Динамический диапазон когерентного оптического анализатора спектра с жидкокристаллическим пространственным модулятором на входе при увеличении числа входных сигналов

Ссылка для цитирования:

Кузьмин М.С., Рогов С.А., Розов С.В. Динамический диапазон когерентного оптического анализатора спектра с жидкокристаллическим пространственным модулятором на входе при увеличении числа входных сигналов // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 6. С. 34–44. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-34-44

Kuzmin M.S., Rogov S.A., Rozov S.V. The dynamic range of a coherent optical spectrum analyzer with a liquid crystal spatial modulator at the input with an increase in the number of input signals [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 6. P. 34–44. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-06-34-44

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. В работе исследуется динамический диапазон когерентного оптического анализатора спектра сигналов с жидкокристаллическим пространственным модулятором света на входе. Цель работы. Теоретическая оценка уровня ложных сигналов на выходе анализатора спектра при увеличении числа входных гармоник и рассмотрение возможности снижения уровня ложных сигналов с помощью автоматической регулировки усиления. Экспериментальная проверка полученных расчётных соотношений и измерение динамического диапазона анализатора спектра с жидкокристаллическим пространственным модулятором света на входе. Метод. Теоретический анализ уровня ложных сигналов в выходном сигнале оптического анализатора спектра осуществляется на основе представления нелинейной зависимости пропускания жидкокристаллического устройства ввода по амплитуде света от входного управляющего сигнала в виде разложения в ряд по степенным функциям в окрестности рабочей точки этой характеристики модулятора. Рассматривается влияние нелинейных членов разложения второго, третьего и более высоких порядков на динамический диапазон анализатора спектра при разном числе сигналов на входе как при использовании системы автоматической регулировки, так и без неё. Экспериментальные исследования осуществляются с помощью действующего макета анализатора спектра. Основные результаты. Показано, что при увеличении числа входных гармоник больше трёх, обычно используемых при исследовании устройств с нелинейной характеристикой, их динамический диапазон может уменьшаться из-за увеличения уровня ложных сигналов. Предложено использовать систему автоматической регулировки усиления для ограничения максимального уровня этих сигналов. Показано, что при небольшом числе сигналов на входе анализатора спектра использование автоматической регулировки усиления нецелесообразно, а величина динамического диапазона по одному, двум и трём сигналам связана простыми соотношениями. Практическая значимость. Предложенный в работе подход и полученные результаты могут быть использованы при анализе динамического диапазона как анализаторов спектра, так и других устройств обработки сигналов, а также голографических устройств с жидкокристаллическими пространственными модуляторами света.

Ключевые слова:

оптическая обработка сигналов, когерентный оптический анализатор спектра, оптические устройства обработки с пространственным интегрированием, жидкокристаллический модулятор света, динамический диапазон, увеличение числа входных сигналов, автоматическая регулировка усиления

Коды OCIS: 070.4560, 070.1170, 070.4790, 070.6120

Список источников:

1. Престон К. Когерентные оптические вычислительные машины / Перевод с англ. В.Г. Страхова и др. М.: Мир, 1974. 400 с.

Preston K. Coherent optical computers. New York: McGraw-Hill, 1972. 315 p.

2. Терпин Т.М. Спектральный анализ сигналов оптическими методами // Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике: ТИИЭР. 1981. Т. 69. № 1. С. 92–108.

Terpin T.M. Spectrum analysis using optical processing // Proc. of the IEEE. 1981. V. 69. № 1. P. 79–92. https://doi.org/10.1109/PROC.1981.11922

3. Гринёв А.Ю., Наумов К.П., Пресленева Л.Н., Тигин Д.В., Ушаков В.Н. Оптические устройства в радиотехнике: Учебное пособие для вузов / Под. ред. В.Н. Ушакова. М.: Радиотехника, 2009. 264 с.

Grinev A.Yu., Naumov K.P., Presleneva L.N., Tigin D.V., Ushakov V.N. Optical devices in radio engineering: A textbook for universities / Ed. by V.N. Ushakov. M.: Radio Engineering, 2009. 264 p.

4. Аронов Л.А., Ушаков В.Н. Спектральный анализ радиосигналов средствами радиофотоники // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2015. Вып. 4. С. 11–15.

Aronov L.A., Ushakov V.N. Microwave signals spectrum analysis by means of microwave photonics // Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2015. № 4. P. 11–14.

5. Грачев С.В., Наумов К.П., Ушаков В.Н. и др. Акустооптические процессоры спектрального типа. М.: Издательство «Радиотехника», 2012. 192 с.

Grachev S.V., Naumov K.P., Ushakov V.N. et al. Acousto-optic processors of spectral type. Moscow: Radiotekhnika, 2012. 192 p.

6. Антонов Ю.Г., Аронов Л.А., Грачев С.В., Ушаков В.Н. Автоматизированный комплекс мониторинга радиотехнической обстановки на основе акустооптического спектрометра-фазометра // Радиотехника. 2009. № 3. С. 92–96.

Antonov Yu.G., Aronov L.A., Grachev S.V., Ushakov V.N. Automated complex for monitoring the radio-technical situation on the basis of an acousto-optical spectrometer-phase meter // Radiotekhnika. 2009. № 3. P. 92–96.

7. Роздобудько В.В., Помазанов А.В., Крикотин С.В., Примак В.П., Буянов А.Б., Шибаев С.С., Новиков В.М. Акустооптический измеритель частотно-временных параметров СВЧ радиосигналов // Специальная техника. 2011. № 3. С. 8–24.

Rozdobudko V.V., Pomazanov A.V., Krikotin S.V., Primak V.P., Buyanov A.B., Shibaev S.S., Novikov V.M. Acousto-optical meter of frequency-time parameters of microwave radio signals // Special Equipment. 2011. № 3. P. 8–24.

8. Анищенко А.В., Рогов С.А., Высоцкий М.Г., Катков Б.Г., Парфенов В.А., Розов С.В., Скороход В.В., Тутыгин В.С., Южаков А.В. Акустооптоэлектронный приемник — анализатор спектра для измерения параметров радиосигналов в реальном масштабе времени // Радиотехника. 2012. № 5. С. 18–24.

Anishchenko A.V., Rogov S.A., Vysotsky M.G., Katkov B.G., Parfenov V.A., Rozov S.V., Skorokhod V.V., Tutygin V.S., Yuzhakov A.V. Acousto-optoelectronic receiver — spectrum analyzer for measuring parameters of radio signals in real time // Radiotekhnika. 2012. № 5. P. 18–24.

9. Зайченко К.В., Гуревич Б.С. Акустооптическая вейвлет-обработка биоэлектрических сигналов // Письма в журнал технической физики. 2022. Т. 48. № 1. С. 36–38. https://doi.org/10.21883/PJTF.2022.01.51877.18988

Zaichenko K.V., Gurevich B.S. Acousto-optic wavelet processing of bioelectric signals // Technical Physics Letters. 2022. V. 48. № 1. P. 27–29. https://doi.org/ 10.21883/TPL.2022.01.52463.18988

10. Hecht D.L. Multifrequency acoustooptic diffraction // IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. 1977. V. 24. № 1. P. 7–18. https://doi.org/10.1109/T-SU.1977.30905

11. Петрунькин В.Ю., Водоватов И.А. Многочастотная дифракция света на ультразвуке // Изв. вузов. Радиофизика. 1984. Т. 27. № 3. C. 332–340.

Petrun'kin V.Y., Vodovatov I.A. Multifrequency diffraction of light by ultrasound // Radiophys Quantum Electron. 1984. V. 27. № 3. P. 18–224. https://doi.org/10.1007/BF01035041

12. Захарченко С.В., Батурин А.С. Метод нахождения приближенного решения задачи многочастотной акустооптической дифракции // Труды МФТИ. 2013. Т. 5. № 1. C. 44–52.

Zaharchenko S.V., Baturin A.S. Approach to an approximate solution to the multifrequency acoustooptic interaction problem // Proceedings of MPTI. 2013. V. 5. № 1. P. 44–52.

13. Евтихиев Н.Н., Стариков С.Н., Злоказов Е.Ю., Проценко Е.Д., Солякин И.В., Стариков Р.С., Шапкарина Е.А., Шаульский Д.В. Макет инвариантного коррелятора на базе жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света // Квантовая электроника. 2012. Т. 42. № 11. C. 1039–1041.

Evtikhiev N.N., Starikov S.N., Protsenko E.D., Zlokazov E.Yu., Solyakin I.V., Starikov R.S., Shapkarina E.A., Shaulskiy D.V. Model of an invariant correlator with liquid-crystal spatial light modulators // Quantum Electronics. 2012. Т. 42. № 11. P. 1039–1041. https://doi.org/10.1070/QE2012v042n11ABEH015009

14. Su Zhang, Jin Duan, Qiang Fu, Wen-sheng Wang. Infrared zoom lens design based on target correlation recognition and tracking // Proc. SPIE / Optical Design and Manufacturing Technologies. 2015. (15 October) P. 967607. https://doi.org/10.1117/12.2197584

15. Кузьмин М.С., Рогов С.А. Оптический фурье-процессор с жидкокристаллическим устройством ввода информации // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 3. С. 23–29.

Kuz'min M.S., Rogov S.A. Optical fourier processor with a liquid crystal input device // Journal of Optical Technology. 2015. V. 82. № 3. P. 147–152. https://doi.org/10.1364/JOT.82.000147

16. Kuzmin M.S., Rogov S.A. Signal parallel input liquid-crystal devices for multichannel optical processing systems // Optical Memory & Neural Networks (Information Optics). 2016. V. 25. № 2. P. 114–117. https://doi.org/10.3103/S1060992X16020089

17. Гончаров Д.С., Евтихиев Н.Н., Краснов В.В., Пономарев Н.М., Стариков Р.С. Влияние дополнительной фазовой модуляции амплитудных жидкокристаллических ПВМС на характеристики распознавания изображений в инвариантном оптико-цифровом корреляторе // Компьютерная оптика. 2019. Т. 43. № 2. С. 200–209.

Goncharov D.S., Evtikhiev N.N., Krasnov V.V., Ponomarev N.M., Starikov R.S. The influence of additional phase modulation of an amplitude liquid crystal STLM on the image recognition characteristics in the invariant optical digital correlator // Computer Optics. 2019. V. 43. № 3. P. 200–208. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-2-200-208

18. Давыдов В.В., Кузьмин М.С., Рогов С.А. Об использовании многорастрового ввода одномерных сигналов в двумерных оптических корреляторах // Компьютерная оптика. 2019. Т. 43. № 3. С. 391–396. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-3-391-396

Davydov V.V., Kuzmin M.S., Rogov S.A. On the use of a multi-raster input of one-dimensional signals in two-dimensional optical correlators // Computer Optics. 2019. V. 43. № 3. P. 391–396. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-3-391-396

19. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. Перевод с английского под редакцией Ю.И. Островского. М: Издательство «Мир». Редакция литературы по физике, 1973. 688 с.

Collier R.J., Burckhardt C.B. Optical holography optical holography. New Jersey: Murray Hill, Elsevier Inc., 1971. 605 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-181050-4.X5001-X

20. Дьяконов В. Выбор цифровых анализаторов спектра с учетом их нелинейности и измерений уровня // Компоненты и технологии. 2009. № 9. С. 153–161.

Dyakonov V. Choice of digital spectrum analyzers taking into account their nonlinearity and level measurements // Components and technologies. 2009. № 9. P. 153–161.

21. Дюбов А.С., Кузьмин М.С., Рогов С.А. Динамический диапазон когерентного оптического спектроанализатора с жидкокристаллической матрицей для ввода сигналов // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 2. С. 78–88. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022- 90-02-78-88

Diubov A.S., Kuzmin M.S., Rogov S.A. Dynamic range of a coherent optical spectrum analyzer with a liquid-crystal matrix signal-input device [in Russian] // Journal of Optical Technology. 2023. V. 90. № 2. P. 98–104. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000098

22. Евтихиев Н.Н., Злоказов Е.Ю., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков Р.С., Черёмхин П.А. Высокоскоростная оперативная реализация голографических и дифракционных элементов с применением микрозеркальных пространственно-временных модуляторов света // Квантовая электроника. 2020. Т. 50. № 7. С. 667–674.

Evtikhiev N.N., Zlokazov E.Yu., Krasnov V.V., Rodin V.G., Starikov R.S., Cheremkhin P.A. High-speed implementation of holographic and diffraction elements using digital micromirror devices // Quantum Electron. 2020. V. 50. № 7. P. 667–674. http://doi.org/10.1070/QEL17295

23. Казанский Н.Л., Хонина С.Н., Карпеев С.В., Порфирьев А.П. Дифракционные оптические элементы для мультиплексирования структурированных лазерных пучков // Квантовая электроника. 2020. Т. 50 № 7. P. 629–635.

Kazanskiy N.L., Khonina S.N., Karpeev S.V., Porfirev A.P. Diffractive optical elements for multiplexing structured laser beams // Quantum Electron. 2020. V. 50. № 7. P. 629–635. http://doi.org/10.1070/QEL17276

24. Кузьмин М.С., Рогов С.А. Влияние нелинейности регистрации спектра в корреляторе совместного преобразования при распознавании одинаковых образов // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 8. С. 64–69.

Kuz’min M.S., Rogov S.A. Effect of spectral recording nonlinearity in a joint transform correlator for recognition of identical patterns // Journal of Optical Technology. 2017. V. 84. № 8. P. 557–561. https://doi.org/10.1364/JOT.84.000557