Оптическое корреляционное устройство Советский патент 1974 года по МПК G06G9/00 

(54) ОПТИЧЕСКОЕ КОРРЕЛЯЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

многодорожечного согласованного транспаранта соответственно.

Коррелятор содержит источник света 1, например, оптический квантовый генератор непрерывного действия, конденсор 2, оптикоакустическую кювету 3, в звукопроводе которои возоуждают обрабатываемым сигналом 4, воздействующим на пьезодатчик 5, ультразвуковые волны, поглощаемые затем в акустическом поглотителе Ь, многодорожечныи согласованный с обрабатываемым сигналом транспарант 7 (фазовый или амплитудный), интегрирующую сферическую линзу Ь, на фокусном расстоянии f от которой установлена фокальная диафрагма У, и фотоприемник 10, например, на основе фотоэлектронного умножителя.

ria торцовых стенках И кюветы 3 укреплены акустические отражатели 12, ориентированные один относительно другого так, что распространяющаяся в звукопроводе кюветы 3 акустическая волна образует пространственное динамическое распределение оптической плотности 31вукопровода в виде параллельных дорожек, дифрагирующих падающий на кювету световой поток, а также фазовый или амплитудный транспарант 7 с записанными на нем параллельными дорожками 13, пространственно согласованными с указанным распределением в оптико-акустической кювете, и экранированный по световому потоку непрозрачными краевыми полосами 14, которые затеняют области расположения акустических отражателей 12 в кювете 3.

Рассмотрим принцип действия устройства.

Излучения оптического квантового генератора 1 (либо другого достаточно яркого монохроматического источника света) формируют конденсором 2 в виде плоской волны, нормально падающей на апертуру кюветы 3.

Если -фазовая постоянная пространственной несущей, записанной на опорный транспарант 7;

Л - период пространственной несущей;

/С 2я/Язв - фазовая постоянная акустической волны в звукопроводе кюветы 3 (ультразвуковом модуляторе света - УЗМС);

Лзв - длина акустической волны;

L/,W--exp -i0()J- комплексная огибающая . пространственного сигнала транспаранта;

в (л)-фазовая функция записанного на нем радиосигнала 4;

,Jl)a()expX

и.

V J

г / X + а.

L4)J

X

- комплексная огибающая радиосигнала 4, поступающего в УЗМС, причем a(t, х) -действительная огибающая радиосигнала; р(/) - фазовая функция, 2L - апертура УЗМС, v - скорость распространения акустической волны вдоль оси звукопровода, то комплексная огибающая выходного сигнала коррелятора при неискажаюЩей фильтрации в области первого (например, плюс первого) дифракционного порядка фокальной плоскости интегрирующей линзы 8 - плоскости пространственных частот - есть

+L

/„, (О . А ul (х) U,(t- i±-) exp X

-L

(-f) аналог функции неопределенности опорного и обрабатываемого сигналов.

Вещественный выходной сигнал с выхода фотоприемиика 10 дается выражением

L(i).(i)(),

где со - круговая частота обрабатываемоio радиосигнала.

Jгaccoглacoвaниe обрабатываемого сигнала и сигнала опорного транспаранта, пространственно согласованного с оораоатыва-емым сигналом, проявляющееся в различии фазовых постоянных этих сигналов ), приводит

к уменьшению амплитуды огиоающеи корреляционного отклика системы. Причем допустимое рассогласование, определяющее меру разрешающей спосоопости коррелятора, ограничивается условиями щироко-полосности,

имеющими вид /х-Д/УГо я, где lo - длительность оораоатываемой временной выоорки в апертуре оптико-акустической кюветы d (,лиоо длительность оораоатываемого радиоимпульсного сигнала ic, если to lc}Фокальная диафрагма У выделяет тот или иной дифракционный порядок. с,е роль сводится к полосовой фильтрации, которая является практически неискажающеи при условии, что щирина щели 2;д| в плоскости пространственных частот определена условием:

,./С /-,yi, kvtdkл

где /- фокусное расстояние интегрирующей линзы 8;

Я - длина волны света источника 1.

Обозначая апертуру оптико-акустической кюветы 3 через D vio, можно прийти к выражению

9Л -- 22 f ,

известному из общей теории дифракции. Таким образом, увеличение апертуры D

приводит в конечном счете к повышению разрешающей способности коррелятора.

В известных оптико-акустических корреляторах время корреляции может доводиться до 100-150 мксек, что в ряде случаев является

достаточным. Однако возможности обработки сложных сигналов большей длительности, например, при «сжатии импульсной псевдослучайной двоичной ЛГ-последовательности, ограничиваются габаритами оптической системы

(ее продольной апертурой).

Для увеличения размера временной выборки обрабатываемого сигнала на торцах кюветы 3 укреплены акустические отражатели, расположенные один относительно другого так, что ультразвуковая волна испытывает многократное отражение с одновременным смещением вдоль координаты, ортогональной координате распространения акустической волны в звукопроводе кюветы 3. Ири этом апертура кюветы как бы проверчивается несколькими параллельно расположенными одна относительно другой ультразвуковыми доролскамн (динамическими дифракционными решетками). Число таких дорожек определяется числом акустических отражателей 12 и имеет порядок величины отношения поперечной апертуры кюветы к ширине поперечного размера одной ультразвуковой дорожки (с учетом защитных промежутков между смежными дорожками для исключения их взаимного влияния). Обеспечиваемое предложенной конструкцией пространственное представление обрабатываемого радиосигнала позволяет увеличить эквивалентную продольную апертуру УЗМС в N раз по сравнению с прототипом, что соответственно в N раз увеличивает разрешающую способность корреляционного устройства.

Опорный транспарант 7 также выполнен Nдорожечным. Причем распределение плотности почернения для амплитудного трансноранта или распределение фазовой функции для фазового транспаранта соответствует распределению фазовой функции в звукопроводе кюветы 3 соответственно для каждой из рассматриваемых N дорожек. Транспарант может быть изготовлен методом мультиплицирования на фотопленке или фотопластинке (амплитудный транспарант) или обработкой давлением виниловой пленки (оптически прозрачной) специальной стальной матрицей (фазовый транспарант), причем в последнем случае с помощью одной матрицы могут быть получены идентичные транспаранты в большом количестве (до 15000 штук).

Поскольку распределение фазовой или амплитудной функции транспаранта является неизменным во времени, а соответствующее ему распределение фазовой функции в звукопроводе кюветы 3 возникает только в определенный момент времени, ясно, что на выходе коррелятора возникает «сжатый импульс -отклик больщой амплитуды в этот же момент времени (момент совпадения пространственных распределений фазовых функций в звукопроводе кюветы 3 и транспаранте 7) - выброс огибающей корреляционной функции, существенно превышающий ее среднее значение.

Непрозрачные краевые полосы 14 транспаранта 7 затеняют акустические отражатели 12 кюветы для падающего светового потока, что снижает уровень дифракционных искажений коррелятора. При этом часть обрабатываемого сигнала теряется. Однако величина этой части во много раз меньше полной временной выборки обрабатываемого сигнала, и указанные потери незначительно снижают амплитуду «сжатого импульса на выходе коррелятора.

Форма акустических отражателей может оыть плоской или сферической. Х5 последнем случае сферинносто акустических отражаиелеи позвилиет скомпенсировать угловую расходИЛ1ис1ь акустический ьо.чнш в )KuiijjoDUA J Кюветы и тем самым существенно увеличить

иОЩую длину ультразвуковой дорожки в 1UOвете оез наложении олизко размещенных одHd от друюи акустических дорожек, петрудно показать, что при начальной ширине уль5тразвуковой дорожки 1 ьолиак пьезодатчика) ь о Mivi и при несущей частоте оораоатываемого сигнала, воздеиствуюшего -на иьезодатчик о, равной du ivu-ц, оощая длина ультразвуковой дорожки в случае плоских акустических отража-гелеи может оыть порядка юии мм, а в случае сферических - около Juuo мм. лсли размер продольной ааертуры 3ivic выоран равным iou мм, то при оощеи длине ультразвуковой дорожки oUuu мм, ширине дорожки

5 у аьезодатчика о мм, число дорожек в кювете ciivn равно . при средней ширине дорожки в /,о мм и максимально плотной компановке .о в смысле солижения смежных дорожек, поперечный размер апертуры м

0 составляет 1ои мм. при этом диаметр интегрирующей линзы б должен оыть выоран равным 2 а-2ои мм, что и определяет поперечные гаоариты коррелятора, иаиоольшая величина относительного отверстия интегрирую5щей линзы U может оыть выорана равной 1:1, т. е. ее фокусное расстояние также равно / z-/,(j-2оО мм. при этом продольные гаоариты коррелятора (вдоль оптической оси) при рациональном размещении элементов могут быть

0 равны оии мм.

Ьремя корреляции рассмотренного корреляционного устройства составляет порядка d. соответствующий теоретический предел разрещения коррелятора по частоте порядка

5 u,d КГЦ), вместо i,o.iU сек (предел разрешения около Ь,7 КГЦ), которое реализуется в известных корреляторах с апнертурой 150 мм одной дорожке).

0

Использование корреляционного устройс1ша чрезвычайно эффективно при обработке длинноимпульсных псевдошумовых радиосигналов перспективных радиолокационных станций (PJIC). При этом обеспечивается возможность

5 существенного увеличения отношения сигнал шум на выходе коррелятора в случае, когда спектральная плотность полезного сигнала на входе ралиолокационного ппиемника существенно ниже спектральной плотности шумов и

0 организованных помех IB месте приема. Это обеспечивает высокую скрытность действия РЛС, ис;юльзующих широкополосные сигналы с большой базой, и их высокую помехоустойчивость.

5

7 Предмет изобретения

Оптическое корреляционное устройство, содержащее размещенные на одной оптической оси источник монохроматического света, конденсор, нространственный дифракционный модулятор света, выполненный в виде оптикоакустической кюветы с пьезодатчиком, подключенным к источнику сигнала, и акустичес446081

ким поглотителем, транспарант, интегрирующую линзу, фокальную диафрагму и фотонриемник, отличающееся тем, что, с целью увеличения разрешающей снособности, в торцовых стенках оптико-акустической кюветы укреплены акустические отражатели, а транспарант выполнен согласованно-многоканальным с непрозрачными краевыми полосами.

Ю

п.

Фи.г.з