一種基于異步探測的聲光實時信號分析儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信號時頻分析技術(shù)，具體涉及一種基于異步探測的聲光實時信號分析儀，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]隨著科技進(jìn)步，人們需要探知的信號從穩(wěn)定、有規(guī)律、可以預(yù)知向著無法預(yù)知、瞬變和越來越復(fù)雜的方向發(fā)展。在現(xiàn)代信號處理方法中，時間和頻率是描述信號的最重要的兩個物理量，并且信號的時域和頻域之間具有緊密的聯(lián)系。將一維的時間信號映射到一個二維的時頻平面，在時頻域全面詳細(xì)地描述、觀察信號的時頻分析法近來受到越來越廣泛的運用。傳統(tǒng)的掃頻式(超外差式)頻譜分析儀以一定步長掃描整個頻段，由于掃描整個頻段需要一段時間，通常會漏掉在當(dāng)前掃描頻段之外發(fā)生的重要瞬態(tài)事件。對于瞬態(tài)信號來說，必須具備實時捕獲能力，即能在所關(guān)心的頻段內(nèi)一次性地捕獲所有信號。目前在數(shù)字技術(shù)領(lǐng)域是利用短時傅立葉變換、Winger-Ville分布以及小波變換等算法理論進(jìn)行瞬態(tài)信號的分析，但其都有一個共同的缺點:缺乏自適應(yīng)性，對于不規(guī)則的信號很容易導(dǎo)致假頻現(xiàn)象。另外，由于數(shù)字采樣速率和數(shù)據(jù)處理容量的限制，純數(shù)字式的瞬態(tài)信號分析儀在檢測信號時無法兼顧大帶寬和高動態(tài)性能。
[0004]聲光頻譜分析儀，是利用聲光互作用原理對信號頻譜成分進(jìn)行分析識別的。傳統(tǒng)技術(shù)在其光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用基于同步掃描讀出的幀模式光電檢測器，信號輸出時在像素上至少有一個幀周期的積分時間，所以測得信號的時間精度很差。例如，2006年6月出版的《壓電與聲光》(第28卷第3期P269?271)公開的“基于Bragg衍射的聲光頻譜分析儀”提出了利用Bragg聲光器件對電磁頻譜進(jìn)行快速檢測的技術(shù)方案。但是，這種聲光頻譜分析儀在光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)采用的是讀取速度很慢的電荷耦合器件(CCD)，其逐個像素地輸出經(jīng)過一段時間積累后的信號，只能檢測到這段時間存在什么頻率而不能指明這些頻率存在的具體時刻，即不能表達(dá)瞬時頻率，存在時間分辨上的模糊。
[0005]目前日益復(fù)雜的電磁信號環(huán)境迫切需要具有瞬時大帶寬、高動態(tài)，可以實現(xiàn)真正意義上的時間-頻率分析的信號處理系統(tǒng)，同時這也就意味著采用數(shù)字分析技術(shù)會產(chǎn)生巨大的輸出數(shù)據(jù)量，產(chǎn)生較高的傳輸功耗，增加對信道數(shù)量、存儲器以及運算處理系統(tǒng)的要求，而這些要求對目前的器件水平來說基本是不可行的。所以需要尋求新的技術(shù)途徑來解決目前對復(fù)雜信號進(jìn)行實時分析處理的難題。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種兼具大帶寬、高靈敏度和大動態(tài)性能、能有效實現(xiàn)瞬態(tài)信號監(jiān)測、且能實時處理并行信號的基于異步探測的聲光實時信號分析儀。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種基于異步探測的聲光實時信號分析儀，包括激光器、光束整形裝置、聲光偏轉(zhuǎn)器、功率適配器、傅氏透鏡、AER異步線陣圖像傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊；其中激光器、光束整形裝置、聲光偏轉(zhuǎn)器和傅氏透鏡順次設(shè)置在同一光軸上建立光路系統(tǒng)，所述AER異步線陣圖像傳感器設(shè)置在傅氏透鏡的聚焦平面上，AER異步線陣圖像傳感器的輸出接數(shù)據(jù)處理模塊；光束整形裝置用于將激光器產(chǎn)生的光束整形為扁平光束以與聲光偏轉(zhuǎn)器的有效通光孔徑相匹配并入射到聲光偏轉(zhuǎn)器的光窗上，所述功率適配器用于將被測電信號s (t)幅度變化范圍調(diào)整到與聲光偏轉(zhuǎn)器的最佳驅(qū)動功率范圍相匹配并輸出給聲光偏轉(zhuǎn)器；聲光偏轉(zhuǎn)器輸出的各條衍射光束通過傅氏透鏡完成空間傅立葉變換，并入射到AER異步線陣圖像傳感器的像素上進(jìn)行光信號采集和轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊對AER異步線陣圖像傳感器輸出的各像素的空間位置及該像素所感應(yīng)光電流的大小進(jìn)行運算處理，轉(zhuǎn)換成被測信號相應(yīng)的時頻域參數(shù)并進(jìn)行存儲顯示。
[0009]所述AER異步線陣圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)包括依次連接的光電流對數(shù)轉(zhuǎn)換單元、變化差值放大單元和邏輯判斷單元；其中邏輯判斷單元包括兩個電壓比較器，通過對前級信號同時進(jìn)行兩次比較判斷光強(qiáng)是否變化以及發(fā)生變化的屬性，兩個比較器的閾值電壓設(shè)定為一正一負(fù)，以區(qū)別光強(qiáng)變化是增大還是減弱。
[0010]本發(fā)明利用高頻寬帶聲光偏轉(zhuǎn)器實現(xiàn)大帶寬高動態(tài)信號監(jiān)測識別，再利用AER異步線陣圖像傳感器對頻點信道進(jìn)行異步探測瞬時響應(yīng)輸出，真正實現(xiàn)復(fù)雜信號的實時頻譜分析。AER異步線陣圖像傳感器是一種擁有異步事件響應(yīng)的傳感器，其實時判斷所監(jiān)控區(qū)域光強(qiáng)的變化，并將發(fā)生變化像素的“事件”和“地址”立即輸出，無變化的像素則無任何輸出。
[0011]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:
1、兼具大帶寬、高靈敏度和大動態(tài)性能。
[0012]2、時間精度高，有效實現(xiàn)瞬態(tài)信號監(jiān)測。
[0013]3、從根本上解決了數(shù)據(jù)冗余問題。
[0014]4、能實時處理并行信號，對不同種類信號適應(yīng)能力強(qiáng)。
[0015]
【附圖說明】
[0016]圖1-本發(fā)明基于異步探測的聲光實時信號分析儀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2-本發(fā)明聲光偏轉(zhuǎn)器輸出衍射光信號時域變化規(guī)律示意圖。
[0018]圖3-本發(fā)明AER異步線陣圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4-本發(fā)明用脈沖來表示像素光強(qiáng)變化信息的信號轉(zhuǎn)換示意圖。
[0020]
【具體實施方式】
[0021]參見圖1，從圖上可以看出，本發(fā)明包括激光器1、光束整形裝置2、聲光偏轉(zhuǎn)器3、功率適配器4、傅氏透鏡5、AER異步線陣圖像傳感器6和數(shù)據(jù)處理模塊7。上述中，光學(xué)部件激光器1、光束整形裝置2、聲光偏轉(zhuǎn)器3、傅氏透鏡5、AER異步線陣圖像傳感器6順次設(shè)置在同一光軸上建立光路系統(tǒng)。將被測電信號S(t)先輸入功率適配器4，以調(diào)整其幅度變化范圍與聲光偏轉(zhuǎn)器3的最佳驅(qū)動功率范圍相匹配。激光器I產(chǎn)生的光束經(jīng)光束整形裝置2后變成扁平光束(匹配聲光偏轉(zhuǎn)器3的有效通光孔徑)入射到聲光偏轉(zhuǎn)器3的光窗上，從通光孔穿越聲光偏轉(zhuǎn)器3。此時，根據(jù)聲光偏轉(zhuǎn)器的工作原理，該光束將隨聲光偏轉(zhuǎn)器3驅(qū)動信號中所含頻率成分產(chǎn)生對應(yīng)偏轉(zhuǎn)角度的衍射光束。各條衍射光束通過傅氏透鏡5(傅立葉透鏡)完成空間傅立葉變換，并入射到AER異步線陣圖像傳感器6的像素上進(jìn)行光信號采集和轉(zhuǎn)換。AER異步線陣圖像傳感器6設(shè)置在傅氏透鏡5的聚焦平面上，根據(jù)聲光頻譜分析儀的工作原理，通過檢測AER異步線陣圖像傳感器6上各光點的空間位置(像素“地址”)便可以獲得此時被測信號的頻率成分，檢測該像素所感應(yīng)光電流的大小(像素“事件”)便可以獲知信號中各頻率成分的強(qiáng)弱，從而實現(xiàn)信號的實時頻譜分析。數(shù)據(jù)處理模塊7對AER異步線陣圖像傳感器6輸出的“事件”和“地址”碼進(jìn)行運算處理，轉(zhuǎn)換成被測信號相應(yīng)的時頻域參數(shù)并進(jìn)行存儲顯示等。
[0022]本發(fā)明在光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的信號讀取方式上創(chuàng)新性地采用了基于AER(Address-event Representat1n，地址-事件表達(dá))技術(shù)的異步事件響應(yīng)傳輸模式。其特點在于設(shè)計光檢器件根據(jù)光照信息的變化自主進(jìn)行異步響應(yīng)實時輸出，以對被測信號實現(xiàn)高速處理，由此也可避免因采用同步幀掃描讀取方式輸出大量無用數(shù)據(jù)所造成的信息冗余。特別是針對稀疏瞬變信號的檢測，異步事件響應(yīng)傳輸模式具有非常顯著的優(yōu)勢。系統(tǒng)的光檢器件采用AER異步線陣圖像傳感器，其將每個像素產(chǎn)生的“事件”與一個高速傳輸總線連接，當(dāng)該像素被選中后通過總線對數(shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生一個請求信號，數(shù)據(jù)處理模塊接收到請求后，通過總線將像素的“事件”和“地址”碼讀出，隨后處理電路產(chǎn)生一個確認(rèn)脈沖信號返回到像素陣列表示完成一次數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)聲光偏轉(zhuǎn)器響應(yīng)到被測信號并將頻譜信息轉(zhuǎn)換成AER異步線陣圖像傳感器上的光點位置和強(qiáng)度信息時，光點照射到的像素，被立即判定為有“事件”發(fā)生并輸出該像素所感應(yīng)的光強(qiáng)和地址數(shù)據(jù)，無光點照射的像素則被判定為無“事件”發(fā)生，不輸出任何數(shù)據(jù)。若信號中含有多個頻率成分，多個像素會同時被光點照射到并判定為有“事件”發(fā)生，此時采取由仲裁電路進(jìn)行判決依次排序輸出的方式，并可在后續(xù)數(shù)據(jù)處理模塊中進(jìn)行時間延遲修正，保證信號還原的時間精度。
[0023]不可避