Акустооптическое устройство для обработки сигналов антенной решетки Советский патент 1993 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к акустооптоэлектронике, и может быть использовано в радиотехнических и гидроакустических системах.

Цель изобретения - одновременное определение угла прихода сигнала и его спектра с высоким разрешением.

Поставленная цель достигается тем, что в известное акустооптическое устройство для обработки сигналов АР, содержащее расположенные на оптической оси и оптически последовательно связанные источник когерентного света, коллиматор, первый АОМ, выполненный многоканальным с N пьезопреобразоаателями, где N - число элементов антенной решетки, второй АОМ, первую цилиндрическую линзу, диафрагму, вторую и третью цилиндрические линзы, а также двумерный фотоприемник с накоплением, выход которого является выходом устройства, причем первая и третья цилиндрические линзы ориентированы идентично друг другу относительно оптической оси, а вторая цилиндрическая линза развернута вокруг оптической оси на 90° относительно первой и третьей цилиндриче- скихлинз, введены четвертая, пятая, шестая и седьмая цилиндрические линзы, N амплитудных модуляторов и генератор сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ-сиг00

о о ел ы

ала), причем четвертая, пятая, шестая и едьмая цилиндрические линзы расположеы последовательно на оптической оси межу первым и вторым АОМ, четвертая и едьмая цилиндрические линзы развернуты 5 на 90° вокруг оптической оси относительно пятой и шестой цилиндрических линз, пятая шестая цилиндрические линзы ориентированы относительно оптической оси идентично первой и третьей цилиндрическим Ю инзам, второй АОМ выполнен одноканаль- ным, а его пьезопреобразователь располоен идентично пьезопреобразователям первого АОМ в одной плоскости, параллельной оптической оси, кроме того, третья ци- 15 линдрическая линза смещена вдоль оси, перпендикулярной плоскости расположения входов первого и второго АОМ, на расстояние х0 fcp FH A /v, где fcp - средняя частота в спектре ЛЧМ-сигнала, Рц - фокус- 20 ное расстояние первой цилиндрической линзы. А-длина волны когерентного света, v - скорость распространения акустических волн в первом и втором АОМ, а размер третьей цилиндрической линзы вдоль этой 25 оси выбран равным Ах ДтУ Ри А /v, где Afn - ширина спектра ЛЧМ-сигнала, при этом, первые входы амплитудных модуляторов являются входами акустооптического устройства для обработки сигналов АР, 30 вторые входы амплитудных модуляторов соединены с выходами генератора ЛЧМ- сигнала и входом второго АОМ, а выходы амплитудных модуляторов соединены с соответствующими входами первого АОМ. 35

Сущность предложенного технического решения заключается в том, что путем введения новых элементов: четырех цилиндрических линз, амплитудных модуляторов и генератора ЛЧМ-сигнала, а также измене- 0 ния структуры и ориентации второго АОМ, взаимного разворота введенных линз, нового расположения третьей цилиндрической линзы, имеющей определенный размер вдоль одной из координат, и новых связей 45 между элементами в устройстве осуществлено преобразование Фурье с пространственным интегрированием в направлении размещения каналов в первом АОМ (по координате Y) и преобразование Фурье с вре- 50 менным интегрированием в направлении распространения акустических волн в АОМ (по координате X), в результате чего одновременно определяется угол прихода сигнала на АР и его спектр с высоким 55 разрешением. Авторам не известны технические решения, в которых бы одновременное определение угла прихода и спектра с высоким разрешением принимаемого АР

сигнала осуществлялось описанными выше средствами. Следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого акустооптического устройства.

Предлагаемое акустооптическое устройство для обработки сигналов АР (фиг. 1) содержит оптически связанные источник 1 когерентного света, например оптический квантовый генератор непрерывного действия, коллиматор 2, многоканальный АОМ 3 с N пьезопреобразователями 4. Далее следуют цилиндрические линзы 5 - 8, причем линзы 5 и 8 развернуты на 90° вокруг оптической оси устройства относительно линз 6 и 7. За линзой 8 расположен одноканальный АОМ 9, пьезопреобразователь 10 которого расположен идентично пьезопреобразователям АОМ 3 в одной плоскости, параллельной оптической оси. В задней фокальной плоскости, расположенной за АОМ 3 цилиндрической линзы 11, находятся диафрагма 12 и цилиндрическая линза 13. Линза 13 развернута на 90° вокруг оптической оси устройства относительно линзы 11, смещена вдоль оси, перпендикулярной плоскости расположения входов первого 3 и второго АОМ 9, на расстояние х0 fcp Рц A /v, COOT- ветствующее расположению +1-го светового дифракционного порядка после АОМ 3, и имеет размер вдоль этой оси Ах AtV Рцх хЯ/v. Далее расположены цилиндрическая линза 14 и двумерный фотоприемник 15 с накоплением, в качестве которого может быть использована матрица ПЗС. Кроме того устройство содержит N амплитудных модуляторов 16, первые входы которых являются входами устройства, на которые поступают сигналы от соответствующих элементов АР, а выходы соединены с соответствующими входами АОМ 3, и генератор ЛЧМ-сигнала, выход которого соединен со вторыми входами амплитудных модуляторов 16 и со входом АОМ 9.

Устройство .работает следующим образом. Сигналы с элементов АР поступают на соответствующие входы амплитудных модуляторов 16. На вторые входы модуляторов 16 поступает ЛЧМ-сигнал с выхода генератора 17.,С выходов модуляторов 16 ЛЧМ- сигналы, промодулированные по амплитуде сигналами с АР, поступают на пьезопреоб- разователи 4, которые преобразуют их в акустические волны в АОМ 3. ЛЧМ-сигнал с. выхода генератора 17 поступает одновременно на пьезопреобразователь10 и преобразуется последним в акустические волны в

АОМ 9. Свет дифрагирует на акустических волнах в АОМ 3. Цилиндрические линзы 6 и 7 осуществляют последовательно прямое и обратное преобразование Фурье над световым распределением в выходной плоскости АОМ 3 в направлении распространения акустических волн в АОМ 3, а линзы 5 и 8 осуществляют аналогичное преобразование в ортогональном направлении. В результате в плоскости АОМ 9 восстанавливается изображение АОМ 3. а формат светового пучка, падающего на апертуру АОМ 9, соответствует формату акустического пучка в звукопроводе АОМ 9. Ци- линдрическая линза 11 осуществляет преобразование Фурье над световым распределением в. выходной плоскости АОМ 9 в направлении распространения акустических волн. Диафрагма 12 блокирует нулевой дифракционный порядок (непродифрэгиро- вавший свет), фокусирующийся на оптической оси устройства.

Цилиндрическая линза 13 осуществляет преобразование Фурье над световым полем +1-го дифракционного порядка после АОМ 3 в направлении, перпендикулярном распространению акустических волн, то есть в направлении расположения каналов в АОМ 3. Цилиндрическая линза 14 восстанавливаете плоскости фотоприемника 15 плоскости АОМ 3 и АОМ 9. Фотоприемник 15 производит накопление заряда пропорционально интенсивности падающего на него светового поля, В результате накопления на фотоприемнике 15 образуется двумерное распределение заряда. Анализ работы устройства показывает, что полезная составляющая в распределении заряда представляет собой пространственную несущую по оси X, промодулированную по амплитуде амплитудным спектром, а по фазе - фазовым спектром обрабатываемого сигнала. При этом положение максимума в распределении заряда по оси tj определяет угол прихода сигнала на АР. В результате считывания распределение заряда преобразуется в электрический сигнал на выходе фотоприемиика 15.

В предлагаемом устройстве линза 13 осуществляет преобразование Фурье с пространственным интегрированием над световым полем на выходе АОМ 3 в направлении, перпендикулярном ориентации каналов в АОМ 3, что позволяет опреде- лить угол прихода сигнала на АР. Одновременно на основе АОМ 3, АОМ 9, линз 6, 7, 11, 14, а также генератора ЛЧМ- сигнала 17 и амплитудных модуляторов 16. в устройстве реализован анализ спектра принимаемого сигнала, что невозможно

осуществить в устройстве-прототипе. Причем, в предлагаемом устройстве разрешение по частоте в спектре определяется временем накопления фотоприемника и мо- 5 жет достигать значений 10 Гц для существующих фотоприемников типа ПЗС. Таким образом, разрешение по частоте в предлагаемом устройстве на 3 - 4 порядка выше, чем в известных акустооптических устройст0 вах аналогичного назначения, в которых спектральный анализ применяемого АР сигнала осуществляется методом пространственного интегрирования.

Формула изобретения

5 Акустооптическое устройство для обработки сигналов антенной решетки, содержащее расположенные на оптической оси и оптически последовательно связанные источник когерентного света, коллиматор,

0 первый акустооптический модулятор (АОМ), выполненный многоканальным с N пьезоп- реобразователями, где N - число элементов . антенной решетки, второй АОМ, первую цилиндрическую линзу, диафрагму, вторую и

5 третью цилиндрические линзы, а также двумерный фотоприемник с накоплением, выход которого является выходом устройства, причем первая и третья цилиндрические линзы ориентированы идентично одна дру0 гой относительно оптической оси, а вторая цилиндрическая линза развернута вокруг оптической оси на 90° относительно первой и третьей цилиндрической линзы, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что, с целью одновременно5 го определения угла прихода сигнала и его спектра с высоким разрежением, дополнительно введены четвертая, пятая, шестая и седьмая цилиндрические линзы, N амплитудных модуляторов и генератор сигнала с

0 линейной частотой модуляцией (ЛЧМ-сигна- ла), причем четвертая, пятая, шестая и седьмая цилиндрические линзы расположены последовательно на оптической оси между первым и вторым АОМ, четвертая и седьмая

5 цилиндрические линзы развернуты на 90° вокруг оптической оси относительно пятой и шестой цилиндрических линз, пятая и шестая цилиндрические линзы ориентированы

относительно оптической оси идентично

0 первой и третьей цилиндрическим линзам, второй АОМ выполнен одноканальным, ч а его пьезопреобразователь расположен идентично пьезопреобразователям первого АОМ в общей плоскости, причем входы пер5 вого и второго АОМ расположены в одной плоскости, параллельной оптической оси, кроме того, третья цилиндрическая линза смещена вдоль оси, перпендикулярной плоскости расположения входов первого и второго АРМ, на расстояние х0 fcp Fn A /v ,

где fcp - средняя частота в спектре ЛЧМ-еиг- нала; Рц - фокусное расстояние первой цилиндрической линзы; А - длина волны когерентного света; v - скорость распространения акустических волн в первом и втором АОМ, а размер третьей цилиндрической линзы вдоль этой оси выбран равным Дх - AtV Рц Л/у, где Affl-ширина спектра ЛЧМ-сигнала, при этом первые входы

амплитудных модуляторов являются входами акустооптического устройства для обработки сигналов антенной решетки, вторые входы амплитудных модуляторов соединены с выходом генератора ЛЧМ- сигнала и с входом второго АОМ, а выходы амплитудных модуляторов соединены с соответствующими входами первого АОМ.

Использование; радиотехника, акусто- оптрэлектроника, гидроакустические системы, Сущность изобретения: расположенные .на оптической оси и оптически последовательно связанные источник когерентного света, коллиматор, первый и второй акусто- оптические модуляторы (АОМ), первая цилиндрическая линза (ЦЛ), диафрагма, вторая, третья, четвертая, пятая, шестая и седьмая ЦЛ и двумерный фотоприемник с накоплением, а также N амплитудных модуляторов и генератор ЛЧМ-сигнала. Первая и третья ЦЛ ориентированы идентично, а вторая ЦЛ развернута относительно них на 90° вокруг оптической оси, Четвертая, пятая, шестая и седьмая ЦЛ расположены между . первым и вторым АОМ, причем четвертая и седьмая ЦЛ развернуты на 90° относительно пятой .и шестой ЦЛ вокруг оптической оси. Пятая и шестая ЦЛ ориентированы идентично первой и второй ЦЛ, Второй АОМ выполнен одноканальным, Третья ЦЛ смещена вдоль оси, перпендикулярной плоскости расположения входов первого и второго АОМ. 1 ил. (Л С