Устройство обработки сигналов в акустооптическом корреляторе с временным интегрированием

Изобретение относится к области оптической обработки сигналов и может быть использовано для передачи многоканальных и одноканальных сообщений по оптическим линиям связи. Устройство содержит последовательно размещенные на одной оптической оси источник оптического когерентного излучения, коллиматор, ультразвуковой модулятор света, первую интегрирующую линзу, экран, вторую интегрирующую линзу и линейку из n фотоприемников, n вычитателей, n пороговых блоков, сумматор с весовым коэффициентом, генератор опорного сигнала, линия задержки и генератор напряжения. Обеспечено снижение времени определения номера фотоприемника с максимальным эффектом. 2 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к области оптической обработки сигналов и может быть использовано для передачи многоканальных и одноканальных сообщений по оптическим линиям связи.

Известно устройство акустооптического коррелятора радиосигналов по а.с. 987641, содержащее источник коллимированного света и два канала, каждый из которых состоит из последовательно расположенных на одной оптической оси ультразвукового модулятора света с двумя пьезопреобразователями, линзы прямого преобразования Фурье, линзы обратного преобразования Фурье и фотоприемника.

Известно также устройство акустооптического коррелятора по а.с. 117818, содержащее расположенные последовательно на одной оптической оси когерентного света коллиматор, первую цилиндрическую линзу, первый акустооптический модулятор, первую сферическую линзу, второй акустооптический модулятор, вторую сферическую линзу, вторую цилиндрическую линзу и двумерный фотоприемник.

Недостатком известных устройств является длительное время обработки выходных сигналов фотоприемников для определения приемника с максимальным сигналом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является некогерентный коррелятор с временным интегрированием, приведенный в книге В.Н.Парыгина, В.И.Балакшия “Оптическая обработка информации” на стр.132, рис.4.20, принятый за прототип.

Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:

1 - источник оптического некогерентного излучения;

2 - коллиматор;

3 - ультразвуковой модулятор света (УЗМС);

4, 6 - первая и вторая интегрирующие линзы;

5 - экран (пространственный фильтр, размещенный в плоскости преобразования Фурье);

7 - линейка фотоприемников (оптоэлектронный преобразователь).

Устройство-прототип содержит последовательно расположенные на одной оптической оси источник оптического некогерентного излучения 1, коллиматор 2, УЗМС 3, первую интегрирующую линзу 4, экран 5, вторую интегрирующую линзу 6 и линейку фотоприемников 7.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Свет, излучаемый источником 1, преобразуется в коллиматоре 2 в плоский опорный пучок, освещающий УЗМС 3. УЗМС 3, работающий в брегговском режиме дифракции, освещается коллимированным пучком света, интенсивность которого промодулирована по закону:

где а - постоянная, обеспечивающая смещение рабочей точки пространственного модулятора на линейный участок модуляционной кривой;

b - крутизна модуляционной характеристики;

S_оп - опорный сигнал.

В качестве источника света 1 обычно используется лазерный диод. В этом случае отпадает необходимость во внешнем временном модуляторе, сигнал S_оп(t) подается непосредственно на излучатель 1.

Возбуждающий УЗМС 3 сигнал имеет вид:

где U(t) и ϕ(t) - законы амплитудной и фазовой модуляции.

Тогда коэффициент прозрачности УЗМС 3 будет равен:

где - индекс фазовой модуляции;

L - толщина УЗМС;

λ - длина волны света;

Δn_м - максимальное изменение коэффициента преломления среды УЗМС при воздействии на него сигнала единичной мощности;

v - скорость распространения ультразвука в УЗМС;

х - координата вдоль УЗМС.

УЗМС 3 работает при малых индексах фазовой модуляции, т.е. Ψ<<1.

Тогда:

и распределение интенсивности дифрагированного света на УЗМС 3 в плоскости линейки фотоприемников:

Таким образом, в устройстве-прототипе модулируется не амплитуда, а интенсивность оптического излучения.

Распределение интенсивности дифрагированного света (5) проецируется в плоскость линейки фотоприемников 7.

При интегрировании во времени второе и третье слагаемые в правой части (5) усредняются и практически близки к нулю. Первый член описывает постоянную засветку, растущую пропорционально времени интегрирования, а последний является кросс-корреляцией сигналов S_оп(t) и

Недостатком устройства-прототипа является то, что требуется длительное время для определения номера фотоприемника с максимальным сигналом.

Для устранения указанного недостатка в устройство, содержащее последовательно размещенные на одной оптической оси источник оптического когерентного излучения, коллиматор, ультразвуковой модулятор света, первую интегрирующую линзу, экран, вторую интегрирующую линзу и линейку из n приемников, согласно изобретению введены n пороговых блоков, сумматор с весовым коэффициентом, а также генератор опорного сигнала, линия задержки и генератор напряжения. Причем выходы линейки из n фотоприемников соединены с первыми входами соответствующих n вычитателей, выходы которых соединены с входами соответствующих n пороговых блоков, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора с весовым коэффициентом, выход которого является выходом устройства. Кроме того, первый выход генератора опорного сигнала соединен с входом источника оптического когерентного излучения, второй выход генератора опорного сигнала соединен с управляющим входом линейки из n фотоприемников, а через линию задержки - с входом генератора напряжения, выход которого соединен со вторыми входами вычитателей.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - источник оптического когерентного излучения;

2 - коллиматор;

3 - ультразвуковой модулятор света (УЗМС);

4, 6 - первая и вторая интегрирующие линзы;

5 - экран (пространственный фильтр);

7 - линейка из n фотоприемников;

8.1-8.n - вычитатели;

9.1-9.n - пороговые блоки;

10 - сумматор с весовым коэффициентом;

11 - генератор опорного сигнала;

12 - генератор напряжения;

13 - линия задержки.

Предлагаемое устройство содержит последовательно расположенные на одной оптической оси источник оптического когерентного излучения 1, коллиматор 2, УЗМС 3, первую интегрирующую линзу 4, экран 5, вторую интегрирующую линзу 6, линейку из n фотоприемников 7, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих вычитателей 8.1-8.n, выходы которых соединены с входами соответствующих пороговых блоков 9.1-9.n, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора с весовым коэффициентом 10, выход которого является выходом устройства. Кроме того, первый выход генератора опорного сигнала 11 соединен с входом источника оптического когерентного излучения 1. Второй выход генератора опорного сигнала 11 соединен с управляющим входом линейки из n фотоприемников 7 и через линию задержки 13 - с входом генератора напряжения 12, выход которого соединен со вторыми входами вычитателей 8.1-8.n.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

На вход УЗМС 3 с размерами апертуры Д×H (длина × высота) поступает аддитивная смесь

где S(t) - анализируемый сигнал, длительность которого значительно превышает T_M=D/V - время распространения ультразвуковой волны в УЗМС 3.

УЗМС 3 освещается световой волной под углом θ_Б к нормали плоскости УЗМС 3. Интенсивность оптического излучения от источника 1 модулируется опорным сигналом S_oп(t) так, чтобы интенсивность света, освещающего УЗМС 3:

всегда была положительной. B₁ и C₁ - соответственно смещение и глубина модуляции.

Выражение для распределения интенсивности дифрагированного светового потока в плоскости размещения фотоприемников вдоль оси ОХ, преобразованного системой линз 4, 6 с учетом фазового сдвига на за счет пространственного фильтра, может быть представлено в виде

В выражении (8) Ψ=2π Δn_ML/λ - индекс фазовой модуляции, L - длина акустооптического взаимодействия (толщина УЗМС), Δn_м - амплитуда изменения коэффициента преломления среды акустооптического взаимодействия относительно среднего значения при воздействии сигнала единичной мощности, λ - длина волны светового пучка, освещающего УЗМС 3, τ₃ - время задержки принимаемого сигнала относительно момента начала освещения УЗМС 3 оптическим пучком, в качестве которого принят t_н=Т_м/2.

Выражение для электрического сигнала на выходе i-го фотоприемника с размерами рабочей апертуры вдоль оси OX b с координатами центра в выходной плоскости АОКВИ {i Δх', 0} можно представить следующим образом:

Подставляя (8) в (9) и проводя преобразования с учетом того, что Ψ<<1, получим:

где

S_i(t) - сигнальная составляющая на выходе i-го фотоприемника, которая достигает максимального значения:

на выходе фотоприемника с координатами

где если

В выражениях (10)-(12):

Если выбирается равным интервалу корреляции сигнала, то помеховая составляющая имеет нулевое среднее значение и функцию корреляции.

Сигналы P_i(T)=y_i(T)-bB₁K_пpT поступают в пороговые блоки, где сравниваются с порогом γ_пор. Выносится решение о наличии или отсутствии сигнала в каждом из каналов обработки:

(сигнал есть);

(сигнала нет),

i=1,...,n.

Оценка времени задержки сигнала, формируемая весовым суммированием выходов пороговых устройств:

Таким образом, при одинаковых принимаемом и опорном сигналах в предлагаемом устройстве на выходе одного из фотоприемников формируется в полном масштабе времени в пределах временного интервала, определяемого временем распространения ультразвука вдоль апертуры УЗМС, максимальный выходной эффект.

Номер фотоприемника с максимальным выходным эффектом соответствует времени задержки принимаемого сигнала.

Введение в устройство блоков 8, 9, 10, 12 и 13 позволяет значительно сократить время определения номера фотоприемника с максимальным выходным эффектом.

Устройство обработки сигналов в акустооптическом корреляторе с временным интегрированием, содержащее последовательно размещенные на одной оптической оси источник оптического когерентного излучения, коллиматор, ультразвуковой модулятор света (УЗМС), первую интегрирующую линзу, экран, вторую интегрирующую линзу и линейку из n фотоприемников, отличающееся тем, что введены n вычитателей, n пороговых блоков, сумматор с весовым коэффициентом, а также генератор опорного сигнала, линия задержки и генератор напряжения, причем выходы линейки из n фотоприемников соединены с первыми входами соответствующих n вычитателей, выходы которых соединены с входами соответствующих пороговых блоков, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора с весовым коэффициентом, выход которого является выходом устройства, кроме того, первый выход генератора опорного сигнала соединен с входом источника оптического когерентного излучения, второй выход генератора опорного сигнала соединен с управляющим входом линейки из n приемников и через линию задержки - с входом генератора напряжения, выход которого соединен со вторыми входами вычитателей.