Опорный транспарант для акустооптических корреляторов

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ1111 60 Я 85 Союз Советских Социалистических Республик(23) Приоритет ГосударСоветало дел нистров СССРизобретений 30.04.78. Бюллетень16(088,8) икован рытий 45) Дата опубликования описания 03.05.78 72) Авторы изобретени Егоров и В. Н, Ушаков енинградский ордена Ленина электротехнический институт имени В. И, Ульянова (Ленина)(71) Заявител 4) ОПОРНЫЙ ТРАНСПАРАНТ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ КОРРЕЛЯТОРО СТООпорный транспарант предназначен для использования в акусто-оптических корреляторах, т. е. устройствах, которые могут применяться как в режиме формирования сложных радиотехнических сигналов, так и в режиме их корреляционной обработки,Известны несколько разновидностей акусто-оптических корреляторов. В одном из простейших вариантов схема акусто-оптического коррелятора содержит источник когерентного света, коллимирующую систему, ультразвуковой модулятор света, опорный транспарант, линзу, совершающую пространственное преобразование Фурье, и фотоприемник. Электрический сигнал, подаваемый на пластины пьезоэлектрического возбудителя ультразвукового модулятора света, преобразуется в пространственно-временной акустический сигнал, модулир ующий световое излучение, падающее в виде коллимированного потока на апертуру ультразвукового модулятора света, На опорном транспаранте, представляющем собой пластину с переменной прозрачностью вдоль направления распространения акустической волны (вдоль оси х), соответствующей входному сигналу, световое излучение претерпевает вторичную модуляцию. Далее промодулированное таким образом излучение попадает на интегрирующую линзу, осуществляю.цую пространственное преобразование Фурье. Выходной электрический сигнал образуется в результате действия светового излучения, содержащегося в первом порядке диффракционной картины, на фотоприемник, В режиме 5 формирования радиосигнала на вход ультразвукового модулятора света подается достаточно короткий по сравнению с временем задержки, осуществляемой им, радиоимпульс, с помощью которого совершается преобразова ние сигнала, записанного в виде пространственного распределения прозрачности опорного транспаранта вдоль оси х, в электрический.В режиме корреляционной обработки в ультразвуковую волну преобразуется принятый 15 сигнал, отличающий сложной модуляцией, Этаволна проходит рядом с опорным транспарантом, закон изменения прозрачности которого вдоль оси х соответствует форме сигнала. При совпадении структуры сигнала с рисунком 20 опорного транспаранта имеет место корреляция, и интенсивность света в фокальной плоскости линзы в этот момент резко возрастает, что и используется для обнаружения сигнала. Из приведенного выше описания прин ципа работы акусто-оптического коррелятораследует, что вид сигнала, полученного в режиме формирования, однозначно определяется структурой опорного транспаранта; то же самое справедливо и для сигнала, подверга- ЗО ющегося корреляционной обработке, ибо вэтом режиме акусто-оптический 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 опорного 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 каналу, 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 х, благодаря чему осуществляется амплитудная модуляция формируемого сигнала.Очевидной является возможность использования в корреляторах совокупности такого контурного транспаранта (в дальнейшем именуемого кодирующим), являющегося непрозрачной маской с областями прозрачности, контуры которых определяются видом записываемого сигнала и рассмотренной неоднородной амплитудой дифракционной решетки, 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 транспаранта, т. е, упомянутой выше неоднородной дифракционной решетки с неизменяющейся по вертикали прозрачностью. Именно такой опорный транспа 50 где Т - коэффициент, определяющий степеньпрозрачности светлых участков транспаранта,0(То 0,5;х,- постоянные коэффициенты, определяющие периодичность функции прозрачностивдоль соответствующих осей (для известныходноканальных несущих транспарантов =0);2 У., 2 Н - размеры световой апертуры вдольосей х и у соответственно,Реализация закона (1) чрезвычайно проста:таким выражением описывается функция прозрачности синусоидальной амплитудной дифракционной решетки, штрихи которой об 55 60 65 5 10 15 20 25 30 35 40 45 рант 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 х, то совершенно 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 решетку определенной длины с изменяющимся по длине в соответствии с законом модуляции периодом. Средние величины периодов, определяющиеся несущей частотой, являются чрезвычайно малыми (единицы - десятки микрон) и имеют тенденцию к уменьшению 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 упрощениетехнологии 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 Т(х, у), определяющая структуру первого, изменяется не только вдоль оси х, но и вдоль оси у в соответствии с законом:Т, 1+ соз (хх+уЦ; T(х,у) у,у у(у(ц, (1)О - в остальных точках,разуют с вертикалью (осью у) угол О, определяемый формулой 0 = агс 1 д - ,АНа фиг. 1 изображена структура предлагаемого опорного транспаранта; на фиг, 2 - кодиоующий транспарант с элементарной вырезкой; на фиг. 3 - кодиоующий 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 г). В качестве несущего транспаранта используется синусоидальная амплитудная дифракционная решетка, штрихи которой обазуют с осью угол О, равный агс 1 д - , определяющийся законом изменения функции прозрачности несущего транспаранта в соответствии с выражением (1) . Кодирутощим транспарантом является непрозрачная маска с областями прозрачности. В таком опорном транспаранте структура несущего транспаранта крайне проста, тем не менее именно она обеспечивает возможностт. записи закона угловой модуляции сигнала с помощью кодирующего транспаранта, что и позволяет при использовании такого опорного транспаранта полностью избежать необходимости изготовления неоднородных дифракционпых решеток, т. е. устранить основной недостаток прототипа,На фиг. 2 представлена простейшая структура кодирующего транспаранта, содержащая произвольно размещенную и произвольную по размерам прозрачную прямоугольную вырезку. Функция прозрачности такого транспаранта Т,; имеет вид:1, х, - 1(,х.(.х, + 1; T= у т уу + тт 10 - в остальных точках, где х 0, у - координаты центра прозрачной вырезки;21, 2 тт - ее размеры вдоль осей х и у соответственно.Теоретический анализ показывает, что прп воздействии на ультразвуковой модулятор света акусто-оптического коррелятора с опорным транспарантом, полученным наложением кодируюшего транспаранта (изображенного на фиг. 2) на несущий (представленный на фиг. 1) электрического сигнала У,Е) в виде б - функттитт, т. е,У, = У,ток фотодетектора будет представлять собой радиоимпульс частоты о=кР (У - скорость ультразвука в материале звукопровода)с комплексной огибающей Ъ вида: Аехр (ту,);х 0 -+х 0 ++тш: т3О .-х, - + )х, т+(2) 10 тде А - комплексное число, зависящее от па. раметров схемы коррелятора и постоянное в рассматриваемом случае,Отметим, что практически при формировании сигналов в акустооптическом корреляторе роль о-ттмпульса играет короткий радиоимпульс с прямоугольной огибаютцей на частоте о=-хК Из выражения (2) следует, что при заданной константе х несущего транспаранта четыре пространственных параметра кодирующей вырезки полностью определяют пзраттетрьт вттходиого радиоимпульса: х 0 и т о оедсляют время появления импульса и его длительиость, у 0 - начальную фазу импульса без учета возможной инверсии фазы за счет со ятп:".ЛмножителяЬ - амплтттуду импульса и возможнуто инверсию фазы. Это означает, что путем простоанственной коммутации и модуляцитт размеров последовательЗ 5 ности поямоугольньтх кодирующих вырезоквыходной радиоимпульс может быть синтезирован в виде произвольного дискоетного многофазного кода. На фиг. 3 представлен вид кодирующего транспаранта, соответствующего40 таком случаю.Если параметры Ь и у 0 соответствующихкодимттотттих вырезок изменяются не скачкообоазто вдоль оси х, а являются непрерывными функциями чанной координаты, то получен ттый результат обобщается на слчай сигналовс непрерывной амплитуднотт и фазовой модуляцией, т. е. кодирующий транспарант, структура которого изображена на фиг. 4, в паре с прежним несуцтим (см. фиг. 1) позволяет фоомировать и обрабатывать в акусто-оптическом корреляторе сложные сигналы с проттзвольньтм характером амплитудной и угловой модуляции.Однако с точки зрения функциональныхвозможностей описанный опооный трансйарант не полностью эквивалентен прототипу, ибо фазовый размах при угловой модуляции в сложном сигнале при такой структуре опорного тоанспаоанта ограничен сверху внутрен 00 ними тцумами коррелятора. Действтттельно,пои твеличенитт упомянутого фазового размаха (оазмеры световой апертстрьт 2 У, и 2 Н считаются постоянными) необходимо увеличивать величину , ибо :тлавное изменение на 65 чальной фазы сигнала определяется сомножителем ехр (сдо) в выражении (2), что приводит к уменьшению максимальной амплитудыкомплексной огибающей формируемого сигнавп 1 Ьла, определяемой сомножителем втом же выражении, Это связано с потерямисвета в акусто-оптическом корреляторе. Возможный вид кодирующего транспаранта вэтом случае изображен на фиг. 5,Пусть для определенности фазовый набег 10несущего траспаранта на высоте световойапертуры 2 Н равен 6 л. Однако и эта трудность является в дачном случае устранимой.Оказывается, для формирования сложныхсигналов с большим фазовым размахом Лаэртахнет необходимости иметь набег фазы несущего транспаранта на высоте световой апертуры25 Н, не меньшей, чем Лрп,Можно показать,что в соответствии с принципом, эквивалентным так называемому зонированию в линзовых 20антеннах, для формирования рассматриваемых сигналов достаточно иметь несущий транспарант с фазовым набегом на высоте световой апертуры 2 Н, равным 2 п. В этом случаепотери по свету не являются существенными 25и не зависят от вида угловой модуляции всигнале.На фиг. 6 изображен кодирующий транспарант, с помощью которого можно записать закон угловой модуляции с Л,пах=ба (см. фиг, 30о) при использовании несущего транспаранта,для которого 2 хН=2 л,Из условия, что фазовый набег несущеготранспаранта на высоте световой апертурыдолжен равняться 2 л, определяется угол на- З 5клона О штрихов однородной (синусоидальной) дифракционной решетки к оси у:6 = агар фР2 Н40где- несущая частота записываемого сигнала,Таким образом, предлагаемый опорныйтранспарант действительно позволяет формировать и подвергать корреляционнон обработке сложные сигналы произвольного вида.Изобретение позволяет существенно упростить технологию изготовления опорных транспарантов. Действительно, если в прототипевсякий раз для записи сложного сигнала требуется соответствующая ему неоднороднаядифракционная решетка, 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, по-. прежнему 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 достаточно иметь единственную однородную дифракпионную решетку и путем смены различ. ных кодирующих транспарантов можно осуществлять запись соответствующих сигналов, в то время как в прототипе необходимо для этой цели иметь определенное число самых различных неоднородных дифракционных решеток.Таким образом, применение предлагаемого опорного транспаранта позволяет устранить необходимость осуществления сложной технологической операции - изготовления высококачественных неоднородных дифракционных решеток с крайне малыми периодами, что существенно упрощает гехнологию изготовления транспарантов. Формула изобретенияОпорный транспарант для акусто-оптических корреляторов, состоящий из совокупности несущего транспаранта, представляющего собой амплитудную дифракционную решетку, и копирующего, являющегося непрозрачной маской с областями прозрачности, контуры которь 1 х определяются видом записываемого сигнала, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии его изготовления, несунгий транспарант выполнен в виде синстсоидальной амплитудной дифракционной решетки, гнтппхн которой образуют с вертикалью угол О, определяемый формулой:О =агс 1 д -,Хгде х,- постоянныс коэффициенты, определяющие периодичность функции прозрачности вдоль :;.равления акустической волны и в перпендикулярном направлении, соответственно,