CN104808057B - 一种基于异步探测的声光实时信号分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于异步探测的声光实时信号分析仪，包括激光器、光束整形装置、声光偏转器、功率适配器、傅氏透镜、AER异步线阵图像传感器和数据处理模块；AER异步线阵图像传感器的输出接数据处理模块；声光偏转器输出的各条衍射光束通过傅氏透镜完成空间傅立叶变换，并入射到AER异步线阵图像传感器的像素上；数据处理模块对AER异步线阵图像传感器输出的各像素的空间位置及该像素所感应光电流的大小进行运算处理，转换成被测信号相应的时频域参数并进行存储显示。本发明兼具大带宽、高灵敏度和大动态性能。时间精度高，有效实现瞬态信号监测；从根本上解决了数据冗余问题；能实时处理并行信号，对不同种类信号适应能力强。

Description

一种基于异步探测的声光实时信号分析仪

技术领域

本发明涉及信号时频分析技术，具体涉及一种基于异步探测的声光实时信号分析仪，属于光电技术领域。

背景技术

随着科技进步，人们需要探知的信号从稳定、有规律、可以预知向着无法预知、瞬变和越来越复杂的方向发展。在现代信号处理方法中，时间和频率是描述信号的最重要的两个物理量，并且信号的时域和频域之间具有紧密的联系。将一维的时间信号映射到一个二维的时频平面，在时频域全面详细地描述、观察信号的时频分析法近来受到越来越广泛的运用。传统的扫频式（超外差式）频谱分析仪以一定步长扫描整个频段，由于扫描整个频段需要一段时间，通常会漏掉在当前扫描频段之外发生的重要瞬态事件。对于瞬态信号来说，必须具备实时捕获能力，即能在所关心的频段内一次性地捕获所有信号。目前在数字技术领域是利用短时傅立叶变换、Winger-Ville分布以及小波变换等算法理论进行瞬态信号的分析，但其都有一个共同的缺点：缺乏自适应性，对于不规则的信号很容易导致假频现象。另外，由于数字采样速率和数据处理容量的限制，纯数字式的瞬态信号分析仪在检测信号时无法兼顾大带宽和高动态性能。

声光频谱分析仪，是利用声光互作用原理对信号频谱成分进行分析识别的。传统技术在其光电转换环节采用基于同步扫描读出的帧模式光电检测器，信号输出时在像素上至少有一个帧周期的积分时间，所以测得信号的时间精度很差。例如，2006年6月出版的《压电与声光》（第28卷 第3期 P_269～271）公开的“基于Bragg衍射的声光频谱分析仪”提出了利用Bragg声光器件对电磁频谱进行快速检测的技术方案。但是，这种声光频谱分析仪在光电转换环节采用的是读取速度很慢的电荷耦合器件（CCD），其逐个像素地输出经过一段时间积累后的信号，只能检测到这段时间存在什么频率而不能指明这些频率存在的具体时刻，即不能表达瞬时频率，存在时间分辨上的模糊。

目前日益复杂的电磁信号环境迫切需要具有瞬时大带宽、高动态，可以实现真正意义上的时间-频率分析的信号处理系统，同时这也就意味着采用数字分析技术会产生巨大的输出数据量，产生较高的传输功耗，增加对信道数量、存储器以及运算处理系统的要求，而这些要求对目前的器件水平来说基本是不可行的。所以需要寻求新的技术途径来解决目前对复杂信号进行实时分析处理的难题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种兼具大带宽、高灵敏度和大动态性能、能有效实现瞬态信号监测、且能实时处理并行信号的基于异步探测的声光实时信号分析仪。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于异步探测的声光实时信号分析仪，包括激光器、光束整形装置、声光偏转器、功率适配器、傅氏透镜、 AER异步线阵图像传感器和数据处理模块；其中激光器、光束整形装置、声光偏转器和傅氏透镜顺次设置在同一光轴上建立光路系统，所述AER异步线阵图像传感器设置在傅氏透镜的聚焦平面上，AER异步线阵图像传感器的输出接数据处理模块；光束整形装置用于将激光器产生的光束整形为扁平光束以与声光偏转器的有效通光孔径相匹配并入射到声光偏转器的光窗上，所述功率适配器用于将被测电信号s(t) 幅度变化范围调整到与声光偏转器的最佳驱动功率范围相匹配并输出给声光偏转器；声光偏转器输出的各条衍射光束通过傅氏透镜完成空间傅立叶变换，并入射到AER异步线阵图像传感器的像素上进行光信号采集和转换；数据处理模块对AER异步线阵图像传感器输出的各像素的空间位置及该像素所感应光电流的大小进行运算处理，转换成被测信号相应的时频域参数并进行存储显示。

所述AER异步线阵图像传感器的像素结构包括依次连接的光电流对数转换单元、变化差值放大单元和逻辑判断单元；其中逻辑判断单元包括两个电压比较器，通过对前级信号同时进行两次比较判断光强是否变化以及发生变化的属性，两个比较器的阈值电压设定为一正一负，以区别光强变化是增大还是减弱。

本发明利用高频宽带声光偏转器实现大带宽高动态信号监测识别，再利用 AER异步线阵图像传感器对频点信道进行异步探测瞬时响应输出，真正实现复杂信号的实时频谱分析。AER异步线阵图像传感器是一种拥有异步事件响应的传感器，其实时判断所监控区域光强的变化，并将发生变化像素的“事件”和“地址”立即输出，无变化的像素则无任何输出。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、兼具大带宽、高灵敏度和大动态性能。

2、时间精度高，有效实现瞬态信号监测。

3、从根本上解决了数据冗余问题。

4、能实时处理并行信号，对不同种类信号适应能力强。

附图说明

图1-本发明基于异步探测的声光实时信号分析仪结构示意图。

图2-本发明声光偏转器输出衍射光信号时域变化规律示意图。

图3-本发明AER异步线阵图像传感器的像素结构示意图。

图4-本发明用脉冲来表示像素光强变化信息的信号转换示意图。

具体实施方式

参见图1，从图上可以看出，本发明包括激光器1、光束整形装置2、声光偏转器3、功率适配器4、傅氏透镜5、 AER异步线阵图像传感器6和数据处理模块7。上述中，光学部件激光器1、光束整形装置2、声光偏转器3、傅氏透镜5、AER异步线阵图像传感器6顺次设置在同一光轴上建立光路系统。将被测电信号s(t)先输入功率适配器4，以调整其幅度变化范围与声光偏转器3的最佳驱动功率范围相匹配。激光器1产生的光束经光束整形装置2后变成扁平光束（匹配声光偏转器3的有效通光孔径）入射到声光偏转器3的光窗上，从通光孔穿越声光偏转器3。此时，根据声光偏转器的工作原理，该光束将随声光偏转器3驱动信号中所含频率成分产生一一对应偏转角度的衍射光束。各条衍射光束通过傅氏透镜5（傅立叶透镜）完成空间傅立叶变换，并入射到AER异步线阵图像传感器6的像素上进行光信号采集和转换。AER异步线阵图像传感器6设置在傅氏透镜5的聚焦平面上，根据声光频谱分析仪的工作原理，通过检测AER异步线阵图像传感器6上各光点的空间位置（像素“地址”）便可以获得此时被测信号的频率成分，检测该像素所感应光电流的大小（像素“事件”）便可以获知信号中各频率成分的强弱，从而实现信号的实时频谱分析。数据处理模块7对AER异步线阵图像传感器6输出的“事件”和“地址”码进行运算处理，转换成被测信号相应的时频域参数并进行存储显示等。

本发明在光电转换环节的信号读取方式上创新性地采用了基于AER（Address-event Representation，地址-事件表达）技术的异步事件响应传输模式。其特点在于设计光检器件根据光照信息的变化自主进行异步响应实时输出，以对被测信号实现高速处理，由此也可避免因采用同步帧扫描读取方式输出大量无用数据所造成的信息冗余。特别是针对稀疏瞬变信号的检测，异步事件响应传输模式具有非常显著的优势。系统的光检器件采用AER异步线阵图像传感器，其将每个像素产生的“事件”与一个高速传输总线连接，当该像素被选中后通过总线对数据处理模块产生一个请求信号，数据处理模块接收到请求后，通过总线将像素的“事件”和“地址”码读出，随后处理电路产生一个确认脉冲信号返回到像素阵列表示完成一次数据传输。当声光偏转器响应到被测信号并将频谱信息转换成AER异步线阵图像传感器上的光点位置和强度信息时，光点照射到的像素，被立即判定为有“事件”发生并输出该像素所感应的光强和地址数据，无光点照射的像素则被判定为无“事件”发生，不输出任何数据。若信号中含有多个频率成分，多个像素会同时被光点照射到并判定为有“事件”发生，此时采取由仲裁电路进行判决依次排序输出的方式，并可在后续数据处理模块中进行时间延迟修正，保证信号还原的时间精度。

不可避免的是，由于声波在晶体中传播速度的影响，声光偏转器处理信号时会存在一段渡越时间（其长短还受制于系统工作频率范围和频率分辨率指标，一般为us量级）。所以，输出衍射光信号的时域波形相对于输入电信号波形会有一定程度的失真，但其具有很好时间规律性。如图2所示：当一个幅度不变，持续时间为τ的单频信号（如图2上图所示）经过渡越时间为T的声光偏转器，进行声光互作用后，如果τ＜T，由该频点对应偏转的衍射光强随时间变化波形如图2（a）下图所示；如果τ＞T，由该频点对应偏转的衍射光强随时间变化波形如图2（b）下图所示。

显然，上述两种情况的输出光信号波形都具有很好的时间渐变性和对称性，与输入电信号的时间参数对应关系也很明确。所以通过检测衍射光信号的上升、平稳和下降特征参数，不难还原被测信号的实际时域参数。由此声光偏转器渡越时间的存在不会对声光信号分析系统的高速检测能力造成影响。

另一方面，由于声光偏转器渡越时间的存在，突变信号都被赋予了时间渐变特性，那么通过检测信号的渐变时刻和速度就可以准确得知该信号存在的时间及幅度大小。即可直接利用AER异步线阵图像传感器判定有无“事件”的脉冲产生时刻和产生频率来传递信号时域参数，不再需要输出像素感应的实际光电流值。此种通过时间参数来表示光强大小的方式，不仅使光检器件的数据输出更加快速简洁，其检测动态范围也不再受光检器件电源电压的限制。在设计AER异步线阵图像传感器中有无“事件”的逻辑判断时采用像素级的两个电压比较器，通过对前级信号同时进行两次比较判断光强是否变化以及发生变化的属性。两个比较器的阈值电压设定为一正一负，以区别光强变化是增大还是减弱。由此，“事件”的产生频率取决于逻辑判断级的比较器所设定的阈值电压和输入信号的大小。当根据所需检测信号灵敏度把阈值电压设定后，就可以利用信号上升沿的“事件”产生频率（两个“事件”脉冲间的时间间隔长短）进行幅度值换算。

本发明所采用的AER异步线阵图像传感器的像素结构如图3所示（由于异步像素的特殊性，其光电转换部分与比较判断部分密不可分，所以文中都归入像素结构进行设计说明）。该像素主要分为三级，分别是：（1）光电流对数转换级；（2）变化差值放大级；（3）逻辑判断级。光电流对数转换级的功能是将输入光电流转化为电压输出，以便后续逻辑处理。采用对数转换结构是为了在有限的Vp变动范围内满足尽量宽范围的光电流输入。本级中还加入反相放大器作为反馈结构，提高电路响应速度和带宽。变化差值放大级的作用是将输入电压Vp的波动进行放大并输出，采用开关电容放大器。复位开关Reset的闭合与否由后续的逻辑判断级进行控制。在复位开关闭合时，该级的输入虚地并与输出相连，使得输出为0；在复位开关断开后，该级所实现的功能是将输入电压Vp的波动放大-(C1/C2)倍。这样，通过控制复位开关的开闭，就完成了一次对输入信号变化值的采样和放大。逻辑判断级由两个比较器构成，通过对前级信号同时进行两次比较从而判断光强是否变化以及发生变化的属性。两个比较器的阈值电压设定为一正一负，以区别光强变化是增大还是减弱。若Vdiff的变化量达到了所设定的正阈值，则ON Event比较器输出一个脉冲，即产生一个“ON事件”；而若Vdiff的变化量达到了所设定的负阈值，则OFF Event比较器输出一个脉冲，即产生一个“OFF事件”。事件的产生频率取决于逻辑判断级的比较器所设定的阈值电压。若阈值电压设定比较小，则事件产生频率较高；反之，则事件频率较低。

异步像素工作流程如下：像素探测到光强信号变化→Iph变化→Vp变化→Vdiff变化→产生“ON/OFF事件”→像素内部的AER通信单元发出请求信号（req）到数据处理模块的仲裁单元→收到确认信号（ack）后对变化差值放大级的开关电容放大器进行复位（当需要直接读取光强值时，可在此时闭合光电流对数转换级后的Output输出开关进行一次Vp的采样输出）。具体信号流程示意图如图4所示。其中图4（a）表示输入的光电流信号，即像素光敏元所感应的随时间变化的光强信息。图4（b）表示变化差值放大级输出信号Vdiff，即光强变化差值信息。该点电压每次复位至一个稳定值，在探测过程中当电压向上或向下变化达到某一阈值时，就会由后续的逻辑判断电路产生输出脉冲并复位。图4（c）表示逻辑判断级输出的“ON 事件”脉冲，即传送光强增大信息；图4（d）表示逻辑判断级输出的“OFF事件”脉冲，即传送光强减弱信息。显然，事件脉冲产生的时间与光强相对变化的速度有关，当光强的相对变化比较大时，输出脉冲的时间间隔短，当光强的相对变化比较小时，输出脉冲的时间间隔长。从而实现了光强的测量。由此，跟踪检测输出“事件”脉冲的像素地址、起止时刻、间距和个数并对应转换成信号的频率、时间、幅度参数就完成了信号的实时分析。

基于异步探测的声光实时信号分析仪，充分利用目前高速发展的声光测频技术和光电传感技术，并创新性地采用时间域的AER异步探测传输模式，开辟了宽开搜索信号并高精度实时分析处理信号的有效途径。解决了目前信号时频分析技术难以兼顾的大带宽、高灵敏度、大动态和实时性等综合性能要求，可广泛应用于军事侦察、工业监测和科研探索等领域。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种基于异步探测的声光实时信号分析仪，其特征在于：包括激光器、光束整形装置、声光偏转器、功率适配器、傅氏透镜、 AER异步线阵图像传感器和数据处理模块；其中激光器、光束整形装置、声光偏转器和傅氏透镜顺次设置在同一光轴上建立光路系统，所述AER异步线阵图像传感器设置在傅氏透镜的聚焦平面上，AER异步线阵图像传感器的输出接数据处理模块；光束整形装置用于将激光器产生的光束整形为扁平光束以与声光偏转器的有效通光孔径相匹配并入射到声光偏转器的光窗上，所述功率适配器用于将被测电信号s(t) 幅度变化范围调整到与声光偏转器的最佳驱动功率范围相匹配并输出给声光偏转器；声光偏转器输出的各条衍射光束通过傅氏透镜完成空间傅立叶变换，并入射到AER异步线阵图像传感器的像素上进行光信号采集和转换；数据处理模块对AER异步线阵图像传感器输出的各像素的空间位置及该像素所感应光电流的大小进行运算处理，转换成与被测信号相应的时频域参数并进行存储显示；

所述AER异步线阵图像传感器的像素结构包括依次连接的光电流对数转换单元、变化差值放大单元和逻辑判断单元；其中逻辑判断单元包括两个电压比较器，通过对前级信号同时进行两次比较以判断光强是否变化以及发生变化的属性，两个比较器的阈值电压设定为一正一负，以区别光强变化是增大还是减弱。