一種基于聲光掃描的自適應同步積分光接收的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于聲光掃描的自適應同步積分光接收機，包括順序設(shè)置在同一光軸上建立光路系統(tǒng)的聚光整形系統(tǒng)、聲光偏轉(zhuǎn)器、聚焦系統(tǒng)和線陣光電探測器，線陣光電探測器的輸出接數(shù)據(jù)處理模塊。還包括觸發(fā)電路，用于接收與被測信號同頻的參考信號并根據(jù)參考信號產(chǎn)生與被測光信號同步的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電路通過掃描驅(qū)動信號源接聲光偏轉(zhuǎn)器；觸發(fā)電路同時還通過時序控制電路接線陣光電探測器。本發(fā)明信噪比顯著改善，弱信號檢測能力突出。參數(shù)設(shè)置、調(diào)整更加方便靈活，對各種信號適應能力較強。信號輸出保真度高，便于直接觀測和信號恢復。體積小，重量輕，功耗低，適于多種平臺應用。
【專利說明】一種基于聲光掃描的自適應同步積分光接收機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微弱光信號探測技術(shù)的改進，具體指一種采用聲光掃描技術(shù)實現(xiàn)信號 自適應同步積分的光接收機，屬于光電【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003] 以光波作為信息和能量載體實現(xiàn)傳感、傳輸、探測等功能的光電系統(tǒng)，在通信、雷 達、精導、導航、觀瞄、測量等領(lǐng)域獲得廣泛應用。應用于這些場合的光電系統(tǒng)具體構(gòu)成形 式盡管各不相同，但都具有光發(fā)射機、光學信道和光接收機這一基本構(gòu)型。光接收機的任 務是收集入射的光場并以最小的附加噪聲及失真，恢復出光載波所攜帶的信息。光電探測 器在完成光電轉(zhuǎn)換的過程中，對信號光和背景噪聲光是無法區(qū)分的，因此光接收機僅靠光 電探測器檢測淹沒在噪聲中的弱信號是無能為力的，還必須運用相關(guān)檢測方法抑制噪聲 改善系統(tǒng)的輸出信噪比，實現(xiàn)信噪比最大化的接收系統(tǒng)。在光接收機的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中， 利用噪聲和信號特性的區(qū)別，采取一定的措施和處理方法可以實現(xiàn)噪聲的壓縮，從而實現(xiàn) 信噪比最大的目的。當已知被測信號為周期信號并知曉其產(chǎn)生時刻，就可以利用其時間 相關(guān)性，通過取樣積分技術(shù)將深埋在噪聲中的信號提取、恢復和記錄下來。把每個信號周 期分成若干個時間間隔（間隔的大小取決于恢復信號所要求的精度)，然后對這些時間間隔 的信號進行取樣，并將各周期中處于相同位置的取樣進行積分。利用各個周期內(nèi)采樣平 均信號的總體反映待測信號的真實波形。其信噪比改善SNIR與信號積累次數(shù)N s有關(guān)，即 SMS = 對于非周期的慢變信號，也可用調(diào)制或斬波的方式人為賦予其一定的周期性， 再利用上述方法進行檢測。
[0004] 傳統(tǒng)光接收機的掃描取樣積分系統(tǒng)是將光信號轉(zhuǎn)化成電信號后利用電路模塊產(chǎn) 生取樣門脈沖，使每個周期內(nèi)電信號的取樣位置從前向后逐次移動，控制信號積分僅在取 樣時間內(nèi)進行，其余時間積分結(jié)果處于保持狀態(tài)。這種方式在每個信號周期中只取樣和積 分一次，對被測信號的利用率很低，需要經(jīng)過很多信號周期才能得到測量結(jié)果。為了提高對 被測信號的利用率也可采用多點式取樣積分技術(shù)，其包括多個電子開關(guān)和積分電容，相當 于多個單點取樣積分技術(shù)的組合，但這種系統(tǒng)不僅復雜，取樣點數(shù)也有限制(一般為50? 100點）。為達到最佳檢測效果，傳統(tǒng)取樣積分系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整比較復雜而且輸出信 號的頻率變得極低(周期變?yōu)閹酌?、幾分，甚至長達幾小時)，只能用X-Y記錄儀和長余輝慢 掃描示波器觀測。X-Y記錄儀體積大，也不經(jīng)濟；長余輝慢掃描示波器對周期超過余輝時間 的信號顯示也無能為力。
[0005]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種參數(shù)設(shè)置調(diào)整方便靈 活、信噪比顯著改善、信號輸出保真度高的基于聲光掃描的自適應同步積分光接收機。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 一種基于聲光掃描的自適應同步積分光接收機，包括順序設(shè)置在同一光軸上建立光路 系統(tǒng)的聚光整形系統(tǒng)、聲光偏轉(zhuǎn)器、聚焦系統(tǒng)和線陣光電探測器，線陣光電探測器的光敏面 設(shè)置在聚焦系統(tǒng)的焦平面上；被測光信號通過聚光整形系統(tǒng)進入該光路系統(tǒng)。該光路系統(tǒng) 用于將接收的信號光進行程控周期性線偏轉(zhuǎn)掃描并聚焦，由線陣光電探測器的光敏像元對 掃描軌跡上的光強按位進行光電轉(zhuǎn)換并積分，達到積累次數(shù)后再依次對全幀像元數(shù)據(jù)串行 輸出。
[0008] 本光接收機還包括一觸發(fā)電路，觸發(fā)電路用于接收與被測信號同頻的參考信號并 根據(jù)參考信號產(chǎn)生與被測光信號同步的觸發(fā)脈沖；觸發(fā)電路通過掃描驅(qū)動信號源接聲光 偏轉(zhuǎn)器，該同步脈沖控制掃描驅(qū)動信號源定時輸出與被測信號周期一致的掃頻信號驅(qū)動聲 光偏轉(zhuǎn)器，通過掃頻信號的頻率變化幅度和快慢控制聲光偏轉(zhuǎn)器輸出光束的偏轉(zhuǎn)角度和速 度，從而實現(xiàn)對信號光掃描位置和掃描周期的控制； 觸發(fā)電路同時還通過時序控制電路接線陣光電探測器，觸發(fā)電路產(chǎn)生的同步脈沖輸出 到時序控制電路，使時序控制電路產(chǎn)生同步的時序信號驅(qū)動線陣光電探測器工作，使掃描 光點在線陣光電探測器的像元陣列上按序完成光電轉(zhuǎn)換、積分和數(shù)據(jù)輸出。該輸出信號具 有被測信號的時間和幅度信息，可實現(xiàn)對被測信號的提取、恢復和記錄。
[0009] 所述線陣光電探測器的輸出接數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)處理模塊對線陣光電探測器 輸出的電信號進行分析、處理和顯示。當光電探測器的讀出幀速與被測信號頻率匹配時，其 輸出全幀像元信號的時間可以完全等同于被測信號周期，只是信號幅度值變?yōu)槎啻卫奂臃e 分值。只做簡單測試時，可直接在線陣光電探測器的輸出端接示波器，用示波器觀測被測信 號時域波形。
[0010] 進一步地，所述數(shù)據(jù)處理模塊再連接至時序控制電路，可按需根據(jù)初測數(shù)據(jù)產(chǎn)生 反饋控制信號到時序控制電路，對信號積分時間(積累次數(shù)Ns)等參數(shù)進行自適應調(diào)整。 [0011] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果： 1、信噪比顯著改善，弱信號檢測能力突出。
[0012] 2、參數(shù)設(shè)置、調(diào)整更加方便靈活，對各種信號適應能力較強。
[0013] 3、信號輸出保真度高，便于直接觀測和信號恢復。
[0014] 4、體積小,重量輕,功耗低,適于多種平臺應用。
[0015]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1-本發(fā)明基于聲光掃描的自適應同步積分光接收機結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 其中，1-聚光整形系統(tǒng)；2-聲光偏轉(zhuǎn)器；3-掃描驅(qū)動信號源；4-觸發(fā)電路；5-聚焦 系統(tǒng)；6-線陣光電探測器；7-時序控制電路；8-數(shù)據(jù)處理模塊。
[0018]

【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明基于聲光掃描的自適應同步積分光接收機，包括聚光整形系 統(tǒng)I，聲光偏轉(zhuǎn)器2,掃描驅(qū)動信號源3,觸發(fā)電路4,聚焦系統(tǒng)5,線陣光電探測器6,時序控 制電路7,數(shù)據(jù)處理模塊8。上述組成中，光學部件聚光整形系統(tǒng)1，聲光偏轉(zhuǎn)器2,聚焦系統(tǒng) 5,線陣光電探測器6順次設(shè)置在同一光軸上建立光路系統(tǒng)，線陣光電探測器6的光敏面設(shè) 置在聚焦系統(tǒng)5的焦平面上。該光路系統(tǒng)用于將接收的信號光進行程控周期性線偏轉(zhuǎn)掃描 并聚焦，由線陣光電探測器的光敏像元對掃描軌跡上的光強按位進行光電轉(zhuǎn)換并積分，達 到積累次數(shù)后再依次對全幀像元數(shù)據(jù)串行輸出。觸發(fā)電路通過掃描驅(qū)動信號源接聲光偏轉(zhuǎn) 器，觸發(fā)電路同時還通過時序控制電路接線陣光電探測器。
[0021] 掃描驅(qū)動信號源3是產(chǎn)生步進射頻輸出的掃頻信號源，采用直接數(shù)字頻率合成技 術(shù)（DDS芯片)可以實現(xiàn)。本發(fā)明還包括一觸發(fā)電路，觸發(fā)電路用于接收與被測信號同頻的參 考信號，觸發(fā)電路4根據(jù)輸入的參考信號產(chǎn)生與被測光信號同步的觸發(fā)脈沖去觸發(fā)掃描驅(qū) 動信號源3輸出周期性掃頻信號以驅(qū)動聲光偏轉(zhuǎn)器2,掃頻速率可按被測信號周期進行自 適應調(diào)整，確保一個信號周期正好完成一次全程掃頻。通過掃頻信號的頻率變化幅度和快 慢控制聲光偏轉(zhuǎn)器輸出光束的偏轉(zhuǎn)角度和速度，從而實現(xiàn)對信號光掃描位置和掃描周期的 控制。被測信號光束首先通過聚光整形系統(tǒng)1對其形狀和準直度進行調(diào)整處理，使之與聲 光偏轉(zhuǎn)器2的有效通光孔徑相匹配。該光束通過聲光偏轉(zhuǎn)器2時將產(chǎn)生與其驅(qū)動掃頻頻率 一一對應的衍射光，并按掃頻周期進行全程反復偏轉(zhuǎn)掃描，其按時間進程在掃描路徑上留 下的光斑強弱印記正好對應被測信號一個周期內(nèi)的幅度信息。緊接聲光偏轉(zhuǎn)器2的聚光系 統(tǒng)5將掃描光束分別聚焦成離散光點對應入射到線陣光電探測器6的光敏像元上對各自的 取樣部分進行多周期光電轉(zhuǎn)換和積分，由此便實現(xiàn)了對被測光信號的多點取樣積分運算。
[0022] 線陣光電探測器6可以選用CMOS線陣圖像傳感器芯片，其正常工作所需時序控制 電路比較簡單。觸發(fā)電路4產(chǎn)生的同步脈沖同時使時序控制電路7產(chǎn)生的時序信號與被測 信號達成同步，其中復位脈沖用于控制線陣光電探測器6的持續(xù)積分時間（復位脈沖到達 前，各個像元持續(xù)對入射光強進行轉(zhuǎn)換積分；復位脈沖到達后各像元立即清零復位，準備進 行下一輪信號接收)。在復位脈沖到達前先產(chǎn)生有讀數(shù)脈沖控制光電探測器的讀出電路將 全幀像元數(shù)據(jù)按序串行輸出。CMOS線陣圖像傳感器的數(shù)據(jù)讀取操作可以不影響其像元對光 信號的持續(xù)積分，所以需要時可以設(shè)置讀數(shù)脈沖在復位脈沖到達前產(chǎn)生η次（I < η < Ns)， 如此，隨著積累次數(shù)Ns的增加，可通過多次讀取信號來跟蹤觀測信號的積累效果，保證對弱 光信號的高速、有效檢測。線陣光電探測器6的輸出接數(shù)據(jù)處理模塊8,其輸出的電信號由 數(shù)據(jù)處理模塊8進行分析、處理和顯示。數(shù)據(jù)處理模塊8再連接至時序控制電路7,可按需 根據(jù)初測數(shù)據(jù)產(chǎn)生反饋控制信號到時序控制電路7,對信號積分時間(積累次數(shù)N s)等參數(shù) 進行自適應調(diào)整。當光電探測器的讀出幀速與被測信號頻率匹配時，其讀出全幀像元信號 的時間可以完全等同于被測信號周期，只是信號幅度值變?yōu)槎啻卫奂臃e分值。只做簡單測 試時，可直接在光電探測器的輸出端用示波器觀測被測信號時域波形。
[0023] 基于聲光掃描的自適應同步積分光接收機實現(xiàn)信號有效檢測時只需確定以下幾 個主要參數(shù)：根據(jù)信號周期T內(nèi)所需檢測精度設(shè)計聲光偏轉(zhuǎn)器的驅(qū)動掃頻范圍Λ f和線陣 光電探測器的像元個數(shù)m (確定聲光掃描分辨點數(shù)，一般可達幾百個點)。由此，掃頻步進 δ f ( δ f= Λ f/m)和頻點駐留時間t (t=T/m，對應掃頻速率）便可確定，積分時間（疊加次 數(shù)Ns)由系統(tǒng)所需改善的信噪比確定。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置可以通過固件程序預先設(shè)定， 也可通過通信接口外接電腦進行遠程設(shè)置和調(diào)控，本系統(tǒng)還可自動根據(jù)實測信號周期T和 初測信號數(shù)據(jù)對掃頻速率和積分時間等參數(shù)進行自適應調(diào)整。另外，只是關(guān)心被測信號周 期中某一段的信息時，設(shè)置全程掃頻時間小于被測信號的周期比較實用，可以由觸發(fā)電路 產(chǎn)生一固定延時的同步脈沖，其寬度與周期內(nèi)欲測信號長度對應，利用其高電平觸發(fā)將掃 描驅(qū)動信號源的掃頻時段設(shè)置在信號周期中需要檢測的位置，其余低電平時掃描驅(qū)動信號 源不被觸發(fā)無輸出，由此不關(guān)心時段的信號被直接濾掉，方便實現(xiàn)信號記錄分析的簡化處 理。當接收信號周期很短，為了確保頻點駐留時間充足(有效取樣)，也可以通過同步控制脈 沖將全程掃頻時間設(shè)置成大于接收信號的周期(一般取其整數(shù)倍)。由此，不難看出基于聲 光掃描的自適應積分光接收機實現(xiàn)有效檢測的參數(shù)選擇和設(shè)置非常簡單，針對不同信號檢 測方便靈活。目前光電探測器像元讀出速度可達百MHz以上，可實現(xiàn)大多數(shù)被測信號直接 按其周期時間輸出，對少數(shù)高頻被測信號可按其周期同比放大輸出，如此均方便使用示波 器進行觀測。若需對被測信號進行恢復還原處理也很簡單，只要根據(jù)累加次數(shù)N s相應壓縮 其幅度值，根據(jù)周期放大比例相應壓縮其周期即可；需要連續(xù)顯示信號波形時，將輸出信號 按讀出周期截去固定積分等待時段即可。
[0024] 本發(fā)明較之傳統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新點在于：巧妙利用光信號在線陣光電探測器的一行像 元上進行周期掃描，實現(xiàn)光信號的連續(xù)多點取樣，每個像元對各自的取樣部分進行多周期 光電轉(zhuǎn)換和積分后，再按序串行輸出全巾貞像兀數(shù)據(jù)。聲光掃描技術(shù)是一種綜合性強，適用 范圍廣的掃描技術(shù)，其特點是性能穩(wěn)定，掃描范圍寬，線性度好，且控制方便靈活。采用聲光 掃描技術(shù)進行自適應同步積分的光接收機輸出信號周期能夠完全保真，可直接利用普通示 波器觀測信號波形，高效、經(jīng)濟、快捷。
[0025] 基于聲光掃描的自適應同步積分光接收機充分利用了目前高速發(fā)展的聲光掃描 技術(shù)、光電探測技術(shù)和數(shù)字信號合成技術(shù)等技術(shù)優(yōu)勢，開辟了一種快速、高效、便捷檢測淹 沒在噪聲中的有用信息的一種新途徑，可廣泛用于軍事偵察、工業(yè)監(jiān)測、醫(yī)學診斷和科學探 索等領(lǐng)域。
[0026] 本發(fā)明的上述實施例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施 方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不 同形式的變化和變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案 所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于聲光掃描的自適應同步積分光接收機，其特征在于：包括順序設(shè)置在同一 光軸上建立光路系統(tǒng)的聚光整形系統(tǒng)、聲光偏轉(zhuǎn)器、聚焦系統(tǒng)和線陣光電探測器，線陣光電 探測器的光敏面設(shè)置在聚焦系統(tǒng)的焦平面上；被測光信號通過聚光整形系統(tǒng)進入該光路系 統(tǒng)； 還包括一觸發(fā)電路，觸發(fā)電路用于接收與被測信號同頻的參考信號并根據(jù)參考信號產(chǎn) 生與被測光信號同步的觸發(fā)脈沖；觸發(fā)電路通過掃描驅(qū)動信號源接聲光偏轉(zhuǎn)器，該同步脈 沖控制掃描驅(qū)動信號源定時輸出與被測信號周期一致的掃頻信號驅(qū)動聲光偏轉(zhuǎn)器，通過掃 頻信號的頻率變化幅度和快慢控制聲光偏轉(zhuǎn)器輸出光束的偏轉(zhuǎn)角度和速度，從而實現(xiàn)對信 號光掃描位置和掃描周期的控制； 觸發(fā)電路同時通過時序控制電路接線陣光電探測器，觸發(fā)電路產(chǎn)生的同步脈沖輸出到 時序控制電路，使時序控制電路產(chǎn)生同步的時序信號驅(qū)動線陣光電探測器工作，使掃描光 點在線陣光電探測器的像元陣列上按序完成光電轉(zhuǎn)換、積分和數(shù)據(jù)輸出； 所述線陣光電探測器的輸出接數(shù)據(jù)處理模塊，由數(shù)據(jù)處理模塊對線陣光電探測器輸出 的電信號進行分析、處理和顯示。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲光掃描的自適應同步積分光接收機，其特征在于：所 述數(shù)據(jù)處理模塊再連接至時序控制電路，可按需根據(jù)初測數(shù)據(jù)產(chǎn)生反饋控制信號到時序控 制電路，對信號積分時間等參數(shù)進行自適應調(diào)整。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲光掃描的自適應同步積分光接收機，其特征在于：所 述線陣光電探測器的輸出端接示波器，由示波器顯示被測光信號時域波形。
【文檔編號】G01J1/42GK104316173SQ201410647029
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】吳冉, 張澤紅, 陳永峰, 廖婷 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所