Акустооптический спектроанализатор с интегрированием во времени
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.
(st)s G 06 Е 3/00
БРЕТ Е Н ИЯ
СТВУ
СО (л)
4 ! ()
Ю
)M (22) 06.04.90 (46) 30.08.93, Бюл. М 32 (71) Ленинградский политехничсский инсгиут им.М,И.Калинина
72) В.Ю.Петрунькин, Н.А.Бухарин, tvi.Ã.Áûсоцкий и В.П.Каасик
56) Авторское свидетельство ССС Р
N. 1569739, кл. G 01 R 23/1.7, 1989.
54) АКУСТООПТИЧ Е СКИ Й СП Е КТР ОА Н ЛИЗА С„ 1 НТЕ ГРИ РО ВАНИ ЕМ ВO
РЕМЕНИп, ...,„„„,, И зобретение относится к области опти4еской обработки информации и мо>кет найи применение в радиотехнических змерениях, в радиолокации для формироания функции неопределенности радио сигналов в реальном масштабе врел|ени.
Целью изобретения является расширеие функциональных возможностей за счет ормирования функции неопределенности.
На чертеже представлена структурная хема устройства.
Устройство содержит источник ко ерен/ ного света 1, коллиматор 2, первый акусто1 птический модулятор 3, оптический рансформатор иэображений 4, второй акутооптический модулятор 5, первый проекионный обьектив 6, диафрагму 7, второй роекционный обьектив 8, оптический ранспарант 9, матричный фотоприемник а приборах с зарядовой связью 10, Устройство работает следующим aGpaом, На электрический вход первого акустоптического. модулятора поступает адиосигнал (57) Изобретение относится к области оптической обрабогки информации L1 может найти применение в радиотехни «еских измерениях. Спектроанализа1ор содержит источник когерентного света, коллиматор, акустооптические модуляторы, проекционные обьективы, диафрагму, оптический транспарант, матричный фотоприемник на приборах с зарядовой связью, оптический трансформатоо изображения, состоящий из.двух софокусных сферических обьективов.
1 ил, Ui(p1,t)=01(t)8Xpji p1(t))jBXp(l2 7jfg _#_1t), (1) где Ь1(х), ",1.
Коэффициент пропускания первого
AOM при наличии в нем сигнала равен величине
1, > х, 1,, tg(x,t)=1+i()К Ut(j „ t ) (— jKt Uq
xP>, t — — ), (2) где х — координата вдоль направления распространения ультразвука, V — скорость распространения ультразвука, К вЂ” коэффициент пропорциональности.
Модулятор освегца этся пучком когерентного света с плоским фазовым фронтом, параллельным плоское;:и мода вторя, и равномерным распределе. ием интенсивности, который излучается лазером (1) и расширя1837332 ется коллиматором (2), световое поле за первым AOM равно
E <=Ept>(x, t), (3) где Ео — амплитуда падающего света.
Изображение первого AOM проецируется на второй AOM (5) с изменением масштаба, которое осуществл е ся с помощью оптического трансформатора (4). Поле, освещающее второй модулятор, раано величине в
Е1 Рг Ео(1 + — lK101(Р11
2 хй)+1 1К 0„*(рл +)} (4)
V 2 Ч где,Вг — величина, обратная коэффициенту увеличения оптического трансформатора.
Да второй АОМ посыпав сигнал
Uz=bz(t)exp(i ñðä(t))ехр(32лvz t), (5) где обозначения аналогичны использованным в формуле (1).
Коэффициент пропускания второго модулятора равен величине
1 х 1 тг(х t)=1 + — lK2 02 (t+ — — T)+ — IKgUg*
2 V 2
x(t+ — -Т), V (6) где Т вЂ” время распространения ультразвука в модуляторе, Кг — 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 ° х@
ld(x,t) /KtUI(pt t ô- )+K2Ug(t+ х г г
+ — -Т)/ "К1 /0 / +Кг /Ог/ + 2Re х
V (KtKz(Ut *(ф t — V ) . 0Ф+ —" -T)}.
Ч (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.
А и 1 %Ягу
5 (8) где А — длина световой волны, Лг — длина ультразвуковой волны во
2-ом АОМ, А1- эффективная длина ультразвуко10 вой волны в 1 АОМ с учетом изменения масштаба.
Сложение двух световых волн под углом приводит к модуляции интерференционной картины с пространственной частотой рав15 ной величине
F p = фЛ. (9)
С учетом формул (8), (9). а также выражений для радиосигналов (1) и (5), третий член
20 суммы (7) можно записать в виде
А - Re(01*(8> t — )Ог(т+ — -Т).
e x p (- l 2 x (p< v> — а) ) е х р (l — (Pt /Ь vt + vz))x), (10)
В качестве фотоприемника служит ПЗСматрица, работающая в режиме сдвига и суммирования, причем направление перемещения зарядов вдоль столбцов матрицы
30 параллельно направлению распространения ультразвука в модуляторах. Переходя в формуле (10) к движущейся системе координат
xt-x -ut.
35 где о — скорость перемещения зарядов вдоль столбцов ПЗС-матрицы, получим следующее выражение для интенсивности интерференционной картины
A Re(0t* ((P> — j4) t — ) Lk ((1 + — ) х t — — T) exp (i 2 ë (ô v> — vz) t — — х
x(Pt@vt+W)t)) exp(l х
2л
45x (pt -vt + ) xt) } (11)
1+ ulV
Полагая P> = jb =P =
1 — U Ч ,ивыполняя алгебраические преобразования, приводим выражение (11) к виду
А-Re(U *((1+g f4)t Чх") й((1+Ч)
x t — - Т) exp (- i 2 x j (P v> - <) t — — х
xt U
V V
x (jP vt + n) t) ) exp (l x х (P vt + т ) х >) } (12)
При U<=Uz=Up, v< =1, т +Лт с точностью до членов второго порядка малости можно записать но в устройстве-прототипе. Общее выражение для коэффициента пропускзния оптического транспаранта аналогично выражению для коэффициента пропускания транспа5 ранта устройства-прототипа:
N и= — — 1
1 4 К=о Лы и
Й= -{1+,,>, cos (— — — x-1Π— (K — — K + — R)g ) x з 9 2 11 л
2 2 у-2"N(2K 1+8n)
} М 7 }} где Ла) — полоса анализируемых частот, N — число элементов в строке матрицы, ym — размер строки матрицы, у — координата вдоль строки матрицы.
Функция Р(у) определяется выражением
1,!у(< 1;
P(v) =
О, lyl > 1.
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 канале четыре составляющих, соответствующих четырем значениям фазы выходных сигналов фотоприемника
«л Зл (®, ф =л,ф = —,ф = ), которые можно вычислить по формуле с+т
Ф (х, у, t,ф) f G А dt (17)
1 где значения А и G определяются выражениями (13) и (16) соответственно.
Выполняя далее вычисления, например, с помощью О у,т)= % ) + (W — Ф4) (18) можно найти квадрат модуля функции неопределенности сигнала для разных значений временных задержек и сдвигов час5О тот.
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 времен5 1837332
А- Rå{èî*@i+Î), ПР1
Ч ч х IJp((1+ — ) t + — -Т)х
lJ x1 х ехр (— 2ptb,v t) exp (i 2vxI)j, (13) .2л При h v =О, производя интегрирование по времени в пределах, равных времени пере.— мещения зарядов вдоль столбцов матрицы. получим световое распределение, соответствующее автокорреляционной функции сигнала Up(t). Это распределение, промодулирован ное пространственной частотой
F- —, есть частный случай функции неоп2Р ределенности — для нулевого допплеровскоI ro сдвига. Формирование функции неопределенности в общем случае (для
Л ФО) требует использования оптического транспаранта, В качестве такого транспаранта может служить решетка со штрихами, перпендикулярными столбцам матрицы, коэффициент пропускания которой по интенсивности равен
6 - -(.1+сову х).
2 (14)
В движущейся системе координат наличие транспаранта приводит к модуляции интенсивности света с частотой м= syU.
Требуемую величину пространственной частоты транспаранта получим приравнивая частоту этой модуляции величине допплеровского сдвига fI4 = Ьv, отсюда
«hv (15)
Для формирования функции неопределенности при разных значениях Ьм 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.
8 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 огсчетов. 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 сдела1837332
Составитель В. Высоцкий
Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С. Патрушева
Редактор С. Кулакова
Заказ 2868 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, К-35, Раушская наб„4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент". r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ным 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 AOM не должна превышать полосу частотного анализа устройства. Анализируемый сигнал поступает непосредственно на пьезопреобразователь АОМ, а не модулирует по амплитуде Л IM-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 акустооптический модулятор, первый проекционный объектив, диафрагму, второй проекционный объектив. оптический транс5 парант и матричный фотоприемник на приборах с зарядовой связью, причем диафрагма размещена в общей фокальной плоскости проекционных объективов, отличающийся тем, что, с целью
10 расширения функциональных возможностей за счет формирования функции неопределенности, в него введены размещенные за первым акустооптическим модулятором оптический трансформатор изображений, 15 состоящий из двух софокусных сферических обьективов, последовательно расположенных на оптической оси, и второй акустооптический модулятор, причем оптический транспарат размещен непосредственно пе20 ред матричным фотоприемником, электрический вход первого акустооптического модулятора является входом задания временных параметров спектроанализатора.
