|
| |
|
Слаботочка Книги между ЭВМ 19 и пультом оператора. В состав периферийных устройств входят различные внешние устройства, необходимые дл ввода, вывода, регистрации, отображения и документирования информации (запоминающие устройства, дисплеи, АПТУ и т. п.). Анализ обобщенной схемы на рис. 9.1 показывает, что проектирование радиооптических АР представляет сложную комплексную задачу, требующую знаний в области электродинамики и техники СВЧ (проектирование АР), приемоусилительных устройств-(приемный модуль), оптоэлектроники и акустооптики (проектирование ПВМС и ПЗС МФ), оптики (оптический каскад процессора), квантовой электроники (лазер) и голографии (цифровые голограммы), вычислительной техники и автоматизации (интерфейс сопряжения), радиолокации. Наибольшие успехи в формировании пространственных характеристик направленности АР методами когерентной оптики связаны с многоканальными акустическими модуляторами (АОМ) света [4, 12]. Такие ПВМС позволяют осуществлять обработку в реальном масштабе времени с большим числом (50... 100) параллельных каналов, каждый из которых может работать на частотах 1 ГГц и выше и иметь полосы пропускания 100... 300 МГц и более. Для АОМ характерны малая потребляемая мощность и относительно небольшая стоимость. Однако многоканальные АОМ имеют определенные недостатки: трудно реализуемы при числе каналов свыше 100; мало пригодны для обработки сигналов двумерных АР (временное мультиплицирование хотя и позволяет преодолеть эту трудность, но чрезмерно усложняет электронную часть схемы); не позволяет обрабатывать сигналы длительностью свыше 70... 100 мкс (при рабочих частотах до 100 МГц) и свыше 10 мкс при больших рабочих частотах, что ограничивает разрешение по частоте единицами-десятками килогерц (единицами мегагерц) соответственно. Аналогом многоканальных АОМ на более низких частотах являются многоканальные комбинированные ПВМС с параллельной записью сигналов от всех элементов АР на носителе. Для обработки ПВ сигналов АР используются ПВМС с электронно-лучевой адресацией, многоканальные магнитооптические и т. п. Если операции диаграммоформирования и временной обработки (спектральный или корреляционный анализ) разделены, то используются многоканальные ПВМС на линейном электрооптическом эффекте в кристаллах ниобата и танталата лития. Преимущества оптических процессоров могут быть в полной мере реализованы при условии, что выходное устройство, преобразующее оптический сигнал в электрический, не ограничивает возможности системы в целом. Поэтому для решения задач ра-дио-и гидролокации наиболее перспективными являются многоэлементные фотоприемники (линейки и матрицы фотоприемников). Для считывания распределения светового потока на выходе процессора, соответствующего медленно меняющимся во времени спектрам сигналов или корреляционным функциям, используются яриборы с зарядовой связью (ПЗС), обеспечивающие оптимальное согласование параллельного оптического процессора с последовательной цифровой системой обработки (см. рис. 9.1). Возможность выполнять функции накопления и хранения зарядовой информации в течение некоторого времени позволяет использовать ПЗС как буферный накопитель, необходимый при сопряжении информационных систем различной производительности, а разнесение процессов считывания и накопления позволяет достичь большой гибкости в решении задач [13]. Кроме того, ПЗС МФ обладает и другими достоинствами; низким уровнем шумов и большим динамическим диапазоном (свыше 70 дБ), большим числом элементов (свыше 10X10), малыми габаритами [размер фоточувствительного элемента (10 ... 20) X (10 ... 20) мкм] и жестким геометрическим растром (~1 мкм); высокой скоростью считывания информации (~10 МГц; в перспективе до 100 МГц); отсутствием отклоняющих систем, вакуума и высоких напряжений; высокой вибропрочностью и надежностью. Сравнение показывает, что оптические системы целесообразно использовать при обработке ПВ сигналов с базой AFATN= = 10*... 10. При этом достигается выигрыш в габаритных размерах, массе, потребляемой мощности и стоимости аппаратуры [1]. Ориентировочно можно считать, что эффективность оптических систем двумерного фурье-процессора, оправдывающая их применение для обработки низкочастотных сигналов, лежит в диапазоне 10 ... 10 слов/с (при этом динамический диапазон КО процессора эквивалентен длине слова в цифровых ЭВМ) [И]. Окончательный выбор устройства должен осуществляться с учетом полосы частот обрабатываемых ПВ сигналов, быстродействия аналого-цифровых преобразователей, формы поверхности АР, динамического диапазона, возможности подавления мешающих сигналов и т. п. Представляется, что достоинства когерентных оптических процессоров для обработки ПВ сигналов заключены не только в их высоком быстродействии, но и в способности управлять оперативно световыми потоками и обеспечивать представления информации, содержащейся в волновом поле, в наиболее подходящем виде для последующей обработки на ЭВМ. В случае необходимости регистрировать на выходе КО процессора быстро меняющиеся сигналы (например, при оптическом гетеродинировании, см. рис. 9.1) можно использовать многоэлементные фотоприемники, фоточувствительными элементами которых являются фотодиоды. 9.2. ФОРМИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ ПЛОСКИХ АР Простейший вариант радиооптической АР с двумерным панорамным обзором пространства показан на рис. 9.2. ПВ сигнал. Рис. 9.2  наводимый в текущем элементе АР с координатой Rj = njcX-b + пуУ, представляется в виде (9.1) f,{ } = ] .. ехр {-iQt)dt, Q = 2nF; #(...} = jj ...exp(-JKxRi)dRi (9.2) - оператор двумерного фурье-преобразования; dRx = dY, К j=njrQjs: + nrY - векторная пространственная частота (Qx = = а: cos а =/С sine cos ф, Qy = /<:cos р = /С sin 6 sin ф, K = 2nlA, л - длина волны сигнала); 5 = &Рэ - скалярный спектр ПВ сигнала, принимаемого АР из верхней полусферы, который, будучи выражен в угловых координатах 9, ф, фактически представляет распределение по углам и частоте комплексных амплитуд элементарных плоских волн, падающих па АР из ее дальней зоны (s - векторный ПВ спектр; Рэ - векторная ДН приемного элемента АР); -1 - символ обратного оператора. Задача когерентной оптической обработки - восстановление двумерного скалярного спектра s( Кх, (ПВ, частотно-углового) по принятому апертурному отклику (9.1), что тождественно формированию пространственных характеристик направленности Используется модель непрерывной регистрирующей (АР) и моделирующей (ПВМС.) сред ограниченного размера. Пространственно-временной сигнал (9.1) управляет функцией пропускания афинно подобного АР мозаичного ПВМС (например, на электрическом эффекте), формируя во входной плоскости П КО процессора оптическую модель принятого ПВ сигнала (см. рис. 9.2). При ее реконструкции в когерентном фурье-про-цессоре в задней фокальной плоскости я формируется оптическая дифрактограмма спектра ёщ (к ) ПВ сигнала в виде двумерной свертки частотно-углового спектра s с множителем направленности АР f(Kj.-Kj. ), т. е. реализуется панорамный обзор пространства сплошным веером остронаправленных характеристик направленности: eco(ki) = eo]]s(Ki, cu-2nv)f (mk-i-Ki) d%i = eoS(m-kj., o)-2Kv)®®f (m-kj, (9.3) где во - нормирующий множитель процессора; K l , kj =Пх(ах-\-Ц-Пу(х)у - векторные пространственные частоты, соответствующие объекту и его образу на выходе процессора; Шх-кхЦ; щкуЦ; f - фокусное расстояние фурье-объектива Л; k - 2n/i = 2nv/c - волновое число световой волны; х, у - координаты в выходной плоскости процессора; т-матрица связи координат элементов АР в ПВМС; c) = 2nv + Q (v - частота света); f(Kx) = ={5(Rx)}. 5 (Rx) - амплитудно-фазовое распределение (АФР) в точке Rj. АР; 0® - символ двумерной свертки. Связь между координатами объекта и его оптических образов устанавливается соотношением =ihKx Существо физических процессов формирования ДН, описанных выше, достаточно прозрачное. Диаграмма направленности АР f (Кх ) и АФР 5(Rx ) связаны преобразованием Фурье (рис. 9.3,а). Такую же пару образуют распределение комплексных амплитуд света Ё(г) в передней (П) и e(kj) задней (л)  фокальных плоскостях собирающей сферической линзы Л (рис. 9.3,6). Устанавливая с помощью ПВМС соответствие между ПВ сигналом (Rj., t) и распределением света Ё{гх) в фокальной плоскости линзы (Rj., t)<->E(rj ), автоматически получаем в выходной плоскости процессора световое отображение в. соответствующем масштабе ПВ спектра принимаемых сигналов, т. е. визуализируем угловое и частотное распределение радиоисточников. В случае приема широкополосных сигналов наблюдается хроматическая аберрация изображения этих источников на выходе КО процессора, при этом азимутальная ошибка воспроизведения отсутствует, а угломестная определяется лишь апертурной дисперсией АР, приемлемую малость которой гарантирует условие AfAX<c/sin0max (АХ -размер АР; AF - ширина полосы частот сигнала; с -скорость сигнала в среде; втах - граница зоны обзора). Отметим, что для рассматриваемых двумерных АР извлечение и обработка некоординатной информации могут быть осуществлены методами когерентного фотодетектирования и традиционных (включая когерентно-оптические) методов обработки временных сигналов. 9.3. АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОИ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА Свойства радиооптических АР существенно зависят от типа ПВМС. Если используется линейная АР и ПВМС, осуществляющий вдоль одного из измерений пространственную развертку временного сигнала, то подобные радиооптические АР реализуют панорамный одномерный обзор пространства одновременно со спектральным или корреляционным анализом принятых сигналов. Пространственно-временной сигнал, принятый линейной АР, представим в виде (9.4) где z{-..}=- J... ехр(-iQzZ)dZ - оператор одномерного фу- - оо рье-преобразования по координате Z; Qz = KcosQ - пространственная частота; s(Qz, Q) - двумерный аналог трехмерного скалярного частотно-углового спектра s(Kj., Q) принимаемого волнового поля из верхней (QzO) полусферы. Наиболее технически подготовленными устройствами ввода радиосигналов линейных АР в КО процессор являются, как отмечалось, многоканальные АОМ (рис. 9.4). Электрический сигнал u(Z, t) с усилителя приемного элемента АР подается на соответствующий пьезоэлектрический преобразователь, размещенный на торце акустического звукопровода. В последнем возбуждается бе-  Рис. 9.4 гущая акустическая волна в впде движущейся пространственной развертки радиосигнала, вызывающая модуляцию коэффициента преломления вещества звукопровода так, что функция пропускания канала звукопровода описывается выражением Тп{х,у. t)To rect I rect (у I Ay) exp i o,5n u{t-ylv) , (9.5) где Tol-функция пропускания звукопровода при ы = 0; rect (у) = 1 при i:l/2 и rect (г/) = О при \у\>1/2; ы/г - полуволновое напряжение канала АОМ, определяемое параметрами среды в звукопроводе и пьезопреобразователя; v - скорость акустической волны в звукопроводе; dx - расстояние между каналами АОМ; 8х - ширина канала; Ау - длина канала. Отклик радиооптической АР (см. рис. 9.4) с когерентным фурье-процессором на широкополосный сигнал (9.4) представляется в выходной плоскости я в виде одномерных сверток частотно-углового спектра мощности сигнала с изображающим ядром оптического спектроанализатора и ДН линейной АР по мощности. Разрешение радиооптической АР по угловой координате не хуже, чем у эквивалентной ФАР, а разрешение по частоте определяется разрешением оптического спектроанализатора. Фактически процессор, изображенный на рис. 9.4, осуществляя параллельный спектральный анализ ПВ сигнала, одновременно формирует ДН АР на каждой из гармонических составляющих сигнала. Эго позволяет в отличие от процессора, показанного на рис. 9.2, организовать панорамное формирование пространственных характеристик направленности без энергетических потерь. Для осуществления пространственной развертки временной зависимости ПВ сигнала, принятого элементами АР, получили также распространение ПВМС с электронной и оптической адре- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 [34] 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 |