RU1837332C - Acousto-optic spectrum analyzer with integration in time - Google Patents

Acousto-optic spectrum analyzer with integration in time

Info

Publication number
RU1837332C
RU1837332C SU904838035A SU4838035A RU1837332C RU 1837332 C RU1837332 C RU 1837332C SU 904838035 A SU904838035 A SU 904838035A SU 4838035 A SU4838035 A SU 4838035A RU 1837332 C RU1837332 C RU 1837332C
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
acousto
optical
modulator
spectrum analyzer
time
Prior art date
Application number
SU904838035A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Всеволод Юрьевич Петрунькин
Николай Алексеевич Бухарин
Михаил Георгиевич Высоцкий
Владимир Паулович Каасик
Original Assignee
Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина filed Critical Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина
Priority to SU904838035A priority Critical patent/RU1837332C/en
Application granted granted Critical
Publication of RU1837332C publication Critical patent/RU1837332C/en

Links

Landscapes

  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

Изобретение относитс  к области оптической обработки информации и может найти применение в радиотехнических измерени х. Спектроанализатор содержит источник когерентного света, коллиматор, акустооптические модул торы, проекционные объективы, диафрагму, оптический транспарант, матричный Фотоприемник на приборах с зар довой св зью, оптический трансформатор изображени , состо щий из.двух софокусных сферических объективов. 1 ил.The invention relates to the field of optical information processing and may find application in radio engineering measurements. The spectrum analyzer contains a coherent light source, a collimator, acousto-optic modulators, projection lenses, aperture, an optical transparency, a matrix photodetector on charge-coupled devices, an optical image transformer consisting of two confocal spherical lenses. 1 ill.

Description

Изобретение относитс  к области оптической обработки информации и может найти применение в радиотехнических лзмерени х, в радиолокации дл  формировани  функции неопределенности радио- ;игналов в реальном масштабе времени.The invention relates to the field of optical information processing and may find application in radio engineering measurements, in radar to form a function of the uncertainty of radio signals in real time.

Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей за счет формировани  функции неопределенности.An object of the invention is to expand functionality by creating an uncertainty function.

На чертеже представлена структурна  ;хема устройства.The drawing shows a structural; circuit diagram of the device.

Устройство содержит источник когерен- .,. гного света 1, коллиматор 2, первый акусто- эптический модул тор 3, оптический трансформатор изображений 4, второй аку- жюптический модул тор 5, первый проек- дионный объектив 6, диафрагму 7, второй троекционный объектив 8, оптический транспарант 9, матричный фотоприемник ча приборах с зар довой св зью 10.The device contains a source of coherence.,. a lot of light 1, collimator 2, the first acousto-epic modulator 3, the optical image transformer 4, the second acoustical modulator 5, the first projection lens 6, the aperture 7, the second three-way lens 8, the optical transparency 9, the photo sensor charge-coupled devices 10.

Устройство работает следующим образом . На электрический вход первого акусто- эптического- модул тора поступает эадиосигналThe device operates as follows. An electronic signal is received at the electrical input of the first acousto-epic-modulator

Ui(,t)bi(t))i(t)) vn,Ui (, t) bi (t)) i (t)) vn,

(1) где bi(t), v , (p (t) -- значени  амплитуды.(1) where bi (t), v, (p (t) are the amplitude values.

частоты и фазы сигнала соответственно,frequency and phase of the signal, respectively,

t - врем ,t is the time

, - коэффициент изменени  временного масштаба сигнала., is the coefficient of change in the time scale of the signal.

Коэффициент пропускани  первого АОМ при наличии в нем сигнала равен величинеThe transmittance of the first AOM in the presence of a signal in it is equal to

11

ti(x,t)1+i(Ј)Ki Ui(/fi,ti (x, t) 1 + i (Ј) Ki Ui (/ fi,

x (, t- rX7),x (, t- rX7),

t 1t 1

VV

$4|ФК1 Ui- (2)$ 4 | FC1 Ui- (2)

где х-координата вдоль направлени  распространени  ультразвука,where is the x-coordinate along the direction of ultrasound propagation,

V - скорость распространени  ультразвука ,V is the speed of propagation of ultrasound,

1 - коэффициент пропорциональности.1 - proportionality coefficient.

Модул тор освещаетс  пучком когерентного света с плоским фазовым фронтом, параллельным плоскости модул тора, и равномерным распределением интенсивности, который излучаетс  лазером (1} и рзсшир C/The modulator is illuminated by a beam of coherent light with a flat phase front parallel to the plane of the modulator and a uniform intensity distribution that is emitted by the laser (1} and the wide C /

СWITH

iooioo

00 I00 I

CO COCO CO

ЮYU

етс  коллиматором (2), световое поле за первым АОМ равноwith a collimator (2), the light field behind the first AOM is

Ei-Eoti(x,t),(3)Ei-Eoti (x, t), (3)

где Ео - амплитуда падающего света.where Eo is the amplitude of the incident light.

Изображение первого АОМ проецируетс  на второй АОМ (5) с изменением масштаба , которое осуществл етс  с помощью оптического трансформатора (4). Поле, освещающее второй модул тор, равно величинеThe image of the first AOM is projected onto the second AOM (5) with a zooming effect, which is carried out using an optical transformer (4). The field illuminating the second modulator is equal to

Ei - $ Ео{1 + | IKiUi( Рм .Ui(Ei - $ Eo {1 + | IKiUi (PM. Ui (

i,ti, t

Х#,X #,

VV

(4)(4)

где fh величина, обратна  коэффициенту увеличени  оптического трансформатора, j-ja второй АОМ поступает сигнал (i)(t)exp i2jzv& t, (5) (где обозначени  аналогичны использованным в формуле (1).where fh is the reciprocal of the magnification factor of the optical transformer, j-ja the second AOM receives a signal (i) (t) exp i2jzv & t, (5) (where the designations are similar to those used in formula (1).

Коэффициент пропускани  второго модул тора равен величинеThe transmittance of the second modulator is equal to

tz(x,t)-lV (t + -Т)+ i IK2U2tz (x, t) -lV (t + -T) + i IK2U2

x(t+ -T).x (t + -T).

где Т - врем  распространени  ультразвука в модул торе,where T is the propagation time of ultrasound in the modulator,

К2 - коэффициент пропорциональности.K2 is the coefficient of proportionality.

При освещении модул тора когерентным светом прошедша  через модул тор амплитуда света будет содержать составл ющую , пропорциональную коэффициенту пропускани  t2(x, t).When the modulator is illuminated with coherent light, the amplitude of the light transmitted through the modulator will contain a component proportional to the transmittance t2 (x, t).

С помощью объективов проекционной системы (6, 8) и фильтрующей диафрагмы (7) с двум  отверсти ми, расположенными в местах фокусировки первых дифракционных пор дков, изображени  модул торов проецируютс  на поверхность фотоприемника . Счита , что оба модул тора работают в режиме Брэгга, будем рассматривать лишь +1-е пор дки дифракции. В плоскости фотоприемника формируетс  интерференционна  картина, интенсивность которой в случае единичного увеличени  проекционной системы равнаUsing projection system lenses (6, 8) and a filtering aperture (7) with two holes located at the focusing points of the first diffraction orders, the images of the modulators are projected onto the surface of the photodetector. Assuming that both modulators operate in the Bragg mode, we will consider only the + 1st order of diffraction. An interference pattern is formed in the plane of the photodetector, the intensity of which in the case of a single increase in the projection system is

id(x,t)/KiUi(/8it-- )+K2U2(t+ )/2-Ki2/Ui/2+K22/U2/2+ 2Re xid (x, t) / KiUi (/ 8it--) + K2U2 (t +) / 2-Ki2 / Ui / 2 + K22 / U2 / 2 + 2Re x

(6) (6)

{KiK2 Ui(( ). U2(t+ $ -T)}.{KiK2 Ui ((). U2 (t + $ -T)}.

(7)(7)

Дл  дальнейшего рассмотрени  учтем тот факт, что интерференционна  картина образуетс  в результате сложени  световых пучков, распростран ющихс  под углом,For further consideration, we take into account the fact that the interference pattern is formed as a result of the addition of light beams propagating at an angle

равном сумме углов дифракции света на ультразвуковых волнах в первом и втором АОМ.equal to the sum of the angles of diffraction of light by ultrasonic waves in the first and second AOM.

,,

15fifteen

20twenty

2525

30thirty

3535

4040

VV

VV

(8)(8)

где А - длина световой волны,where A is the wavelength of light,

Аи - длина ультразвуковой волны во 2-ом АОМ,Au - the length of the ultrasonic wave in the 2nd AOM,

AI эффективна  длина ультразвуко- 0 вой волны в 1 АОМ с учетом изменени  масштаба .AI is the effective ultrasonic 0 wavelength in 1 AOM taking into account zooming.

Сложение двух световых волн под углом приводит к модул ции интерференционной картины с пространственной частотой равной величинеThe addition of two light waves at an angle modulates the interference pattern with a spatial frequency equal to

Fnp -VJ/A.(9)Fnp -VJ / A. (9)

С учетом формул (8), (9). а также выражений дл  радиосигналов (1) и (5), третий член суммы (7) можно записать в видеTaking into account formulas (8), (9). as well as expressions for radio signals (1) and (5), the third term of the sum (7) can be written as

А И t - )U2(t+ у -Т). jrQ3i vi-V2)t -expAnd t -) U2 (t + y - T). jrQ3i vi-V2) t -exp

(Prfavi+v$xl(10)(Prfavi + v $ xl (10)

В качестве фотоприёмника служит ПЗС- матрица, работающа  в режиме сдвига и суммировани , причем направление перемещени  зар дов вдоль столбцов матрицы параллельно направлению распространени  ультразвука в модул торах. Переход  в формуле (10) к движущейс  системе координатA CCD array operating in the shift and sum mode is used as a photodetector, with the direction of charge movement along the matrix columns parallel to the direction of ultrasound propagation in the modulators. The transition in formula (10) to a moving coordinate system

-ut, -ut

где и - скорость перемещени  зар дов вдоль столбцов ПЗС-матрицы, получим следующее выражение дл  интенсивности интерференционной картиныwhere and is the rate of charge movement along the columns of the CCD matrix, we obtain the following expression for the intensity of the interference pattern

A- Re{Ui((Јi «Ј),-&) - U((t +V )-exp((/3ivi-V2)t- xA- Re {Ui ((Јi “Ј), - &) - U ((t + V) -exp ((/ 3ivi-V2) t- x

x(iffi#2Vi+V2)t)-exp(l x 45x()xi)}(11)x (iffi # 2Vi + V2) t) -exp (l x 45x () xi)} (11)

Полага  /Si -fa -ft i - i i/u и выPolaga / Si -fa -ft i - i i / u and you

полн   алгебраические преобразовани , е приводим выражение (11.) к видуcomplete algebraic transformations; we reduce expression (11.) to the form

50 А Re{Ui((1 + /fe)) U ((1 +ф )(-i2jr tf vi-)t- x50 A Re (Ui ((1 + / fe)) U ((1 + ф) (- i2jr tf vi-) t- x

55 x(vi+)t)-exp(55 x (vi +) t) -exp (

x .vi+%)xi)).(12)x .vi +%) xi)). (12)

npnUl U2 Uo. V1 V, V2 +AVnpnUl U2 Uo. V1 V, V2 + AV

С точностью до членов второго пор дка малости можно записатьUp to terms of the second order of smallness, we can write

A Re{Uo((1 + xUo((1 +A Re {Uo ((1 + xUo ((1 +

)t-%V) t-% V

иand

vi vvi v

T7) +V-T)xT7) + V-T) x

1A1A

2л,2l

V 1 V xexp() exp()}. (13)V 1 V xexp () exp ()}. (thirteen)

При Av 0, производ  интегрирование по времени в пределах, равных времени перемещени  зар дов вдоль столбцов матрицы, получим световое распределение, соответствующее автокоррел ционной функции сигнала Uo(t). Это распределение, промоду- лирован ное пространственной частотойAt Av 0, integrating over time within the limits equal to the time of movement of charges along the matrix columns, we obtain the light distribution corresponding to the autocorrelation function of the signal Uo (t). This distribution modulated by the spatial frequency

2 v2 v

F -Г7- , есть частный случай функции неопределенности - дл  нулевого допплёровско- го сдвига. Формирование функции неопределенности в общем случае (дл  A v 0) требует использовани  оптического транспаранта. В качестве такого транспаранта может служить решетка со штрихами, перпендикул рными столбцам матрицы, коэффициент пропускани  которой по интенсивности равенF -G7-, there is a special case of the uncertainty function for the zero Doppler shift. The formation of the uncertainty function in the general case (for A v 0) requires the use of an optical transparency. As such a transparency, a lattice with strokes perpendicular to the columns of the matrix can be used, the transmittance of which is equal in intensity to

G- t-1+cosy х.(14)G- t-1 + cozy x. (14)

В движущейс  системе координат наличие транспаранта приводит к модул ции интенсивности света с частотойIn a moving coordinate system, the presence of a transparency modulates the light intensity with a frequency

fM syU.fM syU.

Требуемую величину пространственной частоты транспаранта получим приравнива  частоту этой модул ции величине до- пплеровского сдвига i Av .отсюдаWe obtain the required value of the spatial frequency of the banner by equating the frequency of this modulation to the value of the Doppler shift i Av. Hence,

у-#...(И)y - # ... (I)

Дл  формировани  функции неопределенности при разных значени х Av необходимо иметь набор решеток с разными пространственными частотами, определ емыми формулой (15).In order to form the uncertainty function for different Av values, it is necessary to have a set of gratings with different spatial frequencies defined by formula (15).

С учетом необходимости формировани  двух квадратурных составл ющих кажда  из решеток должна состо ть из двух, имеющих одинаковую пространственную частоту и сдвинутых друг относительно друга на четверть шага решетки вдоль направлени  перемещени  зар дов.Given the need to form two quadrature components, each of the gratings should consist of two having the same spatial frequency and shifted relative to each other by a quarter of the grating step along the direction of movement of the charges.

В предлагаемом устройстве решаетс  дополнительна  задача, св занна  с нали-. чием, помимо полезного сигнала, посто нной составл ющей. Дл  фильтрации этой составл ющей и выделени  полезного сигнала примен етс  метод вычитани  двух отсчетов . С этой целью дл  каждого значени  используютс  четыре решетки с одинаковыми пространственными частотами и сдвинутые друг относительно друга на четверть шага решетки, подобно тому, как это сделано в устройстве-прототипе. Общее выражение дл  коэффициента пропускани  оптического транспаранта аналогично выражению дл  коэффициента пропускани  транспаранта устройства-прототипа:The proposed device solves an additional problem associated with cash. in addition to the useful signal, a constant component. To filter this component and extract the desired signal, a method of subtracting two samples is used. For this purpose, four lattices with the same spatial frequencies and shifted relative to each other by a quarter of the lattice step are used for each value, similar to the way it was done in the prototype device. The general expression for the transmittance of the optical banner is similar to the expression for the transmittance of the prototype device:

п - - 1 .2,.+ |Т cos n - - 1 .2,. + | T cos

пТоК 3PTOK 3

0.- .0.-.

Ј1 Ј1

Т7 X ш Ck 3 У У2 о. 0 л I 10 -(К )2 JT7 X W Ck 3 U U2 about. 0 l I 10 - (K) 2 J

00

55

00

55

00

55

00

55

х Рx P

Йг(2К-1+8п)Yg (2K-1 + 8p)

1 }1 }

(16)(sixteen)

ушТмUshtm

где Aw™ - полоса анализируемых частот, N - число элементов в строке матрицы, Ут - размер строки матрицы, у- координата вдоль строки матрицы. Функци  Р(у) определ етс  выражениемwhere Aw ™ is the band of analyzed frequencies, N is the number of elements in the matrix row, Ym is the size of the matrix row, and y is the coordinate along the matrix row. The function P (y) is defined by the expression

|Ч/у/ 1;| B / y / 1;

Р(У) RU)

LO,.LO ,.

Однако, в отличие от устройства-прототипа , выражение (14) описывает коэффициент пропускани  по интенсивности, поскольку транспарант расположен непосредственно перед фотоприемником, выходные сигналы которого пропорциональны интенсивности света.However, unlike the prototype device, expression (14) describes the transmittance in intensity, since the transparency is located directly in front of the photodetector, the output signals of which are proportional to the light intensity.

Функци  пропускани  транспаранта позвол ет получить в каждом частотном каналечетыре составл ющих, соответствующих четырем значени м фазы выходных сигналов фотоприемникаThe transparency transmission function allows to obtain four components in each frequency channel corresponding to the four phase values of the output signals of the photodetector

сwith

,уъ ) которые, y) which

можно вычислить по формуле t + тcan be calculated by the formula t + t

ft(x.y .t.VO /G -Adt(17)ft (x.y .t.VO / G -Adt (17)

tt

где значени  А и G определ ютс  выражени ми (13) и (16) соответственно.where the values of A and G are defined by expressions (13) and (16), respectively.

Выполн   далее вычислени , например , с помощьюPerform further calculations, for example, using

Dfy,y.t) Ф1 - Фй )2 + (Фз - )2 (18) можно найти квадрат модул  функции неопределенности сигнала дл  разных значений временных задержек и сдвигов частот .Dfy, y.t) Ф1 - Фй) 2 + (Фз -) 2 (18) we can find the squared modulus of the signal uncertainty function for different values of time delays and frequency shifts.

Число разрешимых точек по частоте определ етс  количеством элементов в строке ПЗС-фотоприемника. Как следует из теоремы Котельникова, это число в простейшем случае в два раза меньше количества элементов строки. В данном устройстве из-за примен емого алгоритма обработки разница достигает восьми раз. При этом частотное разрешение определ етс , как и в обычных спектроанализаторах с временным интегрированием, т.е. временем перемещени  зар дов вдоль столбцов матрицы.The number of resolvable points in frequency is determined by the number of elements in the line of the CCD photodetector. As follows from Kotelnikov’s theorem, in the simplest case this number is half the number of line elements. In this device, due to the applied processing algorithm, the difference reaches eight times. In this case, the frequency resolution is determined, as in conventional time-integrated spectrum analyzers, i.e. time of charge movement along the columns of the matrix.

Что касаетс  предельно достижимого числа разрешимых точек по дальности, то оно вдвое меньше числа элементов в столбце матрицы.As for the maximum achievable number of solvable points in range, it is half the number of elements in the matrix column.

Предложенное устройство обладает существенными преимуществами перед аналогами . Полоса пропускани  AQM не должна превышать полосу частотного анализа устройства. Анализируемый сигнал поступаетнепосредственно на пьезопреобразователь АОМ, а не модулирует по амплитуде ЛЧМ-сигнал. Отсутствие амплитудной модул ции в электрическом тракте позвол ет максимально использовать динамический диапазон АОМ, При этом расшир етс  и динамический диапазон всего устройства в целом.The proposed device has significant advantages over analogues. The AQM bandwidth should not exceed the frequency bandwidth of the device. The analyzed signal is fed directly to the piezoelectric transducer AOM, and does not modulate the amplitude of the LFM signal. The absence of amplitude modulation in the electric path allows the maximum use of the dynamic range of the AOM, while expanding the dynamic range of the entire device.

Claims (1)

Формула изобретени The claims Акустооптический спектроанализатор с интегрированием во времени, содержащий размещенные на оптической оси .источникAcousto-optic spectrum analyzer with integration over time, containing placed on the optical axis. когерентного света, коллиматор, первый экустооптический модул тор, первый проекционный объектив, диафрагму, второй проекционный объектив, оптический транспарант и матричный фотоприемник на приборах с зар довой св зью, причем диафрагма размещена в общей фокальной плоскости проекционных объективов , отличающийс  тем, что, с цельюcoherent light, a collimator, a first ecousto-optic modulator, a first projection lens, an aperture, a second projection lens, an optical transparency and a photodetector array on charge-coupled devices, the aperture being located in the common focal plane of the projection lenses, characterized in that, for the purpose of расширени  функциональных возможностей за счет формировани  функции неопределенности , в него введены размещенные за первым акустооптическим модул тором оптический трансформатор изображений,expanding the functionality due to the formation of the uncertainty function, an optical image transformer placed behind the first acousto-optical modulator is introduced into it, состо щий из двух софокусных сферических объективов, последовательно расположенных на оптической оси. и второй экустооптический модул тор, причем оптический транспарат размещен непосредственно перед матричным фотоприемником, электрический вход первого акустооптического модул тора  вл етс  входом задани  временных параметров спектроанализатора.consisting of two confocal spherical lenses arranged in series on the optical axis. and a second acousto-optic modulator, with the optical device placed directly in front of the array photodetector, the electrical input of the first acousto-optical modulator is an input for setting the time parameters of the spectrum analyzer. i ii i 99 77 3 f03 f0
SU904838035A 1990-04-06 1990-04-06 Acousto-optic spectrum analyzer with integration in time RU1837332C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904838035A RU1837332C (en) 1990-04-06 1990-04-06 Acousto-optic spectrum analyzer with integration in time

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904838035A RU1837332C (en) 1990-04-06 1990-04-06 Acousto-optic spectrum analyzer with integration in time

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU1837332C true RU1837332C (en) 1993-08-30

Family

ID=21520241

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU904838035A RU1837332C (en) 1990-04-06 1990-04-06 Acousto-optic spectrum analyzer with integration in time

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU1837332C (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4468093A (en) Hybrid space/time integrating optical ambiguity processor
DE60123468T2 (en) METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING A PHASE MODULATED WAVE FRONT OF ELECTROMAGNETIC RADIATION
US4531195A (en) Polychromatic time-integrating optical processor for high-speed ambiguity processing
US4514038A (en) Optical Fourier transformer device and optical correlator incorporating the said device
US3809873A (en) Optical processor for convolution filtering
US3903407A (en) Method for correlating frequency-modulated signals
US3544795A (en) Electro-optical signal transfer apparatus
US5016976A (en) Modified compact 2f optical correlator
RU1837332C (en) Acousto-optic spectrum analyzer with integration in time
US4079421A (en) Image scanning system
US5073006A (en) Compact 2f optical correlator
US3669528A (en) Device for producing identifiable sine and cosine(fourier)transforms of input signals by means of noncoherent optics
Sprague et al. The PROM-a status report
Dolfi et al. Optical architectures for programmable filtering and correlation of microwave signals
US3499703A (en) Radiation beam positioning apparatus
US11212010B2 (en) Optically-steered RF imaging receiver using photonic spatial beam processing
Voronin et al. Image up-conversion and holography
Armenise et al. A novel guided-wave correlator for real-time synthetic aperture radar data processing
SU1257549A1 (en) Acoustical analyzer of spectrum of video signal
Luebbers et al. Performance test and initial results obtained with a chirped laser radar with optoelectronic chirp generation and signal demodulation
Sprague et al. The Itek PROM-A Status Report
SU800640A2 (en) Method and apparatus for choosing equal-height areas
RU1831710C (en) Method for measuring statistic characteristics of density fluctuation field and device for its realization
US4436370A (en) Space variant linear phase shifter for optical ambiguity function generator
US5822111A (en) Apparatus and method for coherent acousto-optic signal width modification