Акусто-оптический коррелятор с временным интегрированием Советский патент 1985 года по МПК G06G9/00 

Изобретение относится к области корреляционной обработки сигналов оптическими методами и может быть использобано в радиолокации для сжатия импульсных радиолокационных сигналов с большой базой. Известен акустооптический корре лятор (АОК), содержащий источник когерентного света, коллиматор, ультразвуковой модулятор света, опо ный транспарант, линзу, совершающую преобразование Фурье, фокальную диафрагму, вьрезающую первый порядок дифракционной картины,и фотопри емник мгновенного действия СОБольшинство известных АОК может быть эффективно использовано для сжатия сложных радиолокационных сиг налов, однако длительность последниз4, определяемая размером световой апертуры модулятора света вдоль направления распространения сигг нальной акустической волны, в этом случае существенно ограничена. При обработке широкополосных радиолокацирнных сигналов эт ограничения в основном связаны с не обходимостью использования в качест ве материала звзгкопровода модулятора различных монокристаллов , обладающих в области высоких частот относительно малым затуханием акустической волны.Уровень современной технологии вьфащивания монокристаллов дает возможность получить образцы таких размеров, которые соответствуют длительности обрабатываемых радиосигналов, не превышающей 10-15 МКС, что в ряде случаев является недостаточным. Известно устройство квадратурной корреляционной обработки, построенное на основе простейшего коррелято ра и позволяющее получить на своем выходе сигнал, пропорциональньй модулю комплексной огибающей ВКФ, т.е. его амплитудной огибакяцей 23. Известен АОК с временным интегрированием, содержащий, последовател но размещенные на общей оптической оси источник когерентного света, коллиматор, сигнальный ультразвуковой модулятор света, электрический вход которого является входом корре лятора, первую цилиндрическую линзу фокальную диафрагму, вторую цилиндр1|ческ5то линзу, третью и четвертую цил1;(ндрические линзы и фотоприемник 5J в виде двух линейных матриц приборов с зарядовой связью. Цель изобретения - расширение полосы частот сложных радиосигналов с угловой модуляцией, обрабатываемых в корреляторах с временным интегрированием. Это достигается тем, что в известный АОК с временным интегрированием введены размещенные последовательно по ходу оптических лучей между коллиматором и сигнальным ультразвуковым модулятором света электрически управляемый транспарант (ЭУТ) и опорный ультразвуковой модулятор света, генератор гармонического сигнала, генератор напряжения фазовой модуляции и блок согласования, выход которого соединен с электрическим входом электрически управляемого транспаранта, вход блока согласования подключен к выходу генератора, напряжения фазовой модуляции, а выход генератора гармонического сигнала соединен с электрическим входом опорного ультразвукового модулятора света. При этом ЭУТ играет роль входной диафрагмы с двумя областями прозрачности, полученными смещением прямоугольного щелевидного окна, ориентированного в направлении распространения сигнальной акустической волны. Генератор гармонического сигнала имеет частоту исследуемого радиосигнала. Введение в схему известного коррелятора опорного ультразвукового модулятора света, а также пр1шенение в ней в качестве входной диафрагмы управляемого транспаранта позволяет -подавать на пьезопреобразователь сигнального ультразвукового модулятора света непосредственно входной радиосигнал, что дает возможность сзгщественно расширить полосу частот обрабатываемых радиосигналов и увеличить тем самым разрешающую способность коррелятора по дальности при решения радиолокационных задач. На-фиг. представлена функциональная схема предлагаемого АОК с временным инте грированием-, на иг.2 - относительное расположение ЭУТ, опорного и сигнального ультразвукового модулятора света в плосости, перпендикулярной оптической оси устройства на фиг.З - линейки

приборов с зарядовой связью (ПЗС) идве щшиндрические линзы, оптически связанные с областями прозрачности ЭУТ плоскостью, перпендикулярной направлению распространения акустической волны в сигнально ультразвуковом модуляторе света, в разрезе.

Описываемый АОК содержит установленные на одной оптической оси источник когерентного света 1,например оптический квантовый генератор непрерывного действия, коллиматор 2, оптически непрозрачный ЭУТ 3, размещенный в плоскости, перпендикулярной оптической оси z устройства, и имеющий две области прозрачности, форма и расположение которых указаны на фиг.2. В качестве ЭУТ могут быть, в частности, использованы управляемые жидкокристаллические или АО транспаранты, а также транспаранты на основе электрооптической керамики. ЭУТ 3 через блок согласования 4 расположения его областей прозрачности на оси у (см.фиг.2) подключен к генератору напряжения 5 фазовой модуляции обрабатываемого сложного радиосигнала. Кроме того, в состав АОК входят опорный ультразвуковой модулятор света 6, пьезообразователь 7 которого соединен с генератором гармонического сигнала 8 с частотой, равной несущей обрабатываемого радиосигнала, и сигнальный- ультразвуковой модулятор света 9, пьезопреобразователь 10 которого подключен непосредственно к источнику обрабатываемого радиосигнала 11. Взаимное расположение опорного и сигнального ультразвуковых модуляторов света в плоскости, перпендикулярной оптической оси, показано на фиг.2. За модулятором 9 на оптической оси устройства последовательно установлены цилиндрическая линза 12с фокусным расстоянием F,, совершающая прямое преобразование Фурье,фокальная диафрагма 13, вьгрезающая один первых порядков дифракйзнонной картины, цилиндрическая линза 14 с фо кусным расстоянием Fj , совершающа обратное преобразование Фурье, а также две цилиндрические-линзы 15 и 16 с фокусным расстоянием Fj , °п тически связанные с областями проз

ачности транспаранта,и две линейи фотодетекторов 17 и 18 на осное ПЗС, причем относительное расоложение в плоскости zo-j пояснятся на фиг.3.

АОК работает следующим образом

Входной радиосигнал 5, (tj , Д UI cos Q:f+/ (t 1 + вк поступает от источника сигнала 11 на пьезопреобразователь 10 и возбуждает в модуляторе 9 сигнальную акустическую волну, распространяющуюся вдоль оси X. На пьезопреобразователь 7 модулятора 6 от генератора синусоидального напряжения подается сигнал . имеющий вид Sj(-t|« (si(,tt)4gp). Возбужденная в ; модуляторе опорная гармоническая акустическая волна распространяется под некоторым углом к оси х (см. фиг.2). Можно для примера рассмотреть, что происходит в этом случае в одном из каналов обработки, соответствующем, например, нижней области прозрачности транспаранта (см.фиг.2). Пусть при зтом никакие сигналы от блока согласования 4 на транспарант не поступают. Коллимированный световой пучок-, соответствукмций выбранной области прозрачности, последовательно дифрагмирует на опорной и сигнальной акустических волнах, .затем подвергается преобразованию Фурье, осуществляемому цилиндрической линзой 12, и-пространственной фильтрации, состоящей в вьДеленни одного из пер-. вых порядков дифракционной картины с помощью диафрагмы 13. После этого цилиндрической шiнзoй 14 производит ся восстановление одного из .диафракт 1ЩОННЫХ порядков, который и засвечивает соответствующую линейку ПЗС 18, причем выбором F2 F, (см. фиг.1) осуществляется необходимое при этом масштабирование. Роль цилиндрической линзы 16 сводится к фокусировке диафрагированного пучка вдоль оси 3. На апертуре линейки ПЭС 18 (см.фиг.3) можно рассмотреть участок Лх; световой апертуры модулятора 9 вдоль оси Xj у проектирующийся на i.-й элемент линейки ПЗС, предположив при этом, что фазовая функция 4(tl сигнальной акустической волны на интервале времени, равном задержке ее распространения на участке dXi , может считаться постоянной и равной vf( ) где tj - время задержси распространения сигнальной акустической волны от пьезопреобразовата ля 10 до саредины j -того злеыекта световой апертуры модулятора 9 В этом случае нетрзгдно показатьjчто интенсивность днафрагироЕагпюго света ( подающегося на -й элемент линейки 1.(ЗС будет опре.целяться разностью фаз сигнз-поБз зозбудивгш к акустические волны и рписьгоаться следуюв1им выражети-ем:;l.)-nt-ч) где Зд и Л, ,. j постоянные вели. . чины,, .определяющи ся конструктивныi:-5j парам(-э.тра14и схемы АОК, ( разность началь ных фаз опорного к входног-о сигна. . JlOB л Подобное соот1-1оше - ие сьшо бы справедливо и при отсутствии отио ситешьного поворота, сиг-нального- и опорного ультразвзковьк модулягоРОБ- света (см фиг .-2), Г1р:н этом разность на чальiiniK фаз ДЧ имела бы treTKHii фи-гичсский смысл., закпю чаюпщйся в относнтельной расфазиров ке сигнальной к ояорнон а.куетиче;.укк вол1 5расп:ространяюшнхс1г я одно.: н-;; правлении В данном случае фазопкн фронг снгиалънок акустической золны параллелен сек s . а в опорной зол не он образует с этой ось:о yrojij поэтому отиосите.:;ьн.я ;::-аз лрои ка сигнальной н опорной акуст чески волн отличается при раз.пи-гггьк значе ниях координаты Б пределах области прозрачности ЭУ1, {)щ;.зкс реле ствие линейного изменанк: аачал ной фазы опорного акустического Kojveoaкия -вдоль координаты -j, об-условчеи ного поворотом модулятора 6 огносител1;Но оси ZI интегральный эффект будет определяться зна.чением фазЫ; . соответствующей средней вдоль сси у ЛИНИИ области прозрачности,, крордк ната которой «(, обозначена на фиг.2. т.е. ,де - -- параметр,, определяемьш углом яозорота модуяятора b , Пусть теперь газл;-всз действием сигналов с блока согласозания 4 координата v нижней области прозрачности ЭУТ изменяется во времени по Г1:екоторому закону Vo(lС учетом сказанного вьше можно Зт вер/кдать что в фазе опорного сигнала 5,,(-fc 1:. Д J, из (- один-.коього для всех элементов ли.fieiiKH ПЭС, понизится переменная составляющая 4gR.(ti Чц (ij. Если при этом перемещение области прозрачности происходит согласно закону фазовой .кодуллдии -обрабатьгоаемого .задиосигнала, т е. Ур (i) (i, то фаза опорной акустической волны f, (.tj , будучи неизменной вдоль ро.ей протяженности световой апертуры по оси : в ату однородности области прозрачности в этом направланни,, определится как Ч -ЧЧ-Ь). С.;гедовател15Е1О5 интенсивность светопого потока5 падающего на i-тьш эпемепт линейки ПЗС, приме-т вид 3,,cos m;-/(ti-.-df . Следует OTivaTHTb что именно глостоянство параметров опорного атс-усткческо.го колебания вдоль оси х при наяц--тк.и распространяющейся в этом направлении сигпалькой акустичзг. волны да.ет возможность реализовать многоканальную обработку. 5 схйме рассматриваемого АОК источ. cHr-Hajia управления областями прпзрачнос-ти ЭУТ служит генератор 5, модули:ру ощий -фазу радиосигнала функции ч(. Елок согласования 4 под аоздейстзиеь5 напряжения с выхода -аператора 5 формирует сигналы, у--.раш-гн;ощие расжхаожениек областей пусэрачности на оси i (.2). Tl результате накопления интенсив:;ости света по нстеченкя длнтель-ь.Зсти Т обраба1ываемого радиосигнала Б 1 -i-i элементе .линейки 113С ойразуется заряд Q/ описываемьй |;.теду1-гяшм выраже-яием: ,,((i-y. , riie я,,, и - постоянные коэф . фидяенты. ,(ля получения мнимой комплексной огибаюп ей АКФ входного радиосигнала в описываемом устройстве такж:2 служит квадратурвьш канап обработки, образованньй .второй областью прозрачности ЭУТ. Однако 5 если в прототипе для полу,7

чёняя квадратурньтх опорных колебаний требовалась соответствующая временная модуляция коллимированных световых пучков, то в описьшаемом устройстве Необходимый сдвиг фаз опорных сигналов, равньш (К 0,1,2...), достигается выбором соответствзпощей величины относительного смещения областей прозрачности управляемого транспаранта вдбль оси л линейного измен ения фазы опорного колебания.

Итак, описанный коррелятор с временным интегрированием позволяе как и прототип, произвести кадратурную корреляционную обработку входного радиолокационного сигнала с угловой модуляцией. Как и прототип, описанный коррелятор выгодно отличается от традиционных радиотехнических устройств аналогичного назначения простотой реализации многоканальной обработки, что связано с использованием перспективны фотодетекторов. В описанном корреляторе наибольшая длительность обрабатьгоаемых радиосигналов ограничена только характеристиками линейки ПЗС, что характерно и для прототипа. Однако по частотным свойствам предлагаемое устройство существенно превосходит прототип, поскольку сигнальный модулятор света возбуждения непосредствен8

но обрабатываемым сигналом, т.е. эффективность модулятора в смысле рабочих частот и полос используется в полной мере, а не частично, что имеет место в прототипе, когда входной сигнал подается на модулятор света в качестве амплитудной модуляции дополнительной несущей частоты. Расширение полосы частот обрабатываемых радиосигналов ведет, как известно,.к улучшению такой важной характеристики корр.еляТора, как его разрешение по длительности. По частотным свойствам описанный коррелятор эквивалентен известным с пространственным интегрированием. Однако в спcfJBaeMOM корреляторе невозможно обрабатывать радиосигналы с амплитудной модуля1щей, что может быть реализовано в прототипе. Однако известно, что специфика работы радиопередающих устройств приводит к тому, что основное распространение, в частности в радиолокации, нашли слоные радиосигналы с угловой модуляцией, имеющие прямоугольную огибаюогую

Таким образом, коррелятор объединяет в себе основные достоинства известных устройств корреляционной обработки сигналов с временным и пространственным интегрированием, что делает его перспективным при-ре шении радиолокационных задач.

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛЯ- , ТОР С ВРЕМЕННЫМ ИНТЕГРИРОВАНИЕМ, содержащий последовательно размещенные на общей оптической оси источник* когерентного света, коллиматор, сигнальный ультразвуковой модулятор света, электрический вход которого является входом коррелятора, первую цилиндрическую линзу, фокальную диафрагму, вторую цилиндрическую линзу, третью и четвертую цилиндрические линзы и фотоприемник в виде двух линейных матриц приборов с зарядовой связью, отличающийся тем, что, с целью рас- пшрения полосы частот исследуемых сложных сигналов с угловой модуляцией, в коррелятор введены размещенные последовательно по ходу оптических лучей между коллиматором и сигнальньм ультразвуковым модулятором св.ета электрически управляемый транспарант и опорный ультразвуковой модулятор света, генератор гармонического сигнала, генератор напряжения фазовой модуляции и блок согласования, выход которого соединен с электрическим входом электрически 'управляемого транспаранта, вход блока согласования подключен к выходу генератора напряжения фазовой модуляции, выход генератора гармонического сигнала соединен с эле^;трическимвходом опорного ультразвукового модулятора света.\о(/>&00осо^

г5 тА/а.;

-гН

Ю

18