CN215181276U - 实现短时傅里叶变换的光学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实现短时傅里叶变换的光学装置，包括激光器、针孔滤波器、准直透镜、分束立方体、空间光调制器一、空间光调制器二和电荷耦合元件，所述激光器发出激光，其输出端一侧设置针孔滤波器，所述针孔滤波器的另一侧设有准直透镜，所述准直透镜的出射端一侧设有分束立方体，所述分束立方体另外两侧分别设有空间光调制器一、空间光调制器二，所述空间光调制器二的输出端设有电荷耦合元件。本实用新型以空间光调制器为核心器件，将一维信号预处理后，通过上述器件的配合实现对一维信号的短时傅里叶变换光学实现，从而能以光速来实现对信号的时频分析，对信号的处理容量增大，速度更快。

Description

实现短时傅里叶变换的光学装置

技术领域

本实用新型涉及一种光学装置，具体是一种实现短时傅里叶变换的光学装置。

背景技术

空间光调制器主要由许多独立单元构成，这些单元在空间分布成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地被光信号或电信号控制，并且按照调制信号改变自身的光学特性，从而对照在其上的光波进行调制。

对非平稳信号的分析通常使用短时傅里叶变换来实现，可以分析出信号在不同时间的频谱特性。在现有的傅里叶光学技术中，傅里叶变换的光学实现多基于光学透镜的傅里叶效应。其中二维傅里叶变换可通过球面透镜实现，一维傅里叶变换可通过柱面透镜实现。如图5所示，是现有的球面透镜实现二维傅里叶变换的光学系统，但是图5所示的现有光学系统处理一维信号的傅里叶变换，无法表征某一时刻的信号频谱特性。同时上述系统中所采用的光学透镜的加工困难，可靠性低，同时会产生相差，色差等影响。

在现代数字信号处理的数据规模越来越大的情况下，对信号处理时间要求越来越快，传统的基于半导体器件的数字处理方式和处理装置已经难以满足这些条件，因此需要找到一种新的处理途径。

因此，需要研究一种实现短时傅里叶变换的光学装置，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种实现短时傅里叶变换的光学装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种实现短时傅里叶变换的光学装置，包括激光器、针孔滤波器、准直透镜、分束立方体、空间光调制器一、空间光调制器二和电荷耦合元件，所述激光器发出激光，其输出端一侧设置针孔滤波器，所述针孔滤波器的另一侧设有准直透镜，所述准直透镜的出射端一侧设有分束立方体，所述分束立方体另外两侧分别设有空间光调制器一、空间光调制器二，所述空间光调制器二的输出端设有电荷耦合元件。

作为本实用新型进一步的方案：所述空间光调制器一与空间光调制器二位于分束立方体相邻的两侧，其中所述空间光调制器一与所述空间光调制器二两者的中心线之间夹角为90度。

作为本实用新型进一步的方案：所述激光器、针孔滤波器、准直透镜、分束立方体、空间光调制器一的中心位于同一水平线上，并按照激光器、针孔滤波器、准直透镜、分束立方体、空间光调制器一的先后顺序依次间隔排列。

作为本实用新型进一步的方案：所述分束立方体、空间光调制器二和电荷耦合元件的中心位于同一水平线上，并按照分束立方体、空间光调制器二和电荷耦合元件的先后顺序依次间隔排列。

作为本实用新型进一步的方案：所述空间光调制器二在X方向的焦距为f,所述空间光调制器二在Y方向的焦距为f/。所述针孔滤波器与所述准直透镜两者中心的水平间距为f。所述空间光调制器一与空间光调制器二两者水平垂直距离之和为f。所述空间光调制器二与所述电荷耦合元件两者的中心之间的垂直距离为f。

作为本实用新型进一步的方案：还包括PC端，所述PC端连接所述电荷耦合元件以及空间光调制器一。

作为本实用新型另一个方案：上述装置中的空间光调制器二可以替换为X,Y方向焦距不同的光学透镜，满足实际系统中对X方向聚焦，对Y方向成像即可。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型以空间光调制器为核心器件，所采用的光学透镜的加工容易，可靠性高；将一维信号预处理后，通过上述器件的配合，能实现对一维信号的短时傅里叶变换光学实现，从而能光速来实现对信号的时频分析，对信号的处理容量增大，速度更快。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中实现短时傅里叶变换的光学装置的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例中实现短时傅里叶变换的光学装置工作原理图。

图3为图2所示的实现短时傅里叶变换的光学装置中初始一维信号示意图。

图4为图2所示的实现短时傅里叶变换的光学装置中在时域加窗采样后的二维矩阵的示意图；

图5为现有的球面透镜实现二维傅里叶变换的光学系统示意图；

图中：1、激光器；2、针孔滤波器；3、准直透镜；4、分束立方体；5、空间光调制器一；6、PC端一；7、空间光调制器二；8、电荷耦合元件；9、PC端二。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。以下实施例中没有详细说明的部分，均可以采用现有技术实现。

如图5所示，为现有的球面透镜实现二维傅里叶变换的光学系统示意图；该图中，由傅里叶光学知识可知，带有物体信息的平面波在经过距离f的球面透镜后，实现了一次傅里叶变换，在透镜另一侧距离f的焦平面上，形成物像的全部空间频谱信息。携带频谱信息的光波经过距离f的透镜后，又实现一次傅里叶变换，在焦平面处得到原始图像信息。一维傅里叶变换使用的光学透镜为柱面透镜，它能在x方向上对信号进行傅里叶变换，而在y方向实现成像。但是图5所示的现有光学系统处理一维信号的傅里叶变换，无法表征某一时刻的信号频谱特性。同时上述系统中所采用的光学透镜的加工困难，可靠性低，同时会产生相差，色差等影响。

请参阅图1所示，为本实用新型一较优实施例的光学装置结构示意图，该实施例中的实现短时傅里叶变换的光学装置，包括激光器1、针孔滤波器2、准直透镜3、分束立方体4、空间光调制器一5、PC端一6、空间光调制器二7、电荷耦合元件8、PC端二9，其中，激光器1发出激光，其输出端一侧设置针孔滤波器2，针孔滤波器2的另一侧设有准直透镜3，准直透镜3的出射端一侧设有分束立方体4，分束立方体4另外两侧分别设有空间光调制器一5、空间光调制器二7，空间光调制器二7的输出端连接电荷耦合元件8的输入端，电荷耦合元件8输出端连接到有PC端二9。PC端一6的输入端连接空间光调制器一5的输出端。

参照图1所示，空间光调制器一5与空间光调制器二7位于分束立方体4相邻的两侧，其中空间光调制器一5与空间光调制器二7两者的中心线之间夹角为90度。同时，激光器1、针孔滤波器2、准直透镜3、分束立方体4、空间光调制器一5的中心位于同一水平线上，并按照激光器1、针孔滤波器2、准直透镜3、分束立方体4、空间光调制器一5的先后顺序依次间隔排列。并且，分束立方体4、空间光调制器二7和电荷耦合元件8的中心位于同一水平线上，并按照分束立方体4、空间光调制器二7和电荷耦合元件8的先后顺序依次间隔排列。

参照图1所示，空间光调制器二7在X方向的焦距为f,空间光调制器二7在Y方向的焦距为f/2。针孔滤波器2与准直透镜3两者中心的水平间距为f。空间光调制器一5与空间光调制器二7两者水平竖直距离之和为f。空间光调制器二7与电荷耦合元件8两者之间的竖直距离为f。

本实用新型上书实施例中，激光器1发出的激光，先通过针孔滤波器2消除高频部分，使光斑变得更加均匀。然后通过准直透镜3完成准直扩束。激光扩束成均匀的平行光束后通过分束立方体4，投射到空间光调制器一5上与PC端一6加窗采样后得到的二维矩阵信号进行调制，完成信号的加载。加载后的信号经过空间光调制器二7后，实现在行方向上的傅里叶变换，列方向直接成像，最后将时频谱图显示在电荷耦合元件阵列上。

上述实施例中，空间光调制器，是一种能在主动控制下，通过液晶分子调制光场的某个参量的器件。空间光调制器主要由许多独立单元构成，这些单元在空间分布成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地被光信号或电信号控制，并且按照调制信号改变自身的光学特性，从而对照在其上的光波进行调制。在上述实施例中，采用的空间光调制器SLM分辨率固定为2160*3840，因此若需要提高时间分辨率减小窗长时，则需要将每次截取的信号点数补0至3840点。当然，在其他实施例中也可以采用其他分辨率的空间光调制器。

上述实施例中，短时傅里叶变换是和傅里叶变换相关的一种数学变换，用以确定时变信号其局部区域正弦波的频率与相位。本实施例通过上述的光学器件来配合完成该变换。

上述实施例中，电荷耦合元件是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。

另外，实现短时傅里叶变换的光学装置中空间光调制器二7，在其他实施例中也可以采用柱面透镜来代替，其他实现特征相同，在此不再赘述。

参照图2-4所示，图中SLM1、SLM2代表距离空间光调制器一5、空间光调制器二7。上述实施例的具体原理：将初始的一维信号加窗采样，窗长为N，每次采样的局部信号作为矩阵的一行，依次排列得到一个M×N的二维矩阵，M为所取得不同时间点数。将该矩阵加载到空间光调制器一5上，完成信号的激光加载。在距离空间光调制器一5为f处的空间光调制器二7(也可以是柱面透镜),所加载的空间光调制器二7(也可以是X,Y方向焦距不同的透镜)在X方向的焦距为f,在Y方向的焦距为f/2。由傅里叶光学原理可知，该二维矩阵在将在各行上做一维傅里叶变换，等效为原始信号加窗后做傅里叶变换，在列方向上保持不变，即等大成像。在空间光调制器二7(也可以是X,Y方向焦距不同的透镜)的焦平面处使用电荷耦合元件8接收，从而可以分析不同时间的信号频谱。

本实用新型基于空间光调制器，实现一维信号STFT的光学处理，能够以光速进行傅里叶变换，处理速度大大加快，处理容量也大大增加，充分利用了光学器件的运算能力。同时还可以利用空间光调制器的可编程性，解决了实体透镜焦距固定的问题，能够灵活处理不同规模数据。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现短时傅里叶变换的光学装置，其特征在于，包括激光器(1)、针孔滤波器(2)、准直透镜(3)、分束立方体(4)、空间光调制器一(5)、空间光调制器二(7)和电荷耦合元件(8)，所述激光器(1)发出激光，其输出端一侧设置针孔滤波器(2)，所述针孔滤波器(2)的另一侧设有准直透镜(3)，所述准直透镜(3)的出射端一侧设有分束立方体(4)，所述分束立方体(4)另外两侧分别设有空间光调制器一(5)、空间光调制器二(7)，所述空间光调制器二(7)的输出端设有电荷耦合元件(8)。

2.根据权利要求1所述的一种实现短时傅里叶变换的光学装置，其特征在于，所述空间光调制器一(5)与空间光调制器二(7)位于分束立方体(4)相邻的两侧，其中所述空间光调制器一(5)与所述空间光调制器二(7)两者的中心线之间夹角为90度。

3.根据权利要求2所述的一种实现短时傅里叶变换的光学装置，其特征在于，所述激光器(1)、针孔滤波器(2)、准直透镜(3)、分束立方体(4)、空间光调制器一(5)的中心位于同一水平线上，并按照激光器(1)、针孔滤波器(2)、准直透镜(3)、分束立方体(4)、空间光调制器一(5)的先后顺序依次间隔排列。

4.根据权利要求3所述的一种实现短时傅里叶变换的光学装置，其特征在于，所述分束立方体(4)、空间光调制器二(7)和电荷耦合元件(8)的中心位于同一水平线上，并按照分束立方体(4)、空间光调制器二(7)和电荷耦合元件(8)的先后顺序依次间隔排列。

5.根据权利要求1所述的一种实现短时傅里叶变换的光学装置，其特征在于，所述空间光调制器二(7)在X方向的焦距为f,所述空间光调制器二(7)在Y方向的焦距为f/2。

6.根据权利要求5所述的一种实现短时傅里叶变换的光学装置，其特征在于，所述针孔滤波器(2)与所述准直透镜(3)两者中心的水平间距为f。

7.根据权利要求5所述的一种实现短时傅里叶变换的光学装置，其特征在于，所述空间光调制器一(5)与空间光调制器二(7)两者水平垂直距离之和为f。

8.根据权利要求5所述的一种实现短时傅里叶变换的光学装置，其特征在于，所述空间光调制器二(7)与所述电荷耦合元件(8)两者之间的垂直距离为f。

9.根据权利要求1所述的一种实现短时傅里叶变换的光学装置，其特征在于，还包括PC端，所述PC端连接所述电荷耦合元件(8)以及空间光调制器一(5)。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种实现短时傅里叶变换的光学装置，其特征在于，所述空间光调制器二(7)替换为X,Y方向上焦距不同的光学透镜。

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