Акусто-оптический коррелятор с временным интегрированием

(19) (11) 4 (51) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯн сстссснсмн ссннстссьстви(71) Ленинградский ордена Ленинаэлектротехнический институтим. В.М. Ульянова (Ленина)(56) 1. Патент США Иф 3189746,кл, С 06 С 9 ЯО, опублик. 1965.2. Слока В.К. Вопросы обработкирадиолокационных сигналов. М.,(54)(57) АКУСТООПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛЯ, ТОР С ВРЕМЕННЫМ ИНТЕГРИРОВАНИЕМ,содержащий последовательно размещенные на общей оптической оси источник когерентного света, коллиматор,сигнальный ультразвуковой модуляторсвета, электрический вход которогоявляется входом коррелятора, первуюцилиндрическую линзу, фокальнуюдиафрагму, вторую цилиндрическуюлинзу, третью и четвертую цилиндрические линзы и фотоприемник в виде двух линейных матриц приборов с зарядовой связью, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью рас" ширения полосы частот исследуемых сложных сигналов с угловой модуляцией, в коррелятор введены размещенные последовательно по ходу оптических лучей между коллиматором и сигнальньк ультразвуковым модулятором света электрически управляе" мый транспарант и опорный ультразвуковой модулятор света, генератор гармонического сигнала, генератор напряжения фазовой модуляции и блок согласования, выход которого соединен с электрическим входом электрически управляемого транспаранта, вход блока согласования подключен к выходу генератора напряжения Фазовой модуляции, выход генератора гармонического сигнала соединен с электрическим входом опорного ультразвукового мо дулятора света, 803705Изобретение относится к областикорреляционной обработки сигналовоптическими методами и может бытьиспользовано в радиолокации длясжатия импульсных радиолокационных сигналов с большой базой.Известен акустооптический корре-,лятор (АОК), содержащий источниккогерентного света, коллиматор,ультразвуковой модулятор света, опорный транспарант, линзу, совершающуюпреобразование Фурье, фокальнуюдиафрагму, вырезающую первый порядок днфракционной картины,и фотоприемник мгновенного действия 1. 15Большинство известных АОК можетбыть эффективно использовано длясжатия сложных радиолокационных сигналов, однако длительность. последниХ определяемая размером световой фапертуры модулятора света вдольнаправления распространения сиг-,нальной акустической волны, вэтом случае существенно ограничена. При обработке широкополоснйх радиолокацириных сигналов этиограничения в основном связаны с необходимостью использования в качестве материала звукопровода модулятора различных монокристаллов, обла- З 0дающих в области высоких частот относительно малым затуханием акустической волны. Уровень современнойтехнологии выращивания монокристаллов дает возможность получить образцы таких размеров, которые соответствуют длительности .обрабатываемых радиосигналов, не превышающей 10-15 мкс, что в ряде случаевявляется недостаточным. 40Известно устройство квадратурнойкорреляционной обработки, построенное на основе простейшего коррелятора и позволяющее получить на своемвыходе сигнал, пропорциональный 45модулю комплексной огибающей ВКф,т,е, его амплитудной огибающей 1 2.Известен АОК с временным интегрированием, содержащий последовательно размещенные на общей оптической 50оси источник когерентного света,коллиматор, сигнальный ультразвуковой модулятор света, электрическийвход которого является входом коррелятора, первую ципиндрическую линзу, 55фокальную диафрагму, вторую цилиндрическую линзу, третью и четвертуюцилиндрические линзы и фотоприемник в виде двух линейных матриц приборов с зарядовой связью.Цель изобретения - расширение полосы частот сложных радиосигналов с угловой модуляцией, обрабатываемых в корреляторах с временным интегрированием.Это достигается тем, что в известный АОК с временным интегрированием введены размещенные последовательно по ходу оптических лучей между коллиматором и сигнальным ультразвуковым модулятором света электрически управляемый транспарант (ЭУТ) и опорный ультразвуковой модулятор света, генератор гармонического сигнала, генератор напряжения фазовой модуляции и блок согласова- ния, выход которого соединен с электрическим входом электрически управляемого транспаранта, вход блока согласования подключен к выходу генератора напряжения Фазовой модуляции, а выход генератора гармонического сигнала соединен с электрическим входом опорного ультразвукового модулятора света.При этом ЭУТ играет роль входной диафрагмы с двумя областями прозрачности, полученными смеще-нием прямоугольного щелевидного окна, ориентированного в направлении распространения сигнальной акустической волны. Генератор гармонического сигнала имеет частоту исследуемого радиосигнала. Введение в схему известного коррелятора опорного ультразвукового модулятора света, а также применение в ней вкачестве входной диафрагмы управляемого транспаранта позволяет подавать на пьезопреобразователь сигнального ультразвукового модулятора света непосредственно входной радиосигнал, что дает воэможность существенно расширить полосу частот обрабатываемых радиосигналов и увеличить тем самым разрешающую способность коррелятора по дальности при решения радиолокационных задач.На фиг, 1 представлена функциональная схема предлагаемого АОК с временным интегрированием; на фиг.2 - относительное расположение ЭУТ, опорного и сигнального ультразвукового модулятора света в плоскости, перпендикулярной оптической оси устройства; на фиг.З - линейки03705 10 25 30 35 40 50 55 3приборов с зарядовой связью (ПЗС) идве цилиндрические линзы, оптически связанные с областями прозрачности ЭУТ плоскостью, перпендикулярной направлению распространения акустической волны в сигнальном ультразвуковом модуляторе света, в разрезе. Описываемый АОК содержит установленные на одной оптической оси источник когерентного света 1,например оптический квантовый генератор непрерывного действия коллиматор 2, оптически непрозрачный ЭУТ 3, размещенный в плоскости, перпендикулярной оптической оси д устройства, и имеющий две области прозрачности, форма и расположение которых указаны на фиг.2В качестве ЭУТ могут быть, в частности, использованы управляемые жидкокристаллические или АО транспаранты, а также транспаранты на основе электрооптической керамики, ЭУТ 3 через блок согласования 4 расположения его областей прозрачности на оси(см.фиг.2) подключен к генератору напряжения 5 фазовой модуляции обрабатываемого сложного радиосигнала. Кроме того, в состав АОК входят опорный ультразвуковой модулятор света 6, пьезообраэователь 7 которого соединен с генератором гармонического сигнала 8 с частотой, равной несущей обрабатываемого радиосигнала, и сигнальный ультразвуковой модулятор света 9, пьезопреобразователь 10 которого подключен непосредственино к источнику обрабатываемого радиосигнала 11. Взаимное расположение опорного и сигнального ультразвуковых модуляторов света в плоскости, перпендикулярной оптической оси, показано на фиг.2. За модулятором 9 на оптической оси устройства последовательно установлены цилиндрическая линза 12 с фокусным расстоянием Р совершающая прямое преобразование Фурье,фокальная диафрагма 13, вырезающая один из первых порядков идиракционной картины, цилиндрическая линза 14 с фо-, кусным расстоянием Р, совершающая обратное преобразование фурье, а также две цилиндрические-линзы 15 и 16 с фокусным расстоянием Р ,. оптически связанные с областями проз 4рачности транспаранта,и две линейки фотодетекторов 17 и 18 на основе ПЗС, причем относительное рас 1 положение в плоскости ио поясняется на фиг.3.АОК работает следующим образом 1 Входной радиосигнал 5 (ц: =А И 1 срфЦ+ Ч И +еД поступает от источника сигнала 1 на пьезопреобразователь 10 и возбуждает в модуляторе 9 сигнальную акустическую волну, распространяющуюся вдоль оси х. На пьезопреобразователь 7 модулятора 6 от генератора синусоидального напряжения подается сигнал Вр И, имеющий вид бр(1) :А срэй (ф+ ), Возбужденная в модуляторе 5 опорная гармоническая акустическая волна распространяется под некоторым углом к оси и (см. фиг.2). Можно для примера рассмотреть, что происходит в этом случае в одном из каналов обработки, соответствующем, например, нижней области прозрачности транспаранта (см.фиг.2). Пусть при этом никакие сигналы от блока согласования 4 на транспарант не поступают. Коллимированный световой пучок; соответствующий выбранной области прозрачности, последовательно дифрагмнрует на опорной и сигнальнойФакустических волнахзатем подвергается преобразованию Фурье, осуществляемому цилиндрической линзой 12, и пространственной фильтрации, состоящей в выцелении одного иэ первых порядков дифракционной картиныпомощью диафрагмы 13, После этого цилиндрической линзой 14 производится восстановление одного иэ диафрак". ционных порядков, который и засвечивает состветствующую линейку ПЗС 18, причем выбором Р ( Р (см. фиг.1) осуществляется необходимое при этом масштабирование. Роль ци" линдрической линзы 16 сводится к фокусировке диафрагированного пучка вдоль оси , На апертуре линейки ПЭС 18 (см.фиг.3) можно рассмотреть участок ь к, световой апертуры модулятора 9 вдоль оси проектирующийся на 1;й элемент линейки ПЗС, предположив при этом, что фазовая функция Ч 1 сигнальной акустической волны на интервале времени, равном задержке ее распространения на участке 4 х;, можЕт СЧИтатЬСЯ ПОСТОЯ)нтОй И РаЗНОй Е(.о;) ГдЕ : - ВрЕМН ЗадЕржКИ распространения сигнальной акустЕГ. ческой волны от пьезопреобразовате ля 10 до середины ) -того эз смепта светоВой агзерту 1)ь 1 модулято)ра 3В ЭТОМ СЛУЧаЕ НЕтРУДЕтО ЕЕОКаэатьЧЕ интенсивность дияф)я 111 рованеОго СВЕта(т. ПОдащщЕГОСП 11 а:;,итзт СЛЯТЬСЯ ЗаЗНОГТЬЮ Ь.- З тст.тт-Етог, возбудивших акустические езол:."=.ф И,ОПИСЬПЗаТЬСЯ СЛЕД;т О5111 ГЕЗЕ)а ХЕ)1 т - . ем; т, 1 +-) и1) ) /м1 о . ) .х о) вх,) зт 3 И 3 с; - ПО: 70 ППЫЕ:.Е)П 1-оЕИЕЕЫ О)ПРЕт,ЕГЯЮЩИЕ, Я К ОНОРУ Упи В 1 Ы Па)З а МЗТРаМЕсхемы РОКЧ - 55) ):5 - 1);ЕЗОС) Ь Наи Ь-.оп в)пых фаз опорпо 10 И ВХОД 10 Г) хИЕ" На " 03 ЦИодобе 1 ое г оотпо)ве).пе бьвзо быСПраВЕдЛИВО 11 П И СОГСХвтт. ТВИН 07110 иСИТСЛЬНОГО ПОВОРОТЯ СЕЕГ)автЬК)ГО 71опорного ультразвуко)зюв .)Одуз 1 я оРОВ СВЕТа (С 11 ф 111 и 2,), ПРИ ЗТОМраЗНОСТЬ Н". Еа)ЕЪНХ 1)аз т т ИМЕЛа6 Ы ЧЕ 7 КИ 1 ЙИЗЕ.ЕСКИК МЬ)СЛ., 3)К)1 К)иЧЯЮЗеиЙСЯ В Рт .-ОСИГЕЛ)тттт 1 П С, Ва);.,и;РОВКЕ СИГНальиой Б О 1 ОРНО 11 асто - ,НЧЕ; -111:.,волераспространяез 111 хс) -,: с)гц-сч: .фронт се)Г 1 з.н-.но,-. ае)ус 1 11 ес:Ой во;п 1)д Пат/ЯЛЛ ЕЛЕН ОС 11 и В,П)З",1 ) 1 -З;НЕ ОН Об)Зии) ЗттвтЭиойС .Зт т, и;,Еуг 01ОЗТС)иту )и:1 п)гттивтт;т т" . "т 31 ) О,Ка. СИГНЗЛЬНОй Н ОП;)РНО 1.: а 1 У-, С К тВОЛН 07 ЛИЧВ Ети 1 тПЗЕ РП .тл)т"; т т , Е)а)Х Ниях КООрдинаттЬЕ- ПГ ". 1.: 5- ЛИСТИ ПРОЗРаЕНОСТЕ) 35,.".на .; ВСЛЕ,Г С 7 ВИЕ Л)111 ЕРЕ)ОГО 1 и;.ЕРЧР)15- -НЧ,"1. - ,.)15 фазы опорного акусгического .ОлетзаНИЯ ВДОЛЬ КООРДИНаТЫ ; и 06 УСЛЗВ- НОГО Понорото 1 тЕРП 115.70;,С;) НЕЛЕ 110 0 И И) "ит; - , , ти)1 бу РТ Оц)ЕДЕттяипт.ся иЗ)та 1 Ет)ЧЕМ Ю.йЬ) соответствующей среднеи вдаль сС 11 ч линии Об)ласте 1 прОз)тачности; к О )11 ната которой ь Обозе:ачее)а е)а1 ЕЕтт ОПрЕГ СЛЛЕМЬй УГЛОМ : ОВ О.З)а действием сигналов с блока сог.Н.,о"- и гзания 4 координата о нижней области прозрачности ЗУТ изменяется во ВРЕМЕНИ ПО ПЕКОтОРОМУ ЗаКОНУ о(Ч.С учетом сказанного выше можно утзер,5 цать что в фазе опорного сигоп(т тт о соВ ,=с+ + Ч оп) НГ 107 ОГО ДЛ 1 ВСЕХ ЗЛЕМЕНТОВ ЛИ лейки ПЗС появится переменная сосавляющая У (о 1=Ч Я). Если при этом перемсщее 1 ие Области прозрач 11 ости 1:роисходит согласно закону фазовой.модуляции, обрабатываемого рг)диосигнала т.е:1 М =5 Ю70 фаза опорной акустической волныбудучи неизменной вдоль всей протяженности световой апертуры па оси Ез сеелу однородности обл: с:.и прозрачносги в этом направ;е)ЕНЕ; -определится как 55) оп . 5" ( ). С Еедователье)О интенсивность свето)ОГО ПОтОка Падающего на 1-тый эчемепт линейки П:5 С примет видз, 15)1 53,совфЖ" 1 Я-ЛЧС;.еду.т 07 метить чт 0 имее 1 но исто 11 ст)зо парамвтров Опорного =.". -С ЕЕЧЕС 1 Ого Ка;1 ЕбаНЕ 1 т ВДОЛЬ ОСИ )5 ПН 51 аЛЕГтт-.т 1 РаСПРОСГРаНЯЮЩЕйСЯ В этом напрезв)сенин сигнальной акустит)ЕС)10 й ВОЛНЫ ДаЕт ВОЗМожНОСтЬ РЕалн:;о:зать т)ногот 11 анвльну 1 о обработку. .55 сх.:ме рассматриваемого АОК источ)и сом си .нала управления областямиоззачности -)У" служит генератор 5, МО,.-,З-;11:Э"а 11 . ,)азхар )ЗаПИОСЕГНалаК.)кпе 11": ", (" Езок согласования 4тЕС и т)ОЯЫЕЕИЯ С ВЫХО зо: еперагора .) формирует сигналы,у 1 р Б)1 НЮБтиие рас 115)ложЕНБЕМ ОблаСТЕЙ П ОзратЕЕЕОСТИ На ОСИ ,т (См.фИГ,2):) 5)ЕЗЛЕтттаТЕ НВКОПЛЕНИЯ ИНтЕНСИВ-,;И .; ВЕПЕ:;,;, тЕСТЕЧЕНИИ )т 1 ИТЕЛЬ: . и ) Об);Яоаз ЬттнаЕМОГО раДИОСИГнала з:, .: е)лемее)те,)е 1 нейки ПЗСО:,". Зт)ЕТС)1 За)ЗЯП О, ОПИСЫВЯЕМЫИрдттОтГЕМ ВЬГОВЯЕ 1)НЕМ игде ии, и ),. - Постоянные коэффицие:тты. Для получения мнимои части комг 1 лексной огибающей АКФ входного радиосигнала в описываемом устройстве таки= служит квадратурный т:,анап обработки, образованный второй облстью прозраЧИОсти ЭУТ.Одако если в прототипе для полу,7чения квадратурных опорных колебаний требовалась соответствующая временная модуляция коллимированных световых пучков, то в описываемом устройстве необходимый сдвиг фаз опорных сигналов, равный 372 +37 к (= О, 1,2), достигается выбором соответствующей величины относительного смещения областей прозрачности управляемого транспаранта вддль оси м линейного измейения фазы опорного колебания.Итак, описанный коррелятор с временным интегрированием позволяет, как и прототип, произвести кадратурную корреляционную обработку входного радиолокационного сигнала с угловой модуляцией. Как и прототип, описанный коррелятор выгодно отличается от традиционных радиотехнических устройств аналогичного назначения простотой реализации многоканальной обработки, что связано с использованием перспективных фотодетекторов. В описанном корре" ляторе наибольшая длительность обрабатываемых радиосигналов ограничена только характеристиками ли" нейки ПЗС, что характерно и для прототипа. Однако по частотным свойствам предлагаемое устройство существенно превосходит прототип, поскольку сигнальный модулятор света возбуждения непосредствен-. но обрабатываемым сигналом, т.е.эффективность модулятора в смыслерабочих частот и полос используется в полной мере, а не частично, 5 что имеет место в прототипе, когдавходной сигнал подается на модулятор света в качестве амплитудноймодуляции дополнительной несущейчастоты. Расширение полосы час- Ю тот обрабатываемых радиосигналовведет, как известно, к улучшениютакой важной характеристики коррелятора, как его разрешение подлительности. По частотным свой" 35 ствам описанный коррелятор эквивалентен известным с пространст-.венным интегрированием. Однако в описываемом корреляторе невозможнообрабатывать радиосигналы с ампли тудной модуляцией, что может бытьреализовано в прототипе. Однако известно, что специфика работы радиопередающих устройств приводит к тому, что основное распространение, в И частности в радиолокации, нашли сложные радиосигналы с угловой модуляцией, имеющие прямоугольную огибающую.Таким образом, коррелятор обьединяет в себе основные достоинства Зб известных устройств корреляционнойобработки сигналов с временным ипространственным интегрированием,что делает его перспективным при решении радиолокационных задач.ректор Н. Корол итова едакт ноеа ССС Заказ 167 5 ал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,2 Тир ВНИИПЙ Госуд по делам 113035, Москва, Ж71 ст об 5,Подпис еииого комитет етеиий и открыти Раувская наб , д