Динамический оптический коррелятор

 

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в радиосвязи, телеметрии, радиолокации и вычислительной технике. Цель - расширение области применения за счет обработки сложных сигналов. Коррелятор содержит лазер, коллиматор, делители светового пучка, пространственно-временные модуляторы света, Фурье-преобразующие элементы, отражательный пространственно-временной модулятор света, фотоприемник, оптический дефлектор, согласующие усилители, дифференцирующий элемент, сумматор, пороговый блок, генератор кадровой и строчной разверток и генератор эталонного сигнала. 12 ил.

Изобретение относится к области оптической обработки информации и может быть использовано в системах передачи дискретной информации по радиоканалу, телеметрии, радиолокации и вычислительной технике.

Известны оптические корреляторы, содержащие последовательно установленные и оптически связанные друг с другом источник коллимированного когерентного излучения, пространственно-временной модулятор света (ПВМС), соединенный с источником информации, первый оптический элемент для выполнения преобразования Фурье, пространственно-частотный фильтр, второй оптический элемент для выполнения преобразования Фурье, причем пространственно-частотный фильтр расположен в фокусе первого и второго Фурье-преобразующих элементов, регистрирующий элемент, расположенный в корреляционной плоскости.

Недостатком таких корреляторов является сложность смены обрабатываемой кодовой комбинации, так как для этого необходимо производить замену согласованного голографического пространственно-частотного фильтра, устанавливая с высокой точностью новый фильтр в плоскость пространственных частот. Это требует применения прецизионной механики, что значительно усложняет и удорожает устройство.

Этого недостатка лишен динамический оптический коррелятор (авт. св. СССР N 1533547, кл. G 06 G 9/00, 1989), который взят в качестве прототипа и содержит последовательно установленные на оптической оси лазер, коллиматор, первый и второй делители светового пучка, первый ПВМС, выполненный в виде электронно-лучевой трубки, первый Фурье-преобразующий элемент, отражательный ПВМС, второй Фурье-преобразующий элемент, причем отражательный ПВМС расположен в фокусе первого и второго Фурье-преобразующих элементов, фотоприемник, выполненный в виде передающей телевизионной трубки, причем на оптической оси дополнительного выхода первого делителя светового пуска расположено первое зеркало, оптически связанное с отражательным ПВМС и вторым Фурье-преобразующим элементов, на оптической оси дополнительного выхода второго делителя последовательно расположены второе зеркало, аттенюатор светового пучка и второй ПВМС, выполненный в виде электронно-лучевой трубки, при этом экраны электронно-лучевых ПВМС размещены в одной плоскости, выводы кадровых и строчных отклоняющих катушек электронно-лучевых ПВМС подключены к соответствующим выводам генератора кадровой и строчной разверток, кадровый выход которого через элемент дифференцирования подключен к входу запуска генератора эталонного сигнала, выход которого подключен к информационному входу первого электронно-лучевого ПВМС, выводы кадровой и строчной отклоняющих катушек передающей телевизионной трубки через согласующий усилитель и через первый и второй элементы задержки подключены к соответствующим выходам генератора кадровой и строчной разверток. Информационный вход второго электронно-лучевого ПВМС является информационным входом динамического коррелятора.

В данном динамическом оптическом корреляторе, специализированном для решения задачи обнаружения сложных сигналов и определения их временной задержки, используется свойство растровых образов сложных сигналов. Оно заключается в том, что при использовании безызбыточного опорного транспаранта в результате фильтрации в выходной плоскости коррелятора образуется от одного до четырех откликов, причем на выходе существует область, определяемая размерами опорного транспаранта и геометрическим увеличением оптической системы, в которой всегда присутствует только один отклик. Обнаруживая его и зная математические соотношения между координатой отклика и задержкой анализируемого сигнала, можно определить неизвестный параметр (задержку).

Основной недостаток динамического оптического коррелятора, взятого в качестве прототипа, состоит в том, что отношение Р_с/Р_п (Р_с - мощность корреляционного отклика; Р_п - мощность флуктуационной помехи в выходной плоскости коррелятора) в зависимости от координат обнаруженного отклика может изменяться от Е/N_o до Е/4N_o, где Е - энергия сигнала; N_o - спектральная плотность мощности шума на входе коррелятора. Это положение можно доказать с помощью аналитических соотношений, однако ограничимся физическим рассмотрением этого явления. При фильтрации входного сигнала в оптическом корреляторе, взятом в качестве прототипа, в выходной плоскости образуется от одного до четырех корреляционных откликов. В любом случае сумма их амплитуд равна энергии входного сигнала. Обнаруживается всего один корреляционный отклик, попадающий в формат: ^-/2_-h/2 ^p_q ^/2_{h/2 ,} где р и q - координатные оси в выходной плоскости коррелятора; - горизонтальный размер растра; h - вертикальный размер растра на входе.

Максимальное отношение сигнал/шум достигается в том случае, когда на выходе образуется всего один отклик (координаты начала регистрации опорного и анализируемого транспарантов совпадают), имеющий амплитуду, равную энергии сигнала. Если при фильтрации образуются четыре отклика с равными амплитудами (амплитуда каждого отклика равна Е/4, т.е. наихудший случай), а обнаруживается всего один отклик, то отношение Р_с/Р_п - минимально. В самом деле амплитуда обнаруживаемого отклика уменьшается в 4 раза, в точке с этими координатами и мощность помехи в 4 раза меньше, чем мощность помехи в точке, где амплитуда отклика равна энергии сигнала, при этот отношение Р_с/Р_п также уменьшается в 4 раза.

Целью изобретения является улучшение характеристик обнаружения динамического оптического коррелятора путем увеличения отношения Р_с/Р_п на входе решающего устройства за счет электрического суммирования всех откликов, образовавшихся при фильтрации входного сигнала.

Цель достигается тем, что в динамический оптический коррелятор в область между отражательным модулятором света и вторым Фурье-преобразующим элементом введен двухкоординатный оптический дефлектор, контакты горизонтального и вертикального отклонения которого соединены с соответствующими выходами согласующего усилителя, входы которого соединены с соответствующими выходами генератора кадровой и строчной разверток, а фотоприемник выполнен в виде четырех фотодетекторов, размещенных определенным образом, выходы которых соединены с входами сумматора. Элементы задержки убраны.

Улучшение характеристик коррелятора достигается путем суммирования мощностей корреляционных откликов при обнаружении сигналов.

На фиг. 1 показаны геометрические параметры мишени ПВМС с растровой формой представления входных данных; на фиг. 2 - номера позиций начала регистрации сигнала на мишени ПВМС при использовании 16-разрядной последовательности; на фиг. 3 - вид управляющих напряжений отклонения электронного луча ПВМС (а) и оптического дефлектора (б) при четном количестве строк; на фиг. 4-6 - иллюстрация принципа синхронизации системы отклонения ПВМС и оптического дефлектора при регистрации ожидаемого сигнала с различных начальных позиций входного преобразователя канала анализа при четном количестве строк; на фиг. 7 - вид управляющих напряжений отклонения электронного луча ПВМС (а) и оптического дефлектора (б) при нечетном количестве строк; на фиг. 8-10 - иллюстрация принципа синхронизации системы отклонения ПВМС и оптического дефлектора при регистрации опорного сигнала с различных начальных позиций входного преобразователя канала анализа при нечетном количестве строк; на фиг. 11 - структура динамического оптического коррелятора; на фиг. 12 - структура фотоприемника.

Пусть длительность обнаруживаемого сигнала равна длительности кадровой развертки ПВМС и копия в канале эталона регистрируется с начала первой строки. Геометрические параметры растра представлены на фиг. 1. При взаимодействии Фурье-образа сигнала из канала анализа коррелятора с зарегистрированной интерференционной картиной (результат взаимодействия Фурье-образа кадра канала эталона и опорного пучка) в корреляционной плоскости формируются один-четыре корреляционных отклика.

Координаты откликов можно определить с помощью выражений p₁ = (k₁ + /2) f₂/f₁; q₁ = f₂sin+ +b(1 - j) f₂ /f₁+ (+)f₂/f₁; (1) p₂ = (k - /2) f₂/f₁; q₂ = f₂sin+ +jbf₂/f₁ + (+) f₂/f₁; (2) p₃ = (k + /2) f₂/f₁; q₃ = f₂sin+ (h - -jb + b) f₂/f₁ + (+) f₂/f₁; (3) p₄ = (k - /2) f₂/f₁; q₄ = f₂sin+ (h - -jb) f₂/f₁ + (+) f₂/f₁; (4) где p и q - координатные оси корреляционной плоскости; - угол наклона опорного пучка света; f₂ и f₁ - фокусные расстояния первой и второй Фурье-преобразующих линз;
и- смещение центров модуляторов канала эталона и анализа по координате ;
k - координата начала регистрации анализируемого транспаранта по оси ;
,h, b - параметры многострочного растра (см. фиг. 1);
j - номер строки начала регистрации анализируемого транспаранта.

Одним из свойств такой фильтрации является то, что расстояния между корреляционными откликами постоянны. От координат начала регистрации анализируемого транспаранта зависят только координаты корреляционных откликов.

Действительно, если проанализировать выражения (1) и (3), (2) и (4), то видно, что расстояние между откликами 1 и 3 по оси q равно h (f₂=f₁) и между откликами 2 и 4 тоже равно h при любых К и j. Аналогично расстояния по оси Р между откликами 1 и 2, 3 и 4 равны . Это свойство можно использовать при построении коррелятора.

Суть предложения заключается в размещении в корреляционной плоскости четырех фотоприемников, расстояния между которыми по осям p и q соответствуют постоянным величинам, определяющим расстояния между корреляционными откликами. Управляя световым потоком с помощью оптического дефлектора, можно добиться того, что все четыре корреляционных отклика находятся на фотодетекторах. Использование суммарного отклика более эффективно позволяет обнаруживать сигналы, чем при использовании прототипа, где обнаружение производится только по одному отклику. Необходимо только найти такие управляющие напряжения, подаваемые на контакты горизонтального и вертикального отклонения оптического дефлектора, которые обеспечивают фокусировку откликов на фотодетекторы в момент окончания регистрации сигнала на мишени ПВМС в канале анализа.

Предлагается фотодетекторы в корреляционной плоскости устанавливать в точках с координатами
p₁ = /2; q₁ = -h/2 + a/2; (5)
p₂ = /2; q₂ = h/2 + a/2; (6)
p₃ = /2; q₃ = -h/2 + a/2 - b; (7)
p₄ = /2; q₄ = h/2 + a/2 - b, (8) где а - ширина строки;
b - расстояние от начала одной до начала следующей строки.

Доказано, что управляющие напряжения, подаваемые на контакты горизонтального и вертикального отклонения оптического дефлектора, должны быть такими же, как и напряжения, подаваемые на контакты отклоняющей системы электронно-лучевого ПВМС.

Для наглядности продемонстрируем предлагаемый принцип с помощью модели. Пусть принимается 16-элементная опорная кодовая последовательность вида 1101101101111000, которая регистрируется в виде матрицы 4 х 4 элемента.

В канале эталона последовательность регистрируется с первой позиции мишени входного преобразователя, а в канале анализа - с произвольной. Позиции начала регистрации сигнала пронумерованы на фиг. 2 в порядке сканирования электронным лучом мишени ПВМС.

Вид кадрового и строчного напряжений ПВМС и управляющих напряжений, подаваемых на дефлектор, представлен на фиг. 3 а и б соответственно. Количество строк четно. На диаграмме строчного напряжения ПВМС обозначены позиции, соответствующие позициям на фиг. 2. Так, например, первая позиция соответствует смещению луча ПВМС по вертикали на 1,5 единицы, а по горизонтали на 2 единицы ( -/2).

На фиг. 4-6 представлена модель коррелятора, где 1 - электронная пушка ПВМС, 2 - система отклонения ПВМС (контакт В - вертикальное отклонение, Г - горизонтальное), 3 - мишень ПВМС в канале анализа, 4 - мишень ПВМС в канале эталона, 5 - оптический дефлектор (В - контакт вертикального отклонения, Г - контакт горизонтального отклонения), 6 - корреляционная плоскость, 7, 8, 9, 10 - фотодетекторы - обозначены *.

На мишени 4 модулятора канала эталона код регистрируется с позиции 1. Номер позиции, с которой началась регистрация в канале анализа, обозначена цифрой вверху фигуры П.1, П.2, и т.д. На контакты вертикального и горизонтального отклонения ПВМС и дефлектора подаются напряжения, обозначенные в относительных величинах в соответствии с графиками фиг. 3 а и б и начальной позицией формирования анализируемого транспаранта. Совпадающие по своей структуре области опорного и анализируемого транспарантов выделены одинаковой штриховкой и обозначены S₁, S₂, S₃, S₄. Отклики в корреляционной плоскости от соответствующих, совпадающих по своей структуре областей анализируемого и опорного транспарантов обозначены S₁', S₂', S₃', S₄'. Стрелками обозначены траектории смещения корреляционных откликов в соответствии с напряжениями, подаваемыми на контакты горизонтального и вертикального отклонения оптического дефлектора. Как видно, управляющие напряжения дефлектора обеспечивают смещение корреляционных откликов на фотодетекторы в момент окончания регистрации сигнала на мишени ПВМС в канале анализа.

На фиг. 8-10 на примере 20-разрядной последовательности
1100.1011.0111.1001.0001, регистрируемой в виде матрицы 4 х 5 элементов, проиллюстрирована работа коррелятора. Из приведенных примеров видно, что требуемый алгоритм обеспечивается как при четном, так и при нечетном количестве строк входных преобразователей.

Динамический оптический коррелятор (фиг. 11) содержит последовательно установленные на оптической оси лазер 11, коллиматор 12, первый делитель 13 светового пучка, второй делитель 14 светового пучка, первый ПВМС, выполненный в виде электронно-лучевой трубки 15, первый Фурье-преобразующий элемент 16, отражательный ПВМС 17, оптический дефлектор 18, второй Фурье-преобразующий элемент 19, фотоприемник 20. На оптической оси дополнительного выхода первого делителя 13 светового пучка расположено первое зеркало 21, оптически связанное с ПВМС 17, оптическим дефлектором 18, вторым Фурье-преобразующим элементом 19 и фотоприемником 20. На оптической оси дополнительного выхода второго делителя 4 последовательно расположены второе зеркало 22, аттеньюатор 23 светового пучка, второй ПВМС, выполненный в виде электронно-лучевой трубки 24, причем экраны ПВМС и 24 размещены в одной плоскости. Выводы кадровых и строчных отклоняющих катушек электронно-лучевых трубок подключены к соответствующим выводам генератора 25 кадровой и строчной разверток, кадровый выход генератора 25 через элемент 26 дифференцирования подключен к входу запуска генератора 27 эталонного сигнала, выход которого подключен к информационному входу ПВМС 15. Контакты вертикального и горизонтального отклонения оптического дефлектора 18 через согласующий усилитель 28 подключены соответственно к кадровому и строчному выходам генератора 25. Выход фотоприемника 20 соединен с первым входом порогового устройства 29, на второй вход которого поступает напряжение порога. Информационный вход второго ПВМС является информационным входом коррелятора.

Фотоприемник 20 (фиг. 12) содержит экран 30, на котором в координатах, определяемых соотношениями (5)-(8), установлены точечные фотодетекторы 31-34. Их выходы подключены к входам суммирующего устройства 35, выход которого является выходом фотоприемника.

Динамический оптический коррелятор работает следующим образом.

Генератор 25 кадровой и строчной разверток генерирует кадровые и строчные импульсы, которые, поступая на соответствующие контакты ПВМС 15 и 24, отклоняют записывающие электронные лучи по закону телевизионной развертки. Одновременно кадровые импульсы с выхода генератора 25 поступают на вход элемента 26 дифференцирования, на выходе которого по окончании каждого кадрового напряжения формируется импульс, поступающий на вход начальной установки регистров генератора 27 копии сигнала. Поэтому в начале кадра регистры генератора 27 устанавливаются в единичные состояния и формируемый код с выхода генератора 27 поступает на информационный вход ПВМС 15, на мишени которого и регистрируется с начала кадровой и строчной разверток. Кроме того, кадровые и строчные импульсы с выхода генератора 25 поступают на соответствующие входы согласующего усилителя 28. Начало кадровой последовательности, поступающей из канала связи, не согласовано с генератором развертки, поэтому сигнал из канала связи регистрируется с произвольной начальной позиции мишени ПВМС 24. Когерентный луч света от лазера 11 расширяется коллиматором 12 и, пройдя через расположенные на одной оптической оси делители 13 и 14, считывает информацию с мишени ПВМС 15. Пучок света, отраженный от делителя 13, попадает на наклонное зеркало 21, отражаясь от которого, минует Фурье-преобразующий элемент 16 и в качестве опорного пучка попадает на ПВМС 17. Луч, прошедший через ПВМС 15, модулируется опорным кодом и проходит через элемент 16. В результате на ПВМС 17 регистрируется интерфференционная картина Фурье-образа кадра, сформированного на ПВМС 15, и плоской опорной волны, отраженной от зеркала 21. Пучок света, отраженный от делителя 14, попадает на зеркало 22, отражается, ослабляется аттенюатором 23, проходит через ПВМС 24 и считывает зарегистрированную информацию. Промодулированное принятым сигналом поле проходит через элемент 16, и в плоскости ПВМС 17 наблюдается Фурье-образ сигнала, зарегистрированного на ПВМС 24. Пучок света, считывающий изображение с ПВМС 24, ослабляется аттенюатором 23 до такой степени, что при попадании на ПВМС 17 поле не разрушает зарегистрированной голограммы Фурье-образа изображения канала эталона. Световой пучок, являющийся результатом взаимодействия Фурье-образа изображения канала анализа (ПВМС 24) с полученной голограммой, отражается от ПВМС 17 и поступает на оптический дефлектор 18, контакты вертикального и горизонтального отклонения которого соединены с соответствующими выходами согласующего усилителя 28. Отклоняясь оптическим дефлектором 18, лучи проходят через Фурье-преобразующий элемент 19 и проецируются в виде корреляционных откликов на фотоприемник 20. Напряжение с выхода согласующего усилителя 28 обеспечивает такой режим отклонения оптических лучей, что в момент окончания регистрации пришедшего сигнала на мишени ПВМС 24 все четыре корреляционных отклика сфокусированы на фотодетекторах 31-34. Сигналы с фотодетекторов 31-34 поступают на сумматор 35, после чего с его выхода результат суммирования поступает на первый вход порогового устройства 29, на второй вход которого подается пороговое напряжение. В момент фокусировки на фотодетекторы 31-34 результат суммирования превышает порог, что служит временной меткой, характеризующей задержку сигнала.

Техническая эффективность предлагаемого решения по сравнению с прототипом заключается в следующем. Средняя амплитуда корреляционного отклика, регистрируемого фотоприемником прототипа, может быть определена выражением
=kk+
где Е - максимальная амплитуда корреляционного отклика;
К - координата начала регистрации анализируемого транспаранта;
- номер строки начала формирования анализируемого транспаранта;
Р - вероятность попадания корреляционного отклика в произвольную (разрешенную) точку плоскости регистрации.

Как видно, в прототипе используется чуть больше половине энергии корреляционного отклика (в статистическом смысле). Суммирование корреляционных откликов в предлагаемом техническом решении позволяет повысить эффективность обнаружения сигналов за счет более полного использования энергии сигнала.

Формула изобретения

ДИНАМИЧЕСКИЙ ОПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛЯТОР, содержащий последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, первый и второй делители светового пучка, первый пространственно-временной модулятор света, первый Фурье-преобразующий элемент, отражательный пространственно-временной модулятор света, второй Фурье-преобразующий элемент и фотоприемник, установленный в корреляционной плоскости второго Фурье-преобразующего элемента, отражательный пространственно-временной модулятор света установлен в общем фокусе первого и второго Фурье-преобразующих элементов, на оптической оси дополнительного выхода первого делителя светового пучка расположено первое зеркало, оптически связанное с отражательным пространственно-временным модулятором света и вторым Фурье-преобразующим элементом, на оптической оси дополнительного выхода второго делителя светового пучка последовательно расположены второе зеркало, аттенюатор светового пучка и второй пространственно-временной модулятор света, причем экраны первого и второго модуляторов света размещены в одной плоскости, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет обработки сложных сигналов, в него введены оптический дефлектор, два согласующих усилителя, дифференцирующий элемент, генератор кадровой и строчной разверток, генератор эталонного сигнала, сумматор и пороговый блок, фотоприемник выполнен в виде экрана, на котором размещены четыре точечных фотодетектора, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого подключен к входу порогового блока, выход которого является выходом коррелятора, первый и второй пространственно-временные модуляторы света выполнены в виде электронно-лучевых трубок, выходы генератора кадровой и строчной разверток соединены с одноименными выводами кадровой и строчной отклоняющей катушек электронно-лучевых трубок и входами одноименных согласующих усилителей, кадровый выход генератора через дифференцирующий элемент подключен к входу запуска генератора эталонного сигнала, выход которого подключен к информационному входу первого пространственно-временного модулятора света, информационный вход второго пространственно-временного модулятора света является информационным входом коррелятора света, выходы кадрового и строчного согласующих усилителей соединены с электрическими входами соответственно вертикального и горизонтального отклонения оптического дефлектора, установленного между вторым Фурье-преобразующим элементом и отражательным пространственно-временным модулятором света, координаты размещения точечных фотодетекторов на экране определяются как
P₁ = W/2;
q₁ = -h/2 + a/2;
P₂ = W/2;
q₂ = h/2 + a/2;
P₃ = -W/2;
q₃ = -h/2 + a/2 - b; P₄ = -W/2;
q₄ = h/2 + a/2 - b,
где P и q - координатные оси корреляционной плоскости;
a - ширина строки;
b - расстояние от начала одной до начала другой строки;
W и h - параметры многострочного растра первого и второго пространственно-временных модуляторов света.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12