Опорный транспарант для акустооптических корреляторов Советский патент 1978 года по МПК G02B5/18 G06G9/00 

ЭТОМ режиме акзсто-оптическии коррелятор является согласованным фильтром для сигнала, полученного в режиме формирования. Опорный транспарант для акусто-оптического коррелятора в виде пластины с переменной прозрачностью вдоль оси х, по существу, является неоднородной амплитудой дифракционной решеткой, причем закон изменения ее прозрачности вдоль оси х полностью определяется высокочастотной структурой записываемого на ней сложного сигнала, т. е. его несущей частотой и видом угловой (частотной или фазовой) модуляции. Следует отметить, что вторая координата в плоскости опорного транспаранта, отсчитываемая вдоль оси, перпендикулярной оси х (оси у), в данном случае не используется. Однако, в некоторых случаях структура опорпого транспаранта не является однородной вдоль оси у. Во-первых, принципиальное преимущество двумерного характера оптических систем обработки информации используется при создании многоканальных систем, когда вдоль координаты у размещают определенное число каналов такой системы. И хотя в этом случае структура транспаранта и не является однородной вдоль оси у в целом, в каждой части, относящейся к конкретному каиалу, прозрачность транспаранта вдоль оси у не изменяется. Во-вторых, известно использование координаты у, и в случае одноканального коррелятора. С целью формирования электрических сигналов сложной формы используется так называемый контурный транспарант, представляющий собой маску, накладываемую на световую апертуру ультразвукового модулятора света, фактически изменяющую ее высоту вдоль оси X, благодаря чему осуществляется амплитудная модуляция формируемого сигнала. Очевидной является возможность использования в корреляторах совокупности такого контурного транспаранта (в дальнейщем именуемого кодирующим), являющегося непрозрачной маской с областями прозрачности, контуры которых определяются видом записываемого сигнала и рассмотренной неоднородной амплитудой дифракционной рещетки, иначе именуемой несущим транспарантом. Полученный наложением двух транспарантов друг на друга опорный транспарант обладает следующими особенностями. Во-первых, с помощью такого транспаранта в акусто-оптическом корреляторе может быть сформирован практически любой сложный сигнал, имеющий произвольный характер угловой и амплитудной модуляции. Во-вторых, закон амплитудной модуляции задается видом кодирующего транспаранта, а высокочастотная структура записываемого сигнала, т. е. несущая частота и закон угловой модуляции определяется структурой несущего транспараита, т. е. упомянутой выще неоднородной дифракционной решетки с неизменяющейся по вертикали прозрачностыо. Именно такой опорный транспарант и рассматривается в дальнейшем в качестве прототипа. Как следует из характеристики прототипа, для формирования и обработки в корреляторе конкретного сложного сигнала необходима определенная пара кодирующего и несущего транспарантов, однозначно определяемая структурой записываемого сигнала. Таким образом, для работы с несколькими сложными сигналами необходимо соответствующее число таких пар. И если изготовление кодирующих транспарантов не представляет трудности в связи с их довольно простой структурой, связанной с медленным изменением функции прозрачности вдоль оси X, то соверщенно иначе обстоит дело с несущими транспарантами, непосредственно отражающими структуру высокочастотного заполнения сигнала. Действительно, для записИ|, например, сигнала с линейным законом частотной модуляции на некоей несущей частоте, необходимо изготовить амплитудную дифракционную рещетку определенной длины с изменяющимся по длине в соответствии с законом модуляции периодом. Средние величины нериодов, определяющиеся несущей частотой, являются чрезвычайно малыми (единицы - десятки микрон) и имеют тенденцию к уменьщению в связи с ростом рабочих частот. Поэтому изготовление таких решеток является сложной технологической задачей, особенно, если учесть, что законы угловой модуляции записываемых сигалов могут быть самыми различными. Это обстоятельство представляет собой существенный недостаток описанного опорного транспаранта. Целью изобретения является упрощение технологии изготовления опорных транспарантов для акусто-оптических корреляторов. Поставленная цель достигается тем, что в опорном транспаранте для одноканального акусто-оптического коррелятора, состоящем из несущего и кодирующего транспарантов, функция прозрачности Ts(x, у), определяющая структуру первого, изменяется не только вдоль оси X, но и вдоль оси у в соответствии с законом: ГЛ1 + соз(х. + Ш Гн (-, у) -/.л; + 1; (I) О - в остальных точках, где Го - коэффициент, определяющий степень прозрачности светлых участков транспаранта, ,5; , - постоянные коэффициенты, определящие периодичность функции прозрачности вдоль соответствующих осей (для известных однокаиальных иесущихтранспарантов ); 2L, 2Н - размеры световой апертуры вдоль осей X к у соответственно. Реализация закона (1) чрезвычайно проста: аким выралсением описывается функция прорачности синусоидальной амплитудной диракционной рещетки, штрихи которой об разуют с вертикалью (осью у угол 6, определяемый формулой в arctg-. На фиг. 1 изображена структура предлагаемого опорного транспаранта; на фнг. 2 - кодирующий транспарант с элементарной вырезкой; на фиг. 3 - кодирующий транспарант для случая записи дискретного многофазного неравномерного кода; на фиг. 4 - то же, для непрерывного сложного сигнала; на фиг. 5 - то же, для сигнала с большим фазовым размахом угловой модуляции; на фиг. 6 изображен кодирующий транспарант,- подвергнутый зонированию. Опорный транспарант (фиг. 1) состоит из наложенных друг на друга кодирующего 1 и несущего 2 транспарантов (для наглядности на фиг. 1 транспаранты раздвинуты вдоль продольной оси z). В качестве несущего транспаранта используется синусоидальная амплитудная дифракционная решетка, щтрихи которой обазуют с осью угол В, равный arctg- , определяющийся законом изменения функции прозрачности несущего транспаранта в соответствии с выражением (1). Кодирующим транспарантом является непрозрачная маска с областями прозрачности. В таком опорном транспаранте структура несущего транспаранта крайне проста, тем не менее именно она обеспечивает возможность записи закона угловой модуляции сигнала с помощью кодирующего транспаранта, что и позволяет при использовании такого опорного транспаранта полностью избежать необходимости изготовления неоднородных дифракционных рещеток, т. е. устранить основной недостаток прототипа. На фиг. 2 представлена простейшая структура кодирующего транспаранта, содержащая произвольно размещенную и произво.льпую по размерам нрозрачную прямоугольную вырезку. Функция прозрачности такого транспаранта Т,: имеет вид: f 1, лго - / л: .лго -f /; Уо-h + 1г; О - в остальных точках, где Хо, г/о - координаты центра прозрачной вырезки; . 21, 2ft - ее размеры вдоль осей хну соответственно. Теоретический анализ показывает, что при воздействии на з пьтразвуковой модулятор света акусто-оптического коррелятора с опорным транснарантом, полученным наложением кодирующего транспаранта (изображенного на фиг. 2) на несущий (представленный на фиг. 1) электрического сигнала Us(t) в виде б - функции, т. е. ЛО-(8), ток фотодетектора будет представлять собой радиоимпульс частоты й- хУ (V-скорость Зльтразвука в материале звукопровода) с комплексной огибающей /oj вида; (%„); 1 L , Л- L /ш .--, .x,r-l+L V где А - комплексное число, зависящее от параметров схемы коррелятора и постоянное в рассматриваемом случае. Отметим, что практически при формировании сигналов в акустооптическом корреляторе роль б-имнульса нграет короткий радиоимпульс с прямоугольной огибающей на частоте (. Из выражения (2) следует, что при заданной константе х несущего транспаранта четыре пространственных параметра кодирующей вырезки полностью определяют параметры выходпого радиоимпульса: Хо и / о-леделяют время появления импульса и его длительность, f/o - начальную фазу импульса без учета возможной инверсии фазы за счет соsinJA , амплитуду иммножителя; I пульса и возможную инверсию фазы. Это означает, что путем пространственной коммутации и модуляции размеров последовательности прямоугольных кодирующих вырезок выходной радиоимпульс может быть синтезирован в виде произвольного дискретного многофазного кода. На фиг. 3 представлен вид кодирующего транспаранта, соответствующего такому случаю. Если параметры h и г/о соответствующих кодирующих вырезок изменяются не скачкообразно вдоль оси X, а являются непрерывными функциями данной координаты, то полученный результат обобщается на случай сигналов с непрерывной амплитудной н фазовой модуляцией, т. е. кодирующий транспарант, структура которого изображена на фиг. 4, в наре с прежним несущим (см. Лиг. 1) позволяет формировать и обрабатывать в акусто-оптнческом корреляторе сложные сигналы с произвольным характером амплитудной и угловой модуляции. Однако с точки зрения функциональнь1Х возможностей описанный опорный транспарант не но.лностью эквива.лентен прототипу, ибо фазовый размах при угловой модуляции в сложном сигнале нри такой структуре опорного транспаранта ограничен сверху внутренними шумами коррелятора. Действительно, ПРИ увеличении упомянутого фазового размаха (размеры световой апертуры 2L и 2Я считаются постоянными) необходимо увеличивать величину , ибо плавное изменение начальной фазы сигнала определяется сомножителем exp (t|yo) в выражении (2), что приводит к уменьшению максимальной амплитуды комплексной огибающей формируемого сигнаsinSAла, определяемой сомножителем в

том же выражении. Это связано с потерями света в акзсто-оптическом корреляторе. Возможный вид кодирующего транспаранта в этом случае изображен на фиг. 5.

Пусть для определенности фазовый набег несущего траспаранта на высоте световой апертзфы 2|Я равен 6я. Однако и эта трудность является в данном случае устранимой. Оказывается, для формирования сложных сигналов с большим фазовым размахом Афтах нет необходимости иметь набег фазы несущего транспаранта на высоте световой анертуры 2|Я, не меньшей, чем Афтах. Можно показать, что в соответствии с принципом, эквивалентным так -называемому зонированию в линзовых антеннах, для формирования рассматриваемых сигналов достаточно иметь несущий транспарант с фазовым набегом на высоте световой апертуры 2|Я, равным 2я. В этом случае потери по свету не являются существенными и ,не зависят от вида угловой модуляции в сигнале.

На фиг. 6 изображен кодирующий транспарант, с помощью которого можно записать закон угловой модуляции с Афтах 6п (сМ. фиГ.

5) при использовании несущего транспаранта, для которого .

Из условия, что фазовый набег несущего транспаранта на высоте световой апертуры должен равняться 2я, определяется угол наклона 9 щтрихов однородной (синусоидальной) дифракционной решетки к оси у:

у

в arctg

2/Я

где/ - несущая частота записываемого сигнала.

Таким образом, предлагаемый опорный транспарант действительно позволяет формировать и подвергать корреляционной обработке сложные сигналы произвольного вида.

Изобретение позволяет суш,ественно упростить технологию изготовления опорных транспарантов. Действительно, если в прототипе всякий раз для записи сложного сигнала требуется соответствующая ему неоднородная дифракционная рещетка, то в данном опорном транспаранте достаточно иметь набор однородных дифракционных решеток и кодирующих транспарантов, чтобы осуществить запись сколь угодно сложного сигнала на соответствующих несущих частотах. При этом структура кодирующего транспаранта не усложняется с точки зрения технологии его изготовления по сравнению с прототипом, попрежнему в ней отражены медленно изменяющиеся по сравнению с несущей законы модуляции сигнала, что определяет простоту изготовления таких транспарантов. Особенно наглядно проявляются преимущества предлагаемого опорного транспаранта при записи различных сложных сигналов, имеющих одну и ту же несущую частоту. В этом случае доста точно иметь единственную однородную дифракпионную решетку и путем смены различных кодирующих транспарантов можно осуществлять запись соответствующих сигналов, в то время как в прототипе необходимо для этой цели иметь определенное число самых различных неоднородных дифракционных реигеток.

Таким образом, применение предлагаемого опорного транспаранта позволяет устранить необходимость осуществления сложной технологической операции - изготовления высококачественных неоднородных дифракционных рещеток с крайне тяалыми периодами, что существенно упрощает технологию изготовления транспарантов.

Ф о р м 3 л а изобретения

Опорный транспарант для ак сто-оптических корреляторов, состоящий из совокупности несущего транспаранта, представляющего собой амплитудную дифракционную решетку, и кт,, являющегося непрозрачной маской с областями прозрачности, контуры которых определяются видом записываелтого сигнала, отличающийся тем, что. с целью упрощения технологии его изготовления, несущий транспарант выполнен в виде синусоидальной амплитудной дифракционной решетки, 1ПТПТ1ХИ которой образуют с вертикалью угол в, определяемый формулой:

0 arctg -,

у.

где X, I - постоянные коэффициенты, определяющие периодичность функции прозрачности вдоль каг.равления акустической волны и в перпендикулярном направлении, соответственно.