Оптический спектроанализатор Советский патент 1992 года по МПК G01R23/17 

Изобретение относится к спектральному анализу низкочастотных электрических сигналов оптическими методами и может быть использовано в системах оптической обработки и анализа электрических сигналов, в частности речевых, для формирования наиболее информативного представления их в виде сонограм, т.е. представления их в координатах частотавремя.

Известно устройство, позволяющее осуществлять анализ низкочастотных электрических сигналов, например, акустооптическим методом. Его оптическая часть содержит оптически связанные лазер, олтический затвор, коллимирующую систему линз, акустооптический модулятор света.

интегрирующую линзу и линейку ПЗС, а электронная часть состоит из последовательно связанных блоков : АЦП, вход которого является входом устройства, ОЗУ, ЦАП, балансного модулятора, второй вход которого связан с электрическим входои акустооптического модулятора света. Работа всего устройства обеспечивается блоком управления. В устройстве осуществляется акустооптический вход электрических сигналов. Для согласования частотно-временнь1х параметров исследуемого сигнала и акустооптического модулятора света в нем используется специально разработанный электронный компрессор.

Однако это устройство не позволяет осуществлять формирование сонограмм.

так как оно фиксирует лишь спектральное распределение в определенный момент времени.

Известно устройство, позволяющее осуществлять спектральный анализ сигнала, записанного на фотопленку в виде модуляции по плотности. Модулированный световой пучок проходит через треугольную диафрагму, а затем осуществляется его преобразование Фурье. В Фурье-плоскости формируется изображение всех спектральных распределений сигнала с различным разрешением, изменяющимся непрерывно от одно стороны треугольной диафрагмы к другой.

Однако это устройство, во-первых, работает с задержкой формирования спектра на время фиксации сигнала на фотопленке, а во-вторых, позволяет формировать мгновенное спектральное распределение отрезка сигнала небольшой длительности, но не формирует его представления в координатах частота-время.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является оптический спектроанализатор, состоящий из лазера, коллимирующей системы линз, магнитной записывающей головки, носителя сигнала с системой протяжки, электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) со шлюзом, магнитооптического кристалла, поляроида, устройства преобразования Фурье и видикона, расположенного в плоскости регистрации.

Исследуемый сигнал записывается электронным лучом ЭЛТ на магнитном носителе сигнала, протягиваемом с помощью лентопротяжного механизма через шлюз со скоростью V. Зарегистрированная сигналограмма поступает в плоскость магнитооптического кристалла и локально перемагничивает структуру его магнитных доменов в соответствии со структурной остаточной намагниченности носителя сигнала. Считывание осуществляется монохроматической плоской волной с линейной поляризацией. После отражения от поверхности магнитооптического кристалла промо|5улированный свет фильтруется поляроидом и осуществляется его спектральное преобразование с помощью устройства преобразования Фурье в виде интегрирующей линзы. Результат спектрального анализа регистрируется с помощью видикона, установленного в спектральной плоскости линзы преобразования Фурье, на экране монитора.

Однако это устройство позволяет формировать мгновенное спектральное распределение обрабатываемого отрезка сигнала, но не обеспечивает режима формирования

спектральной картины в координатах частота-время. При этом длительность отрезка обрабатываемого сигнала невелика и определяется скоростью протяжки магнитной

ленты и апертурой магнитооптического кристалла. В конечном счете это не позволяет обеспечить полный анализ исследуемого сигнала сточки зрения динамики процесса. Целью изобретения является повышение качества анализа сигнала путем увеличения длительности обрабатываемого сигнала и получения двумерного отображения сигнала в координатах частота-время формированием мгновенных спектров в режиме бегущего окна (сонограмма сигнала). Указанная цель достигается тем, что в схему оптического спектроанализатора, содержащего оптически связанные лазер, коллимирующуюсистемулинз,

магнитооптический модулятор света с апертурой 1 X 1, носитель сигнала с системой протяжки, поляроид и видикон, введена диафрагма, установленная между магнитооптическим модулятором света и поляроидом,

Диафрагма выполнена в виде N одинаковых, вытянутых вдоль направления протяжки носителя сигнала окон, расположенных параллельно и непосредственно друг под другом и имеющих форму параллелограммов со стороной р вдоль направления протяжки, другой стороной d и острым углом а. причем

М

N

где В - база обрабатываемого сигнала;

М - число элементов разрешения магнитооптического модулятора света на длине 40 I (база модулятора);

JV.

Р

М

45 где NHK - число частотных каналов устройства;

d -гт sin а;

а - arccos (1 - --- N )

Носитель сигнала выполнен в виде магнитной ленты с записывающими головками, расстояние между центрами которых С dsin (2 , а устройство преобразования Фурье выполнено в виде анаморфотной системы линз.

При этом для реализации задержки сигнала во времени N записывающие магнитные головки могут быть установлены на одной линии, перпендикулярной направлению движения носителя, и их входы связаны с соответствующими N выходами многоотводной линии задержки, вход которой является входом устройства.

N записывающих головок могут быть также расположены вдоль магнитной ленты так, что расстояние между соседними записывающими головками вдоль направления движения носителя сигнала составляет Z (1 - р).

Таким образом, поскольку предлагаемое техническое решение имеет отличие от прототипа, оно удовлетворяет критерию новизна. При этом отличия изобретения . следует считать существенными, так как заявителю не известны другие решения, в которых были бы использованы сходные отличительные признаки, приводящие к увеличению длительности сигнала, обрабатываемого в, оптическом спектроанализаторе, и получению двумерного отображения сигнала в координатах частота-время.

На фиг. 1 а и б приведена структурная схема предлагаемого устройства (на фиг. 1 а изображено устройство с носителем сигнала, выполненным по п. 3 формулы изобретения, а на фиг. 1 б - с носителем сигнала, выполненным по п. 2 формулы изобретения); на фиг. 2 - диафрагма.

Устройство содержит оптически связанные лазер 1, коллимирующую систему 2, магнитооптический модулятор света (МОМС)З, вдоль магнитной поверхности которого протягивается магнитнь1й носитель сигнала 4 с помощью лентопротяженного механизма 5. На магнитный носитель сигнала А запись осуществляется с помощью магнитных головок 6. Далее за МОМС расположены на одной оптической оси диафрагма 7 (вплотную к МОМС 3), поляроид 8, анаморфотная система 9 линз и видикон 10, расположенный в фокусе анаморфотной системы 9 линз. Причем на фиг. 1 б, в случае выполнения носителя по п. 2 формулы изобретения, дополнительно имеется многоотводная линия задержки 11.

Диафрагма 7 (см. фиг. 2) выполнена в виде N одинаковых, вытянутых вдолЬ направления протяжки носителя сигнала окон, расположенных параллельно друг другу, непосредственно друг под другом и имеющих форму параллелограммов со сторонами р и d и острым углом а между ними.

Устройство работает следующим образом.

Электрический сигнал, записанный на магнитный носитель сигнала (магнитную ленту) 4, с помощью лентопротяжного механизма 5 протягивается вдоль магнитной поверхности МОМС 3. Монохроматический поляризованный свет от лазера 1 коллимируется системой 2 линз, проходит через диафрагму 7 и отражается от оптической поверхности магнитооптического модулятора света 3. При этом простр1анственное распределение напряженности магнитного поля, записанное на магнитной ленте 4, преобразуется на оптическом выходе МОМС 3 на основе магнитооптического эффекта в соответствующее распределение поляризации отраженного от поверхности МОМС 3 света, которое с помощью поляроида (анализатора) 8 преобразуется в распределение интенсивности света. Анаморфотная система 9 линз в своей фокальной плоскости, которая является и выходной плоскостью устройства, формирует вдоль оси (Ух световое распределение, отражающее спектральный состав входного сигнала, а вдоль

оси сОд осуществляет перенос изображения.

Выбор вида окна диафрагмы 7 обусловлен требованием обеспечения возможности получить в выходной плоскости анализатора спектры смещенных во времени выборок, т.е. формированием сонограммы сигнала (т.е. представления двумерного отображения сигнала в координатах частотавремя). При такой форме диафрагмы в

пределах каждого из N ее окон (см. фиг. 2) вдоль оси (ч) формируется выборка исследуемого сигнала. Причем по мере смещения вдоль оси у временного положения в.стробирующее окно смещения и, следовательно,

в устройство оказывается введенными различные пересекающиеся выборки сигнала. Очевидно, что степень перекрытия выборок определяется углом а. При а 90° в анализаторе оказывается представлена всего

лишь одна выборка. Использование сменных диафрагм с различным углом а. позволяет формировать спектры различных выборок. Путем изменения размера апертуры р можно регулировать разрешающую

способность анализатора спектра (число частотных каналов). Наличие N окон в диафрагме 7 позволяет увеличить длительность анализируемого сигнала в N раз путем записи его на широкую магнитную ленту с помощью N записывающих головок 6. Для обеспечений непрерывности в формировании сонограммы длинного отрезка речевого сигнала необходимо осуществить запись не магнитную ленту с соответствующими задержками по дорожкам с минимальным зазором между ними. Так, при переходе с дорожки, соответствующей первому окну диафрагмы 7, на дорожку, соответствуЮ1дую второму окну, необходимо задержать обрабатываемый сигнал на время 1-р I(M-N,K) где I - общий размер апертуры МОМС 3, V - скорость записи сигнала на магнитную ленту. Расстояние между центрами записывающих магнитных головок должно составлять С d sin о. для обеспечения максимальной плотности записи. . В выходной плоскости спектроанализатора соу располагается приемная телевизионная камера (видикон) 10. Сигнал с ее выхода поступает на видеоконтрольное устройство, на экране, которого воспроизводится сонограмма анализируемого сигнала. Запись анализируемого сигнала на магнитный носитель 4 для обеспечения необхоДИМОЙ задержки может производиться двояким образом. По п. 2 формулы изобретения злектрический сигнал записывается с помощью N магнитных записывающих головок 6 на магнитный носитель сигнала 4. Причем все магнитные головки 6 установлены на одной линии, перпендикулярной к направлению движения носителя сигнала 4. При этом для обеспечения возможности непрерывной последовательной записи длинного сигнала с помощью N записывающих головок 6 входы головок связаны с соответствующими N выводами многоотводной линии задержки, вход которой является входом устройства. Тогда время включения п-й записывающей головки должно быть задержано от времени включения первой записывающей головки на интервал времени (n-Dd-pX

n 2...N.

По п. 3 формулы изобретения электрический сигнал записывается с помощью N записывающих головок б, расположенных вдоль магнитного носителя сигнала 4 так, что расстояние между соседними записывающими головками вдоль направления движения носителя сигнала составляет z (I - р), что обеспечивает ту же временную задерж1 р

ку между сигналами, записываемыми соседними головками.

Н

а arccos (1 - - N )

Многоотводная линия задержки выполняется по известной схеме.

В качестве видикона 10 используется стандартное ПТУ, например ПТУ-42.

В предлагаемом устройстве введение специально выполненной диафрагмы и анаморфотной системы линз в качестве устройства преобразования Фурье позволяет увеличить длительность обрабатываемого сигнала и формировать его представление в Число N записывающих головок, а следовательно, и окон диафрагмы 7 определяется соотношением N -гт-Большинство узлов, входящих в предлагаемое устройство, не требует отдельной разработки и может быть выполнено известными средствами. Источником света может служить HE-Ne-лазер, например, типа ЛГН207Б; коллиматор ожет быть собран на двух сферических линзах или объективах. Магнитооптический модулятор света 3, выпускаемый в настоящее время, типа ВИГРЭС-24 имеет диаметр 76 мм при разрешении 30 л/мм, т.е. может обеспечить запись в квадратной апертуре 1500x1500 элементов разрешения, максимальная база обрабатываемого сигнала составляет . Максимальное число спектральных сечений сонограммы, которое можно записывать на таком МОМС, составляет NCC М cos а, а число разрешимых частотных каналов NHK М(1 - cos а. Магнитным носителем сигнала 4 может служить любая широкоформатная магнитная пленка. Лентопротяжный механизм 5 и записывающие головки 6 могут быть использованы от многодорожечного магнитофона. Поляроид 8 и анаморфотная система 9 линз обычны в исполнении. Диафрагма 7 может быть выполнена, например, фотолитографическим способом с использованием фотошаблона, рассчитанного в соответствии с изложенным в описании. При этом число окон диафрагмы, как уже указывалось. 1Мчк N sina координатах частота-время в реальном масштабе времени. Формула изобретения 1. Оптический спектроанализатор, содержащий последовательно оптически связанные лазер, коллимирующую систему линз, магнитооптический модулятор света, поляроид, систему линз Фурье-преобразователя и устройство визуализации двумерного изображения в ее фокальной плоскости, а также носитель сигнала в виде магнитной ленты с лентопротяжным механизмом, соприкасающейся с магнитной поверхностью магнитооптического модулятора света, и блок записи сигнала на носитель из N записывающих головок, о т лича ющийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем формирования сигнала в координатах частота-время в реальном масштабе времени, между магнитооптическим модулятором и поляроидом введена диафрагма, выполненная в виде N одинаковых окон, вытянутых вдоль направления протяжки магнитной ленты, расположенных непосредственно друг под другом вдоль направления, перпендикулярного направлению этой протяжки; и имеющих форму параллелограммов со стороной р вдоль направления протяжки, другой стороной d и острым углом «между ними, при этом р 1 NMK/M, d l sina /N, a arccos (1-NHKN/M), где N4K - число частотных каналов устройства;М - число элементов разрешения магнитооптического модулятора света на длине I, равное линейному размеру его магнитной поверхности как вдоль, так и поперек направления протяжки магнитной ленты; N B/M где В - база обрабатываемого сигнала, а расстояние между центрами соседних магнитных головок блока записи сигнала в направлении, перпендикулярном направлению протяжки, равно d sin а. 2,Спектроанализатор по п. 1, о т л и ч ающийся тем, что N записывающих головок блока записи сигнала на носитель установлены на одной линии, перпендикулярное направлению протяжки магнитной ленты, и их входы связаны с соответствующими N выходами многоотводной линии задержки, вход которой соединен с входом устройства, 3.Спектроанализатор по п. 1, о т л и ч аю щи и с я тем, что N записывающих головок блока записи сигнала на носитель расположены вдоль магнитного носителя так, что расстояние между соседними записывающими головками вдоль направления протяжки магнитной ленты равно (I - р), а входы записывающих головок соединены с входом устройства.

Изобретение относится к спектральному анализу и предназначено для использования в системах обработки низкочастотных электрических сигналов. Цель увеличение длительности обрабатываемых сигналов. Спектроанализатор содержит последовательно оптически связанные лазер 1, коллимирующую систему линз 2, магнитооптический модулятор света 3, поляроид 8, систему линз Фурье-преобразователя 9 и устройство 10 визуализации двумерного изображения 10, а также носитель записи сигнала в виде магнитной ленты 4 с лентопротяжным механизмом 5 и блок 6 записи сигнала из4М магнитных головок. Для достижения цели в Спектроанализатор введена диафрагма 7, выполненная в виде N одинаковых окон в форме параллелограммов,, расположенных друг за другом в направлении, перпендикулярном протяжке ленты 4. В одном из вариантов входы магнитных головок блока записи 6 соединены с вхрдом спектроанализатора через соответствующие каналы многоотводной линии задержки 11.2 йл. ••*•**^

2

Фиг ;

: I

I-РФиг. 2