Акустооптический спектроанализатор с интегрированием во времени Советский патент 1993 года по МПК G06E3/00 

Изобретение относится к области оптической обработки информации и может найти применение в радиотехнических лзмерениях, в радиолокации для формирования функции неопределенности радио- ;игналов в реальном масштабе времени.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет формирования функции неопределенности.

На чертеже представлена структурная ;хема устройства.

Устройство содержит источник когерен- .,. гного света 1, коллиматор 2, первый акусто- эптический модулятор 3, оптический трансформатор изображений 4, второй аку- жюптический модулятор 5, первый проек- дионный объектив 6, диафрагму 7, второй троекционный объектив 8, оптический транспарант 9, матричный фотоприемник ча приборах с зарядовой связью 10.

Устройство работает следующим образом. На электрический вход первого акусто- эптического- модулятора поступает эадиосигнал

Ui(,t)bi(t))i(t)) vn,

(1) где bi(t), v , (p (t) -- значения амплитуды.

частоты и фазы сигнала соответственно,

t - время,

, - коэффициент изменения временного масштаба сигнала.

Коэффициент пропускания первого АОМ при наличии в нем сигнала равен величине

1

ti(x,t)1+i(Ј)Ki Ui(/fi,

x (, t- rX7),

t 1

V

$4|ФК1 Ui- (2)

где х-координата вдоль направления распространения ультразвука,

V - скорость распространения ультразвука,

1 - коэффициент пропорциональности.

Модулятор освещается пучком когерентного света с плоским фазовым фронтом, параллельным плоскости модулятора, и равномерным распределением интенсивности, который излучается лазером (1} и рзсширяC/

С

ioo

00 I

CO CO

Ю

ется коллиматором (2), световое поле за первым АОМ равно

Ei-Eoti(x,t),(3)

где Ео - амплитуда падающего света.

Изображение первого АОМ проецируется на второй АОМ (5) с изменением масштаба, которое осуществляется с помощью оптического трансформатора (4). Поле, освещающее второй модулятор, равно величине

Ei - $ Ео{1 + | IKiUi( Рм .Ui(

i,t

Х#,

V

(4)

где fh величина, обратная коэффициенту увеличения оптического трансформатора, j-ja второй АОМ поступает сигнал (i)(t)exp i2jzv& t, (5) (где обозначения аналогичны использованным в формуле (1).

Коэффициент пропускания второго модулятора равен величине

tz(x,t)-lV (t + -Т)+ i IK2U2

x(t+ -T).

где Т - время распространения ультразвука в модуляторе,

К2 - коэффициент пропорциональности.

При освещении модулятора когерентным светом прошедшая через модулятор амплитуда света будет содержать составляющую, пропорциональную коэффициенту пропускания t2(x, t).

С помощью объективов проекционной системы (6, 8) и фильтрующей диафрагмы (7) с двумя отверстиями, расположенными в местах фокусировки первых дифракционных порядков, изображения модуляторов проецируются на поверхность фотоприемника. Считая, что оба модулятора работают в режиме Брэгга, будем рассматривать лишь +1-е порядки дифракции. В плоскости фотоприемника формируется интерференционная картина, интенсивность которой в случае единичного увеличения проекционной системы равна

id(x,t)/KiUi(/8it-- )+K2U2(t+ )/2-Ki2/Ui/2+K22/U2/2+ 2Re x

(6)

{KiK2 Ui(( ). U2(t+ $ -T)}.

(7)

Для дальнейшего рассмотрения учтем тот факт, что интерференционная картина образуется в результате сложения световых пучков, распространяющихся под углом,

равном сумме углов дифракции света на ультразвуковых волнах в первом и втором АОМ.

,

15

20

25

30

35

40

V

V

(8)

где А - длина световой волны,

Аи - длина ультразвуковой волны во 2-ом АОМ,

AI эффективная длина ультразвуко- 0 вой волны в 1 АОМ с учетом изменения масштаба.

Сложение двух световых волн под углом приводит к модуляции интерференционной картины с пространственной частотой равной величине

Fnp -VJ/A.(9)

С учетом формул (8), (9). а также выражений для радиосигналов (1) и (5), третий член суммы (7) можно записать в виде

А И t - )U2(t+ у -Т). jrQ3i vi-V2)t -exp

(Prfavi+v$xl(10)

В качестве фотоприёмника служит ПЗС- матрица, работающая в режиме сдвига и суммирования, причем направление перемещения зарядов вдоль столбцов матрицы параллельно направлению распространения ультразвука в модуляторах. Переходя в формуле (10) к движущейся системе координат

-ut,

где и - скорость перемещения зарядов вдоль столбцов ПЗС-матрицы, получим следующее выражение для интенсивности интерференционной картины

A- Re{Ui((Јi «Ј),-&) - U((t +V )-exp((/3ivi-V2)t- x

x(iffi#2Vi+V2)t)-exp(l x 45x()xi)}(11)

Полагая /Si -fa -ft i - i i/u и вы

полняя алгебраические преобразования, е приводим выражение (11.) к виду

50 А Re{Ui((1 + /fe)) U ((1 +ф )(-i2jr tf vi-)t- x

55 x(vi+)t)-exp(

x .vi+%)xi)).(12)

npnUl U2 Uo. V1 V, V2 +AV

С точностью до членов второго порядка малости можно записать

A Re{Uo((1 + xUo((1 +

)t-%V

и

vi v

T7) +V-T)x

1A

2л,

V 1 V xexp() exp()}. (13)

При Av 0, производя интегрирование по времени в пределах, равных времени перемещения зарядов вдоль столбцов матрицы, получим световое распределение, соответствующее автокорреляционной функции сигнала Uo(t). Это распределение, промоду- лирован ное пространственной частотой

2 v

F -Г7- , есть частный случай функции неопределенности - для нулевого допплёровско- го сдвига. Формирование функции неопределенности в общем случае (для A v 0) требует использования оптического транспаранта. В качестве такого транспаранта может служить решетка со штрихами, перпендикулярными столбцам матрицы, коэффициент пропускания которой по интенсивности равен

G- t-1+cosy х.(14)

В движущейся системе координат наличие транспаранта приводит к модуляции интенсивности света с частотой

fM syU.

Требуемую величину пространственной частоты транспаранта получим приравнивая частоту этой модуляции величине до- пплеровского сдвига i Av .отсюда

у-#...(И)

Для формирования функции неопределенности при разных значениях Av необходимо иметь набор решеток с разными пространственными частотами, определяемыми формулой (15).

С учетом необходимости формирования двух квадратурных составляющих каждая из решеток должна состоять из двух, имеющих одинаковую пространственную частоту и сдвинутых друг относительно друга на четверть шага решетки вдоль направления перемещения зарядов.

В предлагаемом устройстве решается дополнительная задача, связанная с нали-. чием, помимо полезного сигнала, постоянной составляющей. Для фильтрации этой составляющей и выделения полезного сигнала применяется метод вычитания двух отсчетов. С этой целью для каждого значения используются четыре решетки с одинаковыми пространственными частотами и сдвинутые друг относительно друга на четверть шага решетки, подобно тому, как это сделано в устройстве-прототипе. Общее выражение для коэффициента пропускания оптического транспаранта аналогично выражению для коэффициента пропускания транспаранта устройства-прототипа:

п - - 1 .2,.+ |Т cos

пТоК 3

0.- .

Ј1

Т7 X ш Ck 3 У У2 о. 0 л I 10 -(К )2 J

0

5

0

5

0

5

0

5

х Р

Йг(2К-1+8п)

1 }

(16)

ушТм

где Aw™ - полоса анализируемых частот, N - число элементов в строке матрицы, Ут - размер строки матрицы, у- координата вдоль строки матрицы. Функция Р(у) определяется выражением

|Ч/у/ 1;

Р(У)

LO,.

Однако, в отличие от устройства-прототипа, выражение (14) описывает коэффициент пропускания по интенсивности, поскольку транспарант расположен непосредственно перед фотоприемником, выходные сигналы которого пропорциональны интенсивности света.

Функция пропускания транспаранта позволяет получить в каждом частотном каналечетыре составляющих, соответствующих четырем значениям фазы выходных сигналов фотоприемника

с

,уъ ) которые

можно вычислить по формуле t + т

ft(x.y .t.VO /G -Adt(17)

t

где значения А и G определяются выражениями (13) и (16) соответственно.

Выполняя далее вычисления, например, с помощью

Dfy,y.t) Ф1 - Фй )2 + (Фз - )2 (18) можно найти квадрат модуля функции неопределенности сигнала для разных значений временных задержек и сдвигов частот.

Число разрешимых точек по частоте определяется количеством элементов в строке ПЗС-фотоприемника. Как следует из теоремы Котельникова, это число в простейшем случае в два раза меньше количества элементов строки. В данном устройстве из-за применяемого алгоритма обработки разница достигает восьми раз. При этом частотное разрешение определяется, как и в обычных спектроанализаторах с временным интегрированием, т.е. временем перемещения зарядов вдоль столбцов матрицы.

Что касается предельно достижимого числа разрешимых точек по дальности, то оно вдвое меньше числа элементов в столбце матрицы.

Предложенное устройство обладает существенными преимуществами перед аналогами. Полоса пропускания AQM не должна превышать полосу частотного анализа устройства. Анализируемый сигнал поступаетнепосредственно на пьезопреобразователь АОМ, а не модулирует по амплитуде ЛЧМ-сигнал. Отсутствие амплитудной модуляции в электрическом тракте позволяет максимально использовать динамический диапазон АОМ, При этом расширяется и динамический диапазон всего устройства в целом.

Формула изобретения

Акустооптический спектроанализатор с интегрированием во времени, содержащий размещенные на оптической оси .источник

когерентного света, коллиматор, первый экустооптический модулятор, первый проекционный объектив, диафрагму, второй проекционный объектив, оптический транспарант и матричный фотоприемник на приборах с зарядовой связью, причем диафрагма размещена в общей фокальной плоскости проекционных объективов, отличающийся тем, что, с целью

расширения функциональных возможностей за счет формирования функции неопределенности, в него введены размещенные за первым акустооптическим модулятором оптический трансформатор изображений,

состоящий из двух софокусных сферических объективов, последовательно расположенных на оптической оси. и второй экустооптический модулятор, причем оптический транспарат размещен непосредственно перед матричным фотоприемником, электрический вход первого акустооптического модулятора является входом задания временных параметров спектроанализатора.

Изобретение относится к области оптической обработки информации и может найти применение в радиотехнических измерениях. Спектроанализатор содержит источник когерентного света, коллиматор, акустооптические модуляторы, проекционные объективы, диафрагму, оптический транспарант, матричный Фотоприемник на приборах с зарядовой связью, оптический трансформатор изображения, состоящий из.двух софокусных сферических объективов. 1 ил.

i i

9

7

3 f0