Когерентно-оптический процессор для обработки сигналов антенной решетки

(56) Сазазепго-ОрС 1 са 1 РгосАпйеппа Ра 1 а.ч.11, р.1269.Гринев А,Ю.троника, т.8,4 Бюл. У 11лектроникивич, А. К. Е 88. 8)О., Ягерйепзоп Л. езззпя о 1 РпазейАрр 1. ОрС., 1972Е 1 ес"ггау Квантовая 1, с.209 е и др1, 1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЦТИЯМПРИ ГННТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54) (57) КОГЕРЕНТНОТИЧЕСКИЙ 11 РОЦЕССОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ АНТЕННОЙРЕШЕТКИ, содержащий расположенные последовательно на одной оптической осилазер, коллиматор, поляризаторК-канальный электрооптический модулятор,поляризационный .анализатор, сферическую линзу и линейку фотоприемников,выходы которой соединены с регистратором, а также блок преобразованиячастоты, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности засчет компенсации искажений ФазовогоФронта в электрооптическом модуляторе,. в него введены светоделитель, расположенный между лазером и электрооптическим модулятором, одноканальныйфотоприемник, вторая линейка фотоприемников, ключ, коммутатор, Фильтрнижних частот, компаратор, и-канальный фазовый корректор, состоящий изаналого-цифрового преобразователя,демультиплексора, И реверсивных цифровых накопителей, М преобразователей .код"напряжение и Х усилителей, причем 2 выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу демультиплексора, каждый из 11 выходов которого подключен к входу соответствующего реверсивного цифрового накопителя одноименного канала, выход которого через соответствующий преобразователь код-напряжение подключен к усилителю одноименного канала, вход одноканального фотоприемника через светоделитель оптически связан с лазером, а выход - с информационным входом ключа, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого через Фильтр нижних частот и коммутатор связан.с выходами второй линейки фотоприемников, а выход - с информационным входом аналого-циФрового преобразователя Н-канального Фазового корректора, С сигнальные входы усилителей которого связаны с выходами блока преобразования частоты, а сигнальные выходы усилителей - с электрическими входами Н-канального злектрооптического модулятора, при этом синхронизирующий выход коммутатора связан с управляющим входом ключа и с синхронизирующи-. ми входами аналого-цифрового преобразователя и демультиплексора К-канального фазового корректора, а поляризационный анализатор выполнен в виде двупреломпяющей поляризационной призмы, второй оптический выход которой, поляризованный ортогонально первому оптическому выходу, связанному с пер- Зь вой линейкой фотоприемников, оптически связан с второй линейкой фотоприемников.Изобретение относится к областиоптоэлектроники и может быть использовано в радиотехнических комплексахс антенными решетками.Известно устройство, состоящее изблока преобразования частоты, входкоторого подключен к решетке излучателей, а выход связан с электрическимвходом акусто-оптического модулятора, 10оптически через согласующий оптический тракт связанного с лазером и линейкой фотоприемников, электрическиевыходы которой связаны с блоком регистрации. 15Недостаток устройства - низкаястабильность параметров и ограниченное быстродействие. Первый недостаток обусловлен тем, что входной импеданс акусто-оптического преобразователя модулятора носит комплексный характер, причем соотношение активнойи реактивной составляющей изменяетсяв широких пределах от частоты к частоте, особенно вблизи частот акустического резонанса поверхностных волн,Кроме того, для различных частот акустическая добротность акустооптического преобразователя различна, чтотакже снижает стабильность параметроя процессора в полосе частот. Второй недостаток вызван ограниченнойполосой пропускания акусто-оптической ячейки в области верхних частот,которая определяется конструкцией З 5поверхностно-акустического преобразователя и материалом акусто-оптической ячейки,Из известных устройств наиболееблизким по технической сущности является когерентно-оптический процессордля обработки сигналов антенной .решетки, содержащий расположенные последовательно на одной оптическойоси лазер, коллиматор, поляризатор, 45Б-канальный электрооптический модулятор, поляризационный анализатор,сферическую линзу и линейку Фотоприемников, выходы которой соединеныс регистратором, а также блок преобразования частоты, выходы которогосвязаны с электрическими входами Н-канального электрооптического модуля-тораа.Недостаток устройства - низкая ста бильность эксплуатационных параметров (быстродействия, помехозащищенности, разрешающей способности, точности), Недостаток вызван влиянием температурных вариаций коэффициента преломления необыкновенного луча кристалла И-канального электрооптического модулятора на распределение оптического сигнала в плоскости Фотоприемников. С другой стороны, на распределение сигнала в плоскости регистрации линейки Фотоприемников существенное влияние оказывает относительный Фазовый набег между сигнапами в различных каналах М-канального электрооптического модулятора, вызванный градиентом температуры по поперечному сечению, механическими напряжениями в кристалле и др. Поскольку сам по себе электрооптический эффект носит Фазовый характер, в плоскости регистрации. не удается восстановить адекватную картину амплитудно-Фазового распределения сигнала в раскрыве антенной решетки.Целью изобретения является повышение точности за счет компенсации искажений Фазового фронта в электро- оптическом модуляторе.Цель достигается тем,что в устройство, состоящее из расположенных последовательно на одной оптической оси лазера, коллиматора, поляризатора, Н-канального электрооптическо" го модулятора, поляризационного анализатора, сферической линзы и линейки Фотоприемников, выходы которых соединены с регистратором, а также из блока преобразования частоты,вве" дены светоделитель, расположенный между лазером и электрооптическим модулятором, одноканальный Фотоприемник, вторая линейка фотоприемников, ключ, коммутатор, Фильтр нижних частот, компаратор, М-канальный Фазовый корректор, состоящий из аналого-цифрового преобразователя, демультиппексора, Б реверсивных цифровых накопителей, Н преобразователей код-напряжение и М усилителей, причем выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу демультиплексора, каждый из И выходов которого подключен к входу соответствующего реверсивного цифрового накопителя однОименного канала, выход которого через соответствующий преобразователь код-напряжение подключен к усилителю одноименного канала, вход одноканального Фотоприемника через светоделитель оптически связан с лазером, а выход - с инфор107584 мационным входом ключа, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого черезфильтр нижних частот и коммутаторсвязан с выходами второй линейки фотоприеиников, а выход - с информационным входом анапого-цифрового преобразователя К-канального фазового корректора, сигнальные входы усилителейкоторого связаны с выходами блокапреобразования частоты, а сигнапьныевыходы усилителей - с электрическимивходами К"канального электрооптического модулятора, при этом синхронизируииций выход коммутатора связан с управляющим входом ключа и с синхронизирующими входами анапого-цифровогопреобразователя н демультиплексораК-канального фазового корректора, 20а поляризационный анализатор выполненв виде двупреломпяющей поляризационной призмы, второй оптический выходкоторой, поляризованный ортогонально первому оптическому выходу, связан ному с первой линейкой фотоприемников, оптически связан с второй линейкой фотоприемников,На фиг. приведена функциональнаяблок-схема процессора; на фиг,2 - схе ма К-канального фазового корректора.Когерентно-оптический процессорсодержит лазер 1, светоделитель 2,коллииатор 3, поляризатор (призмаГлана) 4, К-канальный электрооатический модулятор 5, поляризационный анализатор 6, сферическую линзу 7 и первую линейку фотоприемников 8, выходыкоторой связаны с регистратором 9.Выходы второй линейки фотоприемников10 связаны с коммутатором 11, сигнапь"ный выход которого через фильтр нижних частот 12 соединен с одним извходов коипаратора 13, Другой входкомпаратора 13 связан с выходом одноканапьного фотоприемника 14 черезключ 15. Выход компаратора 13 связанс анапого-циФровым преобразователем16 Я-канального фазового корректора17. фазовый корректор 17 содержиттакже демультиплексор 18, К реверсив"ных цифровых накопителей 19, К пре"образователей код-напряжение 20 и Кусилителей 21, сигнапьные входы ко"торых связаны с выходаии блока преобразования частоты 22, а сигнальныевыходю усилителей - с электрическимивходаии М-канального электрооптического модулятора, при этом синхрони 3 6зирукщий выход коммутатора 11 связан с управляющим входом ключа 15 ис синхронизирующнии входами аналогоцифрового преобразователя 16 и демультиплексора 18, информационный вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя (АЦП),16. Выходы демультиплексора 18 подключены к входам соответствующих ре"версивных цифровых накопителей (РЦН)19, выхрды которых через соответствующие преобразователи код-напряжение подключены к соответствующим усилителям 21. Вход одноканального фотоприемника 14 связан с лазером .1 через светоделитель 2, Поляриэационный анализатор 6 выполнен в виде призма Глана с незачерненной второй гранью, оптический выход которой связан оптически с второй линейкой фотоприемников 10 фРаботает устройство следующим образом.Сигналы с элементов антенной решетки поступают в блок преобразования частоты 22, где осуществляется их перенос на промежуточную частоту, минимапьное значение которой определяется необходимзм подавлением комбинационных составлякщих и шириной спектра сигналов, максииальное - полосой рабочих частот И-канального электрооптического модулятора 5, Передача информации об амплитудно-фазовом распределении СВЧ-поля в световой поток осуществляется И-канальным электрооптическим модулятором 5эле" ктрические входы которого связаны с блоком преобразования частоты 22 через И-канальный фазовый корректор 17, Корректор обеспечивает необходимюй уровень управляющих напряжений в канапах модулятора 5 и величину постоян" ных корректирующих напряжений, подаваеиых в каждый канал одновременно сВЧ-сигналаии, И"Канальный электрооптический модулятор 5 осуществляетфазовую модуляцию когереитного светового потока лазера 1 и в соответствии с сигнапами иа его электрическихвходах таким образом, что распределеиию поляна апертуре антенной решетки(хй) Ар(х) ез.п Я с+ С(хЦ соответствуетраспределение (при небольших значениях индекса фазовой модуляции)ееЫрй-ъ -И еъв Г(Я-Я)й-Ц(х) 1075843-Я(х) ) "( + в(п ( (Я+(3 с 1 (х)+ ) (хгде ш(х " индекс фазовой модуляции,пропорциональный амплитудесигнала на входах модуля 5тора;Ю - круговая частота ВЧ-сигнала;Я - круговая частота ойтичесКОГО излучения 1Ар(х) рФ(х) - распределение амплитуд иФаз ВЧ-сигналов;Ч (х) - дополнительный Фазовыйсдвиг, вызванный естественным двулучепреломлениемкристалла модулятора;Я - круговая частота модулирующего напряжения.При помощи двух скрещенных поляри зационных устройств - поляризатора 4 и анализатора 6, установленных на входе и выходе модулятора 5 Фазовая модуляция преобразуется в амплитудную, выходной оптический сигнал подвергается фурье-преобразованию при помощи сферической линзы 7, преобразуется в электрический при помощи линейки Фотоприемников 8 и поступает в регистратор 9, где происходит вычисление и30 запись необходимых параметров сигна" лов в раскрыве антенной решетки (угловое распределение источника СВЧ-излучения и др.). Как видно из приведенного выше выражения, полезная ин формация об амплитудно-фазовом распределении поля в раскрыве антенной решетки представлена в виде боковых полос с составляющими частот (Я"ф и (Я+Я). Однако однозначное преобразо 40 ванне распределения СВЧ поля и оптического сигнала в плоскости регистра" ции возможно только в случае известной зависимости ( (х), представляющей собой дополнительный фазовый45 сдвиг, вызванный естественным двулучепреломпением в кристалле. На практике Ц (х) подвержена влиянию множества факторов и заранее не предсказуема. Так, даже небольшие температурные градиенты (порядка 0,1 С)о приводят к изменению (. (х) на 90+ о что полностью искажает картину распределения поля в антенной решетке. Преобразование фазовой модуляции в ам плитудную при.помощи скрещенных поляризаторов приводит к тому, что дополнительный фазовый сдвиг ф,(х) выражается в смещении среднего уровня оптического сигнала на выходах каждогоканала модулятора. Это смещение вкаждом канале на выходах анализатора6 в лучах со взаимно ортогональнойполяризацией имеет противоположныйзнак. Так, при отсутствии естественного двулучепреломления в канале(1) (х)=0 средний уровень оптическогосигнала на каждом из выходов анализатора 6 равен половине среднегоуровня оптического сигнала на входемодулятора 5, Естественное двулучепреломление в кристалле равносильносмещению рабочей точки данного канала модулятора. Это смещение вызываетпротивоположное изменение среднегоуровня оптического сигнала на выходах анализатора с ортогональной поляризацией лучей, уровень одного из указанных сигналов становится больше половины уровня входного оптическогосигнала, другого - меньше. Таким образом, имеется возможность извлеченияинформации о величине и знаке дополнительного фазового набега за счетестественного двулучепреломления путем сравнения средних уровней сигналов на выходах анализатора со взаимно ортогональной поляризацией лучей,либо сравнением одного из указанныхсигналов с уровнем входящего в моду"лятор 5 потока излучения. Посколькуодин из лучей на выходе анализатораб связан со сферической линзой 7 ииспользуется для дальнейшей обработки информации, дпя определения величины и знака дополнительного фазового набега ( (хо) (в канале с номером и) используется второй луч поляризационного анализатора 6, Этот лучвторой оптический выход анализатора -оптически связан с второй линейкой Фотоприемников 10, электрические выходы которой через коммутатор 11 ифильтр нижних частот 12 связаны с вторым входом компаратора 13. Коммутатор11 осуществляет последовательную подачу сигналов, соответствующих каждому каналу модулятора 5 на компаратор13. При этом в качестве опорного сигнала, подаваемого на первый вход компаратора 13, используется сигнал одноканального Фотоприемника 14, связанного через ключ 15 с первым входом компаратора 13. Ключ 15 осущест"вляет синхронную подачу сигналов на107584 первый и второй входы компаратора 13.Таким образом, на одном из входов компаратора при неизменной мощности лазера 1 образуется последовательность импульсов одинаковой амплитуды, на другом - сигналы, средний уровень которых зависит от величины естественного двулучепреломпения в каждом из каналов модулятора 5. После прохожде О ния фильтра нижних частот 12 эти сигналы приобретают вид импульсной последовательности длины Н; амплитуда каждого импульса последовательности несет информацию о дополнительном фа зовом сдвиге в каждом из каналов мо" дулятора 5По сигналам на выходекомпаратора 13 осуществляется определение необходимой величины компенсирующего напряжения, подаваемого на 20каждый из И каналов модулятора 5.Реализовать эту операцию можно при помощи известных аналоговых схем, однако построение Н-канального Фазового корректора на основе цифровых схемпозволяет достигнуть большей однородности структуры и расширить область устойчивой работы устройства. Послед" нее обстоятельство особенно вакно всвязи с тем, что монотонное изменение 30дополнительного фазового сдвига под действием, например, разогрева кристалла проходящим оптическим излучением требует соответствующего увеличения уровня компенсирующего напряжения. 35 Это .напряжение компенсирует Фазовый сдвиг, однако его абсолютная величина может выйти за пределы, допусти. мые для кристалла, либо необходимое его значение может оказаться выше ра бочих напряжений элементов схемы фазового корректора 7. В связи с этим возникает необходимость такого построения схемы корректора, которое, используя свойство периодичности ха рактеристики электрооптического модулятора, осуществляет "сброс" предела регулирования на величину удвоенного полуволнового напряжения (2 Уу), т.е, в случае, если необходимая ве личина компенсирующего напряжения 11 2 Ь-, на модулятор подается 011 - 2 11. так, что в любом случае Ущ б (0,2 Б" ). Осуществляется это следующим образом. Синхронно 55 1 О3с коммутатором 11 работает аналогоцифровой преобразователь 16 и демультиплексор 18. На выходе АЦП вырабатывается цифровое представление сигнала компаратора 13 последовательно для каждого канала модулятора 5. Этот сигнал через демультиплексор подается на ряд реверсивных цифровых иаков пителей (РЦН), по сигналу которых вырабатывается компенсирующее напряжение, При монотонном уходе рабочей точки модулятора 5 в каждом такте работы устройства в соответствующий РЦН заносится код, который суммируется с хранящимся в нем кодом, что приводит к соответствующему увеличению компенсирующего напряжения. Если же И= 2 Б, происходит переполкомп рнение РЦН, он "обнуляется" и устанавливается Ц м = О, что равноценно, поскольку характеристика модулятора имеет период 2 Ь. Предел счета РЦН установлен так, что О ( Б(Ы, Аналогичный процесс происходит последовательно для каждого канала модулятора 5. Последовательный контроль каждого канала не приводит к ухудшению параметров фазового корректора, поскольку инерционность процесса изменения величины естественного двулучепреломления кристалла в худшем случае определяется временем порядка единиц секунд, так что практически не трудно установить тактовую частоту работы коммутатора 11 так, что она на порядок превышает скорость ухода рабочей точки.Таким образом, предложенное устройство позволяет обеспечить практически полное соответствие амплитудно-фазового распределения оптического сигнала в плоскости регистрации и на апертуре антенной решетки за счет компенсации искажений Фазового Фронта, вызываемых непараллельностью торцов кристалла, отклонением направления распространения света от оси кристалла, температурными градиентами и др. Это приводит к повышению,точности, разрешающей способности, коэффициента направленного действия и других параметров системы антенная ре" шетка " когерентно-оптический процессор.