помощью счетчиков 37 и 38, текущего адреса опрашиваемого элемента ПЗС-матрицы и умножителя 39. На выходе сумматора 40 формируется код, пропорциональньй аргументу, косинуса и. синуса в выражении (7), которые реализуются на выходах 41 и ПЗУ 42, а на выходах умножителей 43 и 44 получаются косинусные и синусные составляющие искомого сигнала По мере вывода отдельных строк из ПЗС-матрицы в блоках 49 и 50 памяти осуществляется накоплени этих составляю1щх, которые после вы- вода и преобразования всех 2N строк сигнала вводятся в память ЭВМ При этом осуществляется возведение в квадрат с помощью ПЗУ 51 и ПЗУд 52 и суммирование квадратов на сумматор 53. Результат суммирования через магистраль 26 поступает в память ЭВМ 2 В результате в памяти ЭВМ формируетс энергетический спектр сигнала длительностью N 2 с разрешением в N раз больщим, чем у обычного спектро- анализатора с такими же параметрами модулятора.

Предлагаемый спектроанализатор существенно лучшее разрешение по частоте и большую длительность обрабатываемых сигналов но сравнению с известными. При одинаковых типах используемых акусторптических модуляторов эти показатели улучшаются в N раз, где N - число складываемых парциальных спектров. При этом неизменной остается полоса рбрабаты- ваемых сигналов, таким образом в N раз растет число разрешимых точек. Наличие МПДО .позволяет вести спектральный, .анализ в/реальном масштабе времени, Тое со .скоростью, равной скорости поступления, входных данных Формула изобретени

Акустооптоэлектронный спектроанализатор, содержащий оптически соединенные импульсный лазер, синхронизи- руемьш от генератора синхроимпульсов, электрически соединенного с генератором опорного радиосигнала, светоделитель, образующй оптический тракт сигнального пучка, состоящий из последовательно оптически соединенных .коллиматора, акустооптического модулятора, электрически соединенного

16

с входом спектроанализатора, преобразующей системы объективов, отражательного зеркала, полупрозрачного зеркала и оптический тракт опорного пучка, состоящий из оптически-последовательно соединенных отражательного зеркала, второго коллиматора, второго акусторптического модулятора, электрически соединенного с генерато- ром опорного радиосигнала, сферического объектива, фильтрующей диафрагмы и второго сферического объектива, а также регистрирующее устройство, отличающий.ся тем, что,

с целью повышения частотного разрешения и длительности обрабатьшаемых сигналов, акустооптический модулятор в тракте сигнального пучка выполнен двухканальным, между коллиматором

сигнального пучка и одним из каналов модулятора установлена четвертьволновая фазосдвигающая пластинка, преобразующая система объективов выполнена астигматической, причем ее фокальное расстояние в плоскости, параллельной осям ультразвуковых каналов модулятора, равно расстоянию от этой системы объективов до регистрирующего устройства, регистрирующее устрой- ство выполнено в виде многоэлементного матричного фотоприемника на основе прибора с зарядовой связью, перед которым вплотную помещен непрозрачный экран с двумя отверстиями, которые по размерам равны строке матрицы, расположены напротив строк, наиболее удаленных от регистров сдвига, и оптически связаны с соответствующими каналами модулятора, при

этом матрица фотоприемников электрически соединена с устройством управления и через два аналого-цифровых преобразователя электрически соединена с модулем последетекторной обработки, который состоит из восьми постоянных запоминающих устройств, четырех блоков сравнения, коммутатора, двух счетчиков трех умножителей четырех сумматоров, двух буферных регистров, двух блоков , причем первая группа адресных входов первого запоминающего устройства через.первый аналого-цифровой преобразователь соединена с ангшоговым выходом верхнего регистра сдвига матрицы, а вторая группа адресных входо через второй аналого-цифровой преобразователь соединена с аналоговым

71

10

Q г

0

5 o

0

5

0

выходом нижнего регистра, причем выходы первого постоянного запоминающего устройства соединены с адрес- входами второго постоянного за- пo мнaющeгo устройства и первыми адресными группами третьего и четвертого постоянных запоминаюп1;их устройств, вторые адресные группы которых подключены к м выходам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, а выходы третьего и четвертого постоянных запоминающих устройств попарно соединены с входами первой - четвертой схем сравнения, выходы которых связаны с управляющими входами коммутатора, информационные входы которого также подключены к выходам третьего и четвертого постоянных запоминающих устройств, а выход соединен с первым входом:: первого сумматора, второй вход которого связан с выходом первого умножителя,входы которого соединены с первым и вторым счетчиками, счетные входы которЫх связаны с выходами синхронизации устройства управления, выход первого сумматора подсоединен к входам пятого и шестого постоянных запоминающих устройств, выходы которых соединены с выходом второго постоянного запоминающего устройства, а выход второго и третьего умножителей соединены с первыми входами второго и третьего сумматоров соответственно, выходы которых связаны с информационными входами первого и второго буферных регистров, выходы которых подключены к информа- ционным входам первого и второго блоков памяти, а также к вторым входам второго и третьего сумматоров, а также входам седьмого и восьмого постоянных зaпo п нaющиx устройств, выходы которых соединены с входа четвертого сумматора, выход которого подключен к магистрали электронной вьтислительной машины, причем адресные входы первого и второго блоков памяти соединены с выходом первого счетчика, а входы синхронизации - с соответствующим выходом синхронизации устройства управления, управляющие шины которого подключены к фазным электродам матрицы фотоприемников, а информационно-адресные шины - к магистрали электронной вычислительной машины

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в системах радиолокации, радиосвязи, радиоастрономии. Целью изобретения является повышение частотного разрешения и длительности обрабатываемых сигналов. Спектроанализатор содержит источник 1 когерентного света (импульсный лазер), генератор 2 синхроимпульсов, генератор 3 опорного радиосигнала, светоделитель 4, объективы 5, 6 коллиматора сигнального пучка, акустооптический модулятор 7 тракта сигнального пучка, четвертьволновую фазосдвигающую пластинку 8, сферический и цилиндрический объективы 9, 10, отражательные зеркала, полупрозрачное зеркало 12, объективы 14, 15 коллиматора опорного пучка, акустооптический модулятор 16 тракта опорного пучка, сферические объективы 17, 19, фильтрующую диафрагму 18, матрицу 20, экран 21 с двумя щелевыми отверстиями, устройство 22 управления, аналого-цифровые преобразователи 23, 24, модуль 25 последетекторной обработки, магистраль 26, ЭВМ 27. Алгоритм функционирования устройства приводится в описании изобретения. 2 ил.