RU1800531C

RU1800531C - Acoustooptic device for processing signals of array

Info

Publication number: RU1800531C
Application number: SU904788083A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Елисеев; Сергей Владиславович Грачев
Original assignee: Ленинградский Электротехнический Институт Им.В.И.Ульянова /Ленина/
Priority date: 1990-01-29
Filing date: 1990-01-29
Publication date: 1993-03-07

Abstract

Использование; радиотехника, акусто- оптрэлектроника, гидроакустические системы , Сущность изобретени : расположенные .на оптической оси и оптически последовательно св занные источник когерентного света, коллиматор, первый и второй акусто- оптические модул торы (АОМ), перва цилиндрическа линза (ЦЛ), диафрагма, втора , треть , четверта , п та , шеста и седьма ЦЛ и двумерный фотоприемник с накоплением, а также N амплитудных модул торов и генератор ЛЧМ-сигнала. Перва и треть ЦЛ ориентированы идентично, а втора ЦЛ развернута относительно них на 90&deg; вокруг оптической оси, Четверта , п та , шеста и седьма ЦЛ расположены между . первым и вторым АОМ, причем четверта и седьма ЦЛ развернуты на 90&deg; относительно п той .и шестой ЦЛ вокруг оптической оси. П та и шеста ЦЛ ориентированы идентично первой и второй ЦЛ, Второй АОМ выполнен одноканальным, Треть ЦЛ смещена вдоль оси, перпендикул рной плоскости расположени входов первого и второго АОМ. 1 ил. (Л СUsing; SUBSTANCE: invention relates to a coherent light source, a collimator, first and second acousto-optical modulators (AOM) located on the optical axis and optically sequentially connected, the first cylindrical lens (CL), the diaphragm, and the second , third, fourth, fifth, sixth and seventh CL and a two-dimensional accumulated photodetector, as well as N amplitude modulators and an LFM signal generator. The first and third CLs are oriented identically, and the second CL is rotated relative to them by 90 [deg.] around the optical axis, Fourth, fifth, sixth and seventh CL are located between. the first and second AOM, with the fourth and seventh CL deployed at 90 °; relative to the fifth and sixth CL around the optical axis. The fifth and sixth poles are oriented identically to the first and second poles, the second AOM is single-channel, the third poles are shifted along an axis perpendicular to the plane of the inputs of the first and second AOM. 1 ill. (L C

Description

Изобретение относитс к радиотехнике, а именно к акустооптоэлектронике, и может быть использовано в радиотехнических и гидроакустических системах.The invention relates to radio engineering, in particular to acousto-optoelectronics, and can be used in radio engineering and hydroacoustic systems.

Цель изобретени - одновременное определение угла прихода сигнала и его спектра с высоким разрешением.The aim of the invention is to simultaneously determine the angle of arrival of a signal and its spectrum with high resolution.

Поставленна цель достигаетс тем, что в известное акустооптическое устройство дл обработки сигналов АР, содержащее расположенные на оптической оси и оптически последовательно св занные источник когерентного света, коллиматор, первый АОМ, выполненный многоканальным с N пьезопреобразоаател ми, где N - число элементов антенной решетки, второй АОМ, первую цилиндрическую линзу, диафрагму, вторую и третью цилиндрические линзы, а также двумерный фотоприемник с накоплением , выход которого вл етс выходом устройства , причем перва и треть цилиндрические линзы ориентированы идентично друг другу относительно оптической оси, а втора цилиндрическа линза развернута вокруг оптической оси на 90° относительно первой и третьей цилиндриче- скихлинз, введены четверта , п та , шеста и седьма цилиндрические линзы, N амплитудных модул торов и генератор сигнала с линейной частотной модул цией (ЛЧМ-сиг00This goal is achieved by the fact that in a known acousto-optical device for signal processing AR, containing located on the optical axis and optically sequentially coupled to a coherent light source, a collimator, the first AOM, made multichannel with N piezoelectric transducers, where N is the number of elements of the antenna array, the second AOM, the first cylindrical lens, the diaphragm, the second and third cylindrical lenses, as well as a two-dimensional accumulated photodetector, the output of which is the output of the device, the first and third cylindrical lenses are oriented identically to each other with respect to the optical axis, and the second cylindrical lens is rotated around the optical axis by 90 ° relative to the first and third cylindrical lenses, the fourth, fifth, sixth and seventh cylindrical lenses, N amplitude modulators and a signal generator with linear frequency modulation (LFM-sig00

о о ел ыabout eating

ала), причем четверта , п та , шеста и едьма цилиндрические линзы расположеы последовательно на оптической оси межу первым и вторым АОМ, четверта и едьма цилиндрические линзы развернуты 5 на 90° вокруг оптической оси относительно п той и шестой цилиндрических линз, п та шеста цилиндрические линзы ориентированы относительно оптической оси идентично первой и третьей цилиндрическим Ю инзам, второй АОМ выполнен одноканаль- ным, а его пьезопреобразователь располоен идентично пьезопреобразовател м первого АОМ в одной плоскости, параллельной оптической оси, кроме того, треть ци- 15 линдрическа линза смещена вдоль оси, перпендикул рной плоскости расположени входов первого и второго АОМ, на рассто ние х0 fcp FH A /v, где fcp - средн частота в спектре ЛЧМ-сигнала, Рц - фокус- 20 ное рассто ние первой цилиндрической линзы. А-длина волны когерентного света, v - скорость распространени акустических волн в первом и втором АОМ, а размер третьей цилиндрической линзы вдоль этой 25 оси выбран равным Ах ДтУ Ри А /v, где Afn - ширина спектра ЛЧМ-сигнала, при этом, первые входы амплитудных модул торов вл ютс входами акустооптического устройства дл обработки сигналов АР, 30 вторые входы амплитудных модул торов соединены с выходами генератора ЛЧМ- сигнала и входом второго АОМ, а выходы амплитудных модул торов соединены с соответствующими входами первого АОМ. 35ala), and the fourth, fifth, sixth and seventh cylindrical lenses are arranged sequentially on the optical axis between the first and second AOM, the fourth and seventh cylindrical lenses are rotated 5 to 90 ° around the optical axis relative to the fifth and sixth cylindrical lenses, the fifth pole is cylindrical the lenses are oriented relative to the optical axis in the same way as the first and third cylindrical fittings, the second AOM is single-channel, and its piezoelectric transducer is identical to the piezoelectric transducers of the first AOM in the same plane, pair of the parallel optical axis, in addition, a third of the cylindrical lenses are displaced along the axis perpendicular to the plane of the inputs of the first and second AOM, by a distance of x0 fcp FH A / v, where fcp is the average frequency in the spectrum of the LFM signal, and Pc is focal length 20 of the first cylindrical lens. A is the wavelength of coherent light, v is the speed of propagation of acoustic waves in the first and second AOM, and the size of the third cylindrical lens along this 25 axis is chosen to be Ah DtU Pu A / v, where Afn is the width of the spectrum of the LFM signal, while the first the inputs of the amplitude modulators are inputs of an acousto-optical device for processing AP signals, 30 the second inputs of the amplitude modulators are connected to the outputs of the chirp signal generator and the input of the second AOM, and the outputs of the amplitude modulators are connected to the corresponding inputs of the first AOM. 35

Сущность предложенного технического решени заключаетс в том, что путем введени новых элементов: четырех цилиндрических линз, амплитудных модул торов и генератора ЛЧМ-сигнала, а также измене- 0 ни структуры и ориентации второго АОМ, взаимного разворота введенных линз, нового расположени третьей цилиндрической линзы, имеющей определенный размер вдоль одной из координат, и новых св зей 45 между элементами в устройстве осуществлено преобразование Фурье с пространственным интегрированием в направлении размещени каналов в первом АОМ (по координате Y) и преобразование Фурье с вре- 50 менным интегрированием в направлении распространени акустических волн в АОМ (по координате X), в результате чего одновременно определ етс угол прихода сигнала на АР и его спектр с высоким 55 разрешением. Авторам не известны технические решени , в которых бы одновременное определение угла прихода и спектра с высоким разрешением принимаемого АРThe essence of the proposed technical solution lies in the fact that by introducing new elements: four cylindrical lenses, amplitude modulators and a chirp signal generator, as well as changing the structure and orientation of the second AOM, the mutual rotation of the introduced lenses, and the new arrangement of the third cylindrical lens, having a certain size along one of the coordinates, and new connections 45 between elements in the device, the Fourier transform is implemented with spatial integration in the direction of the channels in the first AO (Coordinate Y) and the Fourier transform with the time integration mennym 50 in the direction of propagation of acoustic waves in AOM (coordinate X), whereby both the angle of arrival is determined by the signal at the AP and its spectrum 55 with high resolution. The authors are not aware of technical solutions in which the simultaneous determination of the angle of arrival and the high-resolution spectrum of the received AR

сигнала осуществл лось описанными выше средствами. Следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличи ми.the signal was carried out by the means described above. Therefore, the proposed technical solution has significant differences.

На чертеже представлена структурна схема предлагаемого акустооптического устройства .The drawing shows a structural diagram of the proposed acousto-optical device.

Предлагаемое акустооптическое устройство дл обработки сигналов АР (фиг. 1) содержит оптически св занные источник 1 когерентного света, например оптический квантовый генератор непрерывного действи , коллиматор 2, многоканальный АОМ 3 с N пьезопреобразовател ми 4. Далее следуют цилиндрические линзы 5 - 8, причем линзы 5 и 8 развернуты на 90° вокруг оптической оси устройства относительно линз 6 и 7. За линзой 8 расположен одноканальный АОМ 9, пьезопреобразователь 10 которого расположен идентично пьезопреобразовател м АОМ 3 в одной плоскости, параллельной оптической оси. В задней фокальной плоскости, расположенной за АОМ 3 цилиндрической линзы 11, наход тс диафрагма 12 и цилиндрическа линза 13. Линза 13 развернута на 90° вокруг оптической оси устройства относительно линзы 11, смещена вдоль оси, перпендикул рной плоскости расположени входов первого 3 и второго АОМ 9, на рассто ние х0 fcp Рц A /v, COOT- ветствующее расположению +1-го светового дифракционного пор дка после АОМ 3, и имеет размер вдоль этой оси Ах AtV Рцх хЯ/v. Далее расположены цилиндрическа линза 14 и двумерный фотоприемник 15 с накоплением, в качестве которого может быть использована матрица ПЗС. Кроме того устройство содержит N амплитудных модул торов 16, первые входы которых вл ютс входами устройства, на которые поступают сигналы от соответствующих элементов АР, а выходы соединены с соответствующими входами АОМ 3, и генератор ЛЧМ-сигнала, выход которого соединен со вторыми входами амплитудных модул торов 16 и со входом АОМ 9.The proposed acousto-optical device for processing AP signals (Fig. 1) contains optically coupled coherent light source 1, for example, a continuous optical quantum generator, a collimator 2, a multi-channel AOM 3 with N piezoelectric transducers 4. Next are cylindrical lenses 5-8, with lenses 5 and 8 are rotated 90 ° around the optical axis of the device relative to lenses 6 and 7. Behind the lens 8 is a single-channel AOM 9, the piezoelectric transducer 10 of which is identical to the piezoelectric transducers AOM 3 in the same plane, a pair allele optical axis. In the rear focal plane located behind the AOM 3 of the cylindrical lens 11, there are a diaphragm 12 and a cylindrical lens 13. The lens 13 is rotated 90 ° around the optical axis of the device relative to the lens 11, offset along the axis perpendicular to the plane of the inputs of the first 3 and second AOM 9, by a distance of x0 fcp Pc A / v, COOT corresponding to the location of the + 1st light diffraction order after AOM 3, and has a size along this axis Ax AtV Pcx xH / v. Next are a cylindrical lens 14 and a two-dimensional photodetector 15 with accumulation, which can be used as a CCD. In addition, the device contains N amplitude modulators 16, the first inputs of which are the inputs of the device to which signals from the corresponding elements of the AP arrive, and the outputs are connected to the corresponding inputs of AOM 3, and a chirp signal generator, the output of which is connected to the second inputs of the amplitude module tori 16 and with input AOM 9.

Устройство .работает следующим образом . Сигналы с элементов АР поступают на соответствующие входы амплитудных модул торов 16. На вторые входы модул торов 16 поступает ЛЧМ-сигнал с выхода генератора 17.,С выходов модул торов 16 ЛЧМ- сигналы, промодулированные по амплитуде сигналами с АР, поступают на пьезопреоб- разователи 4, которые преобразуют их в акустические волны в АОМ 3. ЛЧМ-сигнал с. выхода генератора 17 поступает одновременно на пьезопреобразователь10 и преобразуетс последним в акустические волны вThe device. Works as follows. The signals from the elements of the AR are fed to the corresponding inputs of the amplitude modulators 16. The second inputs of the modulators 16 receive the LFM signal from the output of the generator 17., From the outputs of the modulators 16, the LFM signals modulated in amplitude by the signals from the AR are fed to piezoelectric transducers 4, which convert them into acoustic waves in AOM 3. A chirp signal p. the output of the generator 17 simultaneously enters the piezoelectric transducer 10 and is converted by the latter into acoustic waves in

АОМ 9. Свет дифрагирует на акустических волнах в АОМ 3. Цилиндрические линзы 6 и 7 осуществл ют последовательно пр мое и обратное преобразование Фурье над световым распределением в выходной плоскости АОМ 3 в направлении распространени акустических волн в АОМ 3, а линзы 5 и 8 осуществл ют аналогичное преобразование в ортогональном направлении . В результате в плоскости АОМ 9 восстанавливаетс изображение АОМ 3. а формат светового пучка, падающего на апертуру АОМ 9, соответствует формату акустического пучка в звукопроводе АОМ 9. Ци- линдрическа линза 11 осуществл ет преобразование Фурье над световым распределением в. выходной плоскости АОМ 9 в направлении распространени акустических волн. Диафрагма 12 блокирует нулевой дифракционный пор док (непродифрэгиро- вавший свет), фокусирующийс на оптической оси устройства.AOM 9. The light is diffracted by acoustic waves in AOM 3. The cylindrical lenses 6 and 7 perform the direct and inverse Fourier transforms over the light distribution in the output plane of AOM 3 in the direction of propagation of acoustic waves in AOM 3, and lenses 5 and 8 carry out similar transformation in the orthogonal direction. As a result, the image of AOM 3 is reconstructed in the plane of AOM 9 and the format of the light beam incident on the aperture of AOM 9 corresponds to the format of the acoustic beam in the sound pipe AOM 9. The cylindrical lens 11 performs the Fourier transform on the light distribution in. output plane AOM 9 in the direction of propagation of acoustic waves. Aperture 12 blocks a zero diffraction order (non-diffracted light) focusing on the optical axis of the device.

Цилиндрическа линза 13 осуществл ет преобразование Фурье над световым полем +1-го дифракционного пор дка после АОМ 3 в направлении, перпендикул рном распространению акустических волн, то есть в направлении расположени каналов в АОМ 3. Цилиндрическа линза 14 восстанавливаете плоскости фотоприемника 15 плоскости АОМ 3 и АОМ 9. Фотоприемник 15 производит накопление зар да пропорционально интенсивности падающего на него светового пол , В результате накоплени на фотоприемнике 15 образуетс двумерное распределение зар да. Анализ работы устройства показывает, что полезна составл юща в распределении зар да представл ет собой пространственную несущую по оси X, промодулированную по амплитуде амплитудным спектром, а по фазе - фазовым спектром обрабатываемого сигнала . При этом положение максимума в распределении зар да по оси tj определ ет угол прихода сигнала на АР. В результате считывани распределение зар да преобразуетс в электрический сигнал на выходе фотоприемиика 15.The cylindrical lens 13 carries out the Fourier transform above the light field of the + 1st diffraction order after AOM 3 in the direction perpendicular to the propagation of acoustic waves, that is, in the direction of the arrangement of channels in AOM 3. The cylindrical lens 14 reconstructs the planes of the photodetector 15 of the plane of AOM 3 and AOM 9. The photodetector 15 produces a charge accumulation in proportion to the intensity of the light field incident on it. As a result of the accumulation on the photodetector 15, a two-dimensional charge distribution is formed. An analysis of the operation of the device shows that the useful component in the charge distribution is the spatial carrier along the X axis, modulated in amplitude by the amplitude spectrum, and in phase by the phase spectrum of the signal being processed. In this case, the position of the maximum in the charge distribution along the tj axis determines the angle of arrival of the signal at the AP. As a result of reading, the charge distribution is converted into an electrical signal at the output of the photodetector 15.

В предлагаемом устройстве линза 13 осуществл ет преобразование Фурье с пространственным интегрированием над световым полем на выходе АОМ 3 в направлении, перпендикул рном ориентации каналов в АОМ 3, что позвол ет опреде- лить угол прихода сигнала на АР. Одновременно на основе АОМ 3, АОМ 9, линз 6, 7, 11, 14, а также генератора ЛЧМ- сигнала 17 и амплитудных модул торов 16. в устройстве реализован анализ спектра принимаемого сигнала, что невозможноIn the proposed device, the lens 13 performs Fourier transform with spatial integration over the light field at the output of AOM 3 in the direction perpendicular to the orientation of the channels in AOM 3, which allows to determine the angle of arrival of the signal on the AP. At the same time, based on AOM 3, AOM 9, lenses 6, 7, 11, 14, as well as an LFM signal generator 17 and amplitude modulators 16. the device implements an analysis of the spectrum of the received signal, which is impossible

осуществить в устройстве-прототипе. Причем , в предлагаемом устройстве разрешение по частоте в спектре определ етс временем накоплени фотоприемника и мо- 5 жет достигать значений 10 Гц дл существующих фотоприемников типа ПЗС. Таким образом, разрешение по частоте в предлагаемом устройстве на 3 - 4 пор дка выше, чем в известных акустооптических устройст0 вах аналогичного назначени , в которых спектральный анализ примен емого АР сигнала осуществл етс методом пространственного интегрировани .implement in the prototype device. Moreover, in the proposed device, the frequency resolution in the spectrum is determined by the accumulation time of the photodetector and can reach 10 Hz for existing CCD type photodetectors. Thus, the frequency resolution in the proposed device is 3 to 4 orders of magnitude higher than in the known acousto-optical devices of a similar purpose, in which the spectral analysis of the applied AR signal is carried out by the spatial integration method.

Claims

The claims

5 An acousto-optical device for processing antenna array signals, comprising a coherent light source located on the optical axis and optically connected in series, a collimator,

0 the first acousto-optic modulator (AOM), made multichannel with N piezoelectric transducers, where N is the number of elements. antenna array, second AOM, first cylindrical lens, aperture, second and

5, a third cylindrical lenses, as well as a two-dimensional accumulated photodetector, the output of which is the output of the device, the first and third cylindrical lenses being identically oriented one other relative to the optical axis, and the second cylindrical lens rotated around the optical axis 90 ° relative to the first and third cylindrical lenses, which means that, in order to simultaneously determine the angle of arrival of the signal and its spectrum with high vacuum, a fourth, fifth, sixth and seventh cyl -cylindrical lens, N amplitude modulators and a signal generator

0 linear frequency modulation (LFM signal), with the fourth, fifth, sixth and seventh cylindrical lenses located sequentially on the optical axis between the first and second AOM, fourth and seventh

5 cylindrical lenses are rotated 90 ° around the optical axis relative to the fifth and sixth cylindrical lenses, the fifth and sixth cylindrical lenses are oriented

relative to the optical axis is identical

0 of the first and third cylindrical lenses, the second AOM is made single-channel, and its piezoelectric transducer is identical to the piezoelectric transducers of the first AOM in the common plane, the inputs of the first and second AOM are located in the same plane parallel to the optical axis, in addition, the third cylindrical lens is shifted along axis perpendicular to the plane of the inputs of the first and second AWP, at a distance of x0 fcp Fn A / v,

where fcp is the average frequency in the spectrum of the chirp signal; Rc is the focal length of the first cylindrical lens; A is the wavelength of coherent light; v is the propagation velocity of acoustic waves in the first and second AOM, and the size of the third cylindrical lens along this axis is chosen to be Dx - AtV Pc L / y, where Affl is the width of the spectrum of the LFM signal, with the first inputs

amplitude modulators are inputs of an acousto-optical device for processing antenna array signals, the second inputs of the amplitude modulators are connected to the output of the chirp signal generator and to the input of the second AOM, and the outputs of the amplitude modulators are connected to the corresponding inputs of the first AOM.