Адаптивная оптическая система с многоканальной фазовой модуляцией

 

Изобретение относится к физической оптике, квантовой электронике и лазерной локации и может быть использовано в дистанционных оптических информационных и измерительных системах. Целью изобретения является увеличение плотности интенсивности сигнала на объекте за счет устранения влияния фазовой задержки, обусловленной распространением излучения до объекта и обратно. Для этого адаптивная оптическая система, содержащая N когерентных излучателей 1.1 - 1.N

N фазовых модуляторов 2.1 - 2.N, оптический приемник 3 и N адаптивных контуров 4.1 - 4.N, каждый из которых состоит из двух полосовых фильтров, двух синхронных детекторов, двух фильтров нижних частот, двух квадраторов, двух сумматоров, блока извлечения квадратного корня, делителя, усилителя 18, модулирующего генератора и умножителя 27 частоты на два каждый из N адаптивных контуров дополнительно содержит два квадратора, два фазовращателя на φ/2, а также две ветви, каждая из которых состоит из последовательно соединенных синхронного детектора, фильтра нижних частот, квадратора, сумматора и блока извлечения квадратного корня. Введенные блоки образуют в каждом из N адаптивных контуров два дополнительных канала: один канал для управляющего сигнала первой гармоники модулирующего напряжения, другой - для сигнала второй гармоники. В этих каналах осуществляется квадратурная обработка соответствующих управляющих сигналов, которая позволяет устранить влияние случайного фазового сдвига, обусловленного запаздыванием сигнала при его распространении до объекта и обратно. При этом уменьшается расфазировка каналов, и следовательно, увеличивается плотность интенсивности излучения на объекте. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) Ш) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

M АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫ7ИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4390046/ 24-1 0 (22) 11.03.88 (46) 07,06.90, Вюл, и 21 (72) В.10.Драйко (53) 522.2+522.9+536.8(088 .8) (56) Адаптивная оптика./ Под ред.

Э.А. Витриченко. — М.: Мир, 1980, с. 140 — 168.

Авторское свидетельство СССР

М 1269636, кл. G 01 С 3/08; 1985. (51)5 G 02 B 27/00 G 01 С 3/08

2 (54) АДАПТИВНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ CHCTENA

С МНОГОКАНАЛЬНОЙ ФАЗОВОЙ .МОДУЛЯЦИЕЙ (57) Изобретение относится к физической оптике, квантовой электронике и . лазерной локации и может быть использовано в дистанционных оптических информационных и измерительных системах. Целью изобретения является увеличение плотности интенсивности . сигнала на объекте за счет устране1569785

f0

20 ния влияния фазовой задержки, обусловленной распространением излучения до объекта и обратно. Для этого адап тивная оптическая система, содержащая N когерентных излучателей 1.1

1.N; N фазовых модуляторов 2.1

2.N оптический приемник 3 и И адаптивных контуров 4.1 — 4.N, каждый из которых состбит из двух полосовых филътров, двух синхронных детекторов, двух фильтров нижних частот, двух квадраторов, двух сумматоров, бяска извлечения квадратного корня, делителя, усилителя, мадулирующего генератора и умножителя частоты на два, в каждом иэ N адаптивных контуров дополнительно содержится два квадратора, два фазовращателя на Ф, а так2 же две ветки, каждая иэ которых состоит из последовательно соединенных

Изобретение относится к физической оптике, квантовой электронике и лазерной локации и может быть использовано в дистанционных оптических ин- 30 формационных и измерительных системах.

Целью изобретения является увеличение плотности интенсивности излучения на объекте за счет устранения влияния фазовой задержки, обусловлен. ной распространением излучения до объекта и обратно.

На фиг. 1 представлена блок-схема адаптивной оптической системы 40 с многоканальной фазовой модуляцией; на фиг. 2 — блок-схема т-го адаптив— ного контура.

Адаптивная оптическая система содержит когерентные излучатели 1,1

1Л, фазовые модуляторы 2.1 — 2,N, оптический приемник 3 и адаптивные контуры 4.1 — 4.N.

Блок-схема m-ro (m=1,2,...,И) адаптивного контура 4.m (фиг. 2), 0 модулирующий генератор 5.m, сумматор 6.m полосовые фильтры 7m и 8m синхронный детектор 9m фильтр 10m нижних частот, квадратор llm синхронный детектор 1 2m, фильтр 13m ниж 55 них частот, квадратор 14ш, сумматор

15m блок 16m извлечения корня, фаII зовращатель 17m на —, усилитель 18m, синхронного детектора, фильтра нижних частот, квадратора, сумматора и блока извлечения квадратного корня. Введенные блоки образуют в каждом из N адаптивных контуров два дополнительных канала: один канал для управляющего сигнала первой I.армоники модулирующего напряжения, другой — для сигнала второй гармоники. В этих каналах осуществляется квадратурная обработка соответствующих. управляющих сигналов, которая позволяет устранить влияние случайного фазового сдвига, обусловленного запаздыванием сигнала при его распространении до объекта и обратно. При этом уменьшается расфазировка каналов, а следовательно, увеличивается плотность интенсивности излучения на объекте. 2 ил. синхронный детектор E 9m, фильтр 20m нижних частот, квадратор 21m, синхронный детектор 22m, фильтр 23m нижних частот, квадратор 24m, сумматор 25m, блок 26m извлечения квадратного корня, умножитель 27m часто-, ты на два, фазовращатель 28m на

I квадраторы 29m и 30m сумматор

31m блок 32m извлечения квадратного корня.и делитель 33m.

Выходы когерентных излучателей

1.1 — 1.N, образующих решетку из И элементов, соединены с оптическими входами с оотв етс твующих фаз овых модуляторов 2.1 — 2.N. Для регистрации отраженного от объекта оптического сигнала служит оптический приемник 3, выход которого подключен к входам N адаптивных контуров 4.1 — 4.N а выходы последних соединены с электрическими входами соответствующих фазовых модуляторов 2.1 — 2,N, В каждом m-м (1,2,...,N) адаптивном контуре 4.ш имеется модулирующий генератор 9m предназначенный для ввода в канал излучения когерентного излучателя l .m фазовой модуляции с амплитудой Л/15 — P/14 на частоте у . Для этого выход модулируюIh щего генератора 5, m через сумматор б,m соединен с электрическим входом соответствующего фазового модулятора

1569785

f/ L

U ) Ащsiп(p p„, )sin(d t +

А cos(pр-Ja )cos 2со t

= A„sin(pz-ð ) sine t + А cos(p -p )соз2ы, 2.ш. Выход оптического приемника 3 подключен в каждом m-м адаптивном контуре 4.m к входам полосовых фильтров 7.m и 8.m, настроенных на модулирующие частоты,г и ? ю соот д tB ветственно. К выходу полосового фильтра 7.m подключены две параллельные ветви, каждая из которых состоит из последовательно соединенных синхронного детектора, фильтра нижних частот и квадратора (элементы

9.m, 10.m, 11.m и 12.m, 13.m, 14.m соответственно) . Выходы квадраторов

11.m и 14,m соединены с входами сумматора 15.m, выход которого подключен к входу блока 16.m извлечения квадратного корня. Второй вход синхронного детектора 9.m соединен с выходом модулирующего генератора

5.m а второй вход синхронного детектора 12.m соединен с выходом умножителя 17.m частоты на два, вход которого подключен к выходу модулирующег о генератора 5,m .

Выход полосового фильтра 8.m соединен с входом усилителя 18.m к выходу которого подключены две параллельные ветви, каждая иэ которых состоит из синхронного детектора, фильтра нижних частот, квадратора (элементы 19.m, 20.m, 21,m и 22,m, 23.m, 24,m соответственно), Выходы квадраторов 21.m и 24.m соединены с входами сумматора 25.m выход которого подключен к входу блока 26.m извлечения квадратного корня. Второй вход синхронного детектора 19.m через умножитель 27.m частоты на два соединен с выходом модулирующего генератора 5.m, а второй вход синхронного детектора 22.m подключен к выходу модулирующего генератора 5.m через умножитель частоты на два 27.m

II и фазовращатель на — 28.m °

+ 4Iо(Мо), 2 . A +

tgm

+ 4 о ()1g(4 ) (с Аg + 11@) (=

С4щ

В известном устройстве в каналах первой д и второй 2м- гармоник моtn Р1 дулирующего напряжения используются синхронные детекторы с к осинусоидальными и синусоидальными амплитуднофазовыми характеристиками. Однако в этом случае трудно обеспечить идентичность амплитудно-фазовых характеристик каналов. Для устранения этого недостатка, а также с целью упрощения настройки и подготовки системы к работе в предлагаемом устройстве используются идентичные синхронные детекторы с косинусоидальными амплитудно-фазовыми характеристиками, что требует введения в каждый m — и контур и фазовращателя — 28.m.

20 Выходы блоков 1б.ш и 26.m извлечения квадратного корня через соот-. ветствующие квадраторы 29.m и 30.m соединены с чходами сумматора 31.m, выход которого подключен к входу

25 блока 32.m извлечения квадратного корня. Выход блока 32,m извлечения квадратного корня соединен с входом делителя 33.m второй вход которого подключен к выходу блока 1б.m извле30 чения квадратного корня, а выход делителя 33.ш соединен с вторым входом сумматора б.m.

Устройство работает следующим

35 образом.

В основе работы лежит принцип попарной обработки регистрируемых отраженных сигналов в каждом m-м адаптивном контуре на кратных частотах

40 (д и 2 . В соответствии с выражением, описывающим интенсивность отраженного от объекта сигнала на частотах, кратных одной из частот биений ) при многоканальной фазовой модуля45 ции излучения подсвета, где у — глубина фазовой модуляции в m-м адаптивном контуре;

T...(у ) —.функции Бесселя i-го поь рядка;

А,„— интенсивность излучаемог.о сигнала в m-и контуре;

А — интенсивность сигнала, излучаемого в 1-м контуре;

1569785

1О

25

35

Б, А, sin(p -p )sin(ho<(t — Ц; (2)

Б„„А cos(p — р )cos 32

U — параметр сходимости адапth тивного процесса.

С учетом времени распространения излучения до объекта и обратно аргу. мент t, заменяется íà t - p где

2R

7 = вЂ, R — расстояние до объекта; с с — скорость света.

Попарная обработка принимаемых сигналов основана на отсутствии не" абходимости измерять случайные амплитуды сигналов A и предполагает их нормировку в виде отношения

Величина отношения является детерминированной величиной и зависит лишь от глубины модуляции 4 .

При наличии фазовой задержки />= и„„ указанное отношение дополНительно зависит от расстояния до объекта R: что не учитывается в известном устройстве, но может привести к расфазировке каналов, а, в конечном счете, к уменьшению плотности интенсивности излучения на объекте, если адаптивная система работает в режиме "восхождения на холм

И

В каналы излучения соответствующих когерентных излучателей 1.1

Сигнал Б вида (2) поступает на

"З1 синхронный детектор 9.m на второй вход которого с выхода модулирующего генератора 5.m цоступает опорное напряжение вида U ° sin ю„,1. В результате после обреботки сигнала

Б в синхронном детекторе 9.m u фиЛьтре 10.m нижних частот на выходе последнего выделяется управляющий сигнал Б

Фазовый сдвиг у обусловлен задержкой сигнала при его распростра> ненни до объекта и обратно. Сигнал

Б вида (2) также поступает на син-, tll 1 хромовый детектор 12.m, на второй вход которого с выхода модулирующего генератора 5.m через фазовращатель

1.N при помощи соответствующих фазовых модуляторов 2.1 — 2.N вводится фазовая модуляция с амплитудой

3/15 — 71/14 на частотах ы, — ы„, Эта модуляция в каждом m-и адаптивном контуре 4.m (m=1,2,...,N) формируется модулирующим генератором

5,m с выхода которого сигнал подается на фазовый модулятор 2,m через сумматор 6.m. Модулированный сигнал от каждого излучателя интерферирует с сигналами всех остальных излучателей и создает на объекте пространственную интерференционную картину.

Отраженный от объекта оптический сигнал, промодулированный по амплитуде на частотах ы, — ы„, регистрируется оптическим приемником 3 и посту. пает на входы N адаптивных контуров

4.1 — 4.N. Система íà m-м (ш = 1, 2,...,N) адаптивном контуре 4,m работает следующим образом (остальные адаптивные контуры работают аналогично).

Модуляционную составляющую интенсивности сигнала в m-м адаптивном контуре с учетом задержки сигнала на величину можно представить в виде (1 ) ° Этот сигнал фильтруется полосовыми фильтрами 7.m и 8.т, на выходах которых формируются сигналы .

S, и S в соответствии с формулами (2) и (3): на — 17,m поступает опорный сигнал

f(? вида Uo cos t. К результате пос45 ле обработки сигнала D в синхронill 1 ном детекторе 12.m и фильтре 13„m нижних частот на выходе последнего выделяется управляющий сигнал

50 . Б„ А 1„ в п (р р ) здп ср . (4) с

Б,, А „ ° sin (p Ртс) cos g . (5)

Сигналы Б вида (5) и Б, вида (4) проходят через соответствующие квадраторы 11 m и 14,m и через сум55 матор 15.m поступают на вход блока

16.m извлечения квадратного корня, на выходе которого выделяется управляющий сигнал

9 1569785 l0

= 1/(А . sin()s -А )sin q ) Ф А . sin()s -s )nnsq (6) Как видно иэ формулы (6), сигнал Б, не зависит от фазового сдвига (, обусловленного задержкой сигнала при его распространении до объекта и обратно.

С выхода полосового фильтра 8 m сигнал Б ), вида (3) проходит через усилитель 18.m где он усиливаетА.1

10 ся в — — раз. С выхода усилителя

А

1 8.m сигнал в ида

Б А„- соз(р -р„„) Б А „; cos ((3 — р ) sin 2(р . (8) Сигнал Б „, также поступает на

П А синхронный детектор 22.m на второй вход которого с выхода модулирующего генератора 9.m через умножитель

S, S + (Б ) = А, Ä cos(Ä вЂ” „, ). (10)

Из формулы (10) видно, что сиг- З5, не зависящий от амплитудных флуктунал Б < также не зависит от фазово- аций А, и от фазового сдвига (р

1 (ъ1

ro сдвига у обусловленного эадерж Этот сигнал через сумматор б,m покой сигнала при его распространении ступает на электрический вход фаэо" до объекта и обратно. вого модулятора 2.m осуществляя

Сиг алы S g. и Б g проходят через коррекцию фазовой ошибки в m-м адап-, н

40 соответствующйе квадраторы 29.m u тив ном контуре 4.m.

30.m и через сумматор 3l.m поступают на вход блока 32.m извлечения квадратного корня, на выходе котороФормулаизобретения

ro формируется управляющий сигнал 45

Б и

Э (12) 1 поступает на вход синхронного детектора 9.m, на второй вход которого с выхода модулирующего генератора

5.m через умножитель 27.m частоты на два поступает опорный сигнал вида 1 sin 2 ь.) t ° В результате после обработки сигнала S в синхронном детекторе 19.m и фильтре 20.m

11) 2 нижних частот на выходе последнего выделяется управляющий сигнал вида

С выхода блока 32.m извлечения квадратного корня сигнал S постуЪ пает на вход делителя 33.m на второй вход которого поступает сигнал

Б вида (6) с выхода блока 16,т из1 влечения квадратного корня. В результате на выходе делителя 33.m вырабатывается управляющий сигнал сов(2ю (С вЂ” g )) (7)

?7.m частоты на два и фазовращатель на (6

28.m поступает опорный сигнал вида

У cos 2у t. В результате после обЯ) работки сигнала S „, в синхронном

2 детекторе 22.m и фильтре 23.m нижних частот на выходе последнего выделяется управляющий сигнал S вида

25 iS. А2,„cos (p — р„,.) cos 2 у. (9)

Сигналы Б< и Б проходят через соответствующие квадраторы 21,m и

24.m и через сумматор 25.m поступа30 )ют на вход блока 26.ш извлечения квадратного корня, на выходе которо го вьщеляется управляющий сигнал

Адаптивная оптическая система с . многоканальной Фазовой модуляцией, содержащая N когерентнык излучателей, N фазовых модуляторов, оптичесgp кие входы которых связаны с выходами соответствующих когерентных излучателей, а также оптический приемник, выход которого подключен к входам N адаптивных контуров, выходы котоРых соединены с электрическими входами соответствующих фазовых модуляторов, причем каждый из N адаптивных контуров состоит из двух полосовых фильтров, двух синхронных

l5697d детекторов, двух фильтров нижних частот, двух квадраторов, двух сумматоров, блока извлечения квадратного корня делителя, усилителя, модуФ В

5 лирующего генератора и умножителя частоты на два, причем первые полосовой фильтр, синхронный детектор и фильтр нижних частот соединены последовательно, второй полосовой фильтр, усилитель, второй синхронный детектор и второй фильтр нижних частот также соединены последовательно, выходы квадраторов подключены к входам первого сумматора, выход которого соединен с входом блока извлечения квадратного корня, выход которого подключен к входу делителя, с вторым входом второго синхронного

35 детектора и с вторым входом синхронного детектора второй ветви. выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход последнего подключен к электрическому входу соответствующего фазового модулятора, входы первого и второго полосовых фильтров соединены с выходом оптического приемника, а второй вход первого синхронного детектора, второй вход второго сумматора и вход умножителя частоты на два подключены к выходу модулирующего генератора, отличающаяся тем, что, с целью увеличения плотности интенсивности излучения на объекте, в каждый из N адаптивных контуров введены два квадратора, два фаэовраща-! ( теля на —, а также две ветви, каждая из которых состоит из последовательl2 но соединенных синхронного детектора, фильтра нижних частот, квадратора, сумматора и блока извлечения квадратного корня, причем вход синхронного детектора первой ветви соединен с выходом первого полосового фильтра, вход синхронного детектора второй ветви соединен с выходом усилителя, выход первого фильтра нижних частот соединен с входом введенного: квадратора, выход которого подключен к второму входу сумматора первой ветви, выход второго фильтра нижних частот соединен с входом второго введенного квадратора, выход которого подключен к второму входу сумматора второй ветви, выход блока из,влечения квадратного корня первой ветви подключен к входу первого квадратора и второму входу делителя, выход блока извлечения квадратного корня второй ветви соединен с входом второго квадратора, выход модулирующего генератора соединен с входом первого фазовращателя на — выход коf

l. торого подключен к второму входу синхронного детектора первой ветви, выход умножителя частоты на два подключен к входу второго фазовращатеCl ля на —, а выход последнего соединен

I 569785

Составитель А. Вольнов

Техред М.Дидык Корректор С. Шевкун

Редактор И. Дербак

Заказ 1448

Тираж 464

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101