АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК G01R23/16 G01R23/17 G02F1/33 

Предлагаемое изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя параметров радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и радиоразведке.

Известен акустооптический (АО) анализатор спектра с пространственным интегрированием (опубл. в кн.: Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени /О.Б.Гусев, С.В.Кулаков, Б.П.Разживин, Д.В.Тигин; Под ред. Кулакова С. В. - М.: Радио и связь. - 1989. - 136 с., на стр. 48, в состав которого входят последовательно включенные (по свету) лазер, конденсор и коллиматор, образующие оптический каскад перехода от лазерного пучка к плоской световой волне заданной апертуры, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, Фурье-линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является наличие частотной и амплитудной погрешностей, связанных с неточностью Фурье-преобразования, осуществляемого в оптических системах идеальной линзой, причем указанные погрешности тем значительней, чем более широкополосным является анализатор и чем более значительны линейные размеры линейки фотоприемников.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются последовательно включенные (по свету) лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, Фурье-линза, осуществляющая интегральное Фурье- преобразование, в качестве которой в предлагаемом изобретении использована интегрирующая линза, и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.

Известен также акустооптический частотомер (опубл. в статье Роздобудько В. В. "Акустооптический СВЧ частотомер на основе аномальной дифракции в LiNbO₃", Радиоэлектроника. - 1992. - N 9. - с. 74-78, на стр. 75), предназначенный для работы в широком диапазоне рабочих частот; частотомер содержит последовательно включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, регистрирующее устройство, реализованное в виде линейки фотодиодов, выходы которых через набор видеоусилителей и пороговых устройств нагружены на шифратор, осуществляющий преобразование позиционного кода, несущего информацию о координате центра дифрагированного пятна, в код частоты.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является наличие в аналоге систематической частотной погрешности, обусловленной неточностью Фурье-преобразования, осуществляемого интегрирующей линзой, что выражается, как показано ниже, в наличии нелинейной составляющей в зависимости координаты дифрагированного пятна света от частоты измеряемого радиосигнала.

Признаками, общими с заявляемым предлагаемым изобретением, являются последовательно включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, интегрирующая линза и линейка фотоприемников, в качестве которой в аналоге используется линейка фотодиодов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: акустооптический частотомер (а. с. СССР N 1265636, МКИ 4 G 01 R 23/16. Акустооптический частотомер. Вернигоров Н.С., Задорин А.С., Шарангович С.Н.; опубликовано 23 октября 1986 г. в бюллетене N 39 на с. 162). Устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, линзу и позиционно-чувствительный фотоприемник, причем между коллиматором и дефлектором на половине световой апертуры расположено устройство сдвига частоты излучения лазера, а к выходам позиционно чувствительного фотоприемника подключены фазометры, первые входы которых нагружены на соответствующие выходы фотоприемников, а вторые входы подключены к фотоприемнику, расположенному на оптической оси частотомера.

Признаками, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, интегрирующая линза и линейка фотоприемников, в качестве которой в прототипе используется позиционно-чувствительный фотоприемник.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является недостаточная точность измерения частоты радиосигнала. Погрешность прототипа определяется условиями работы его оптической части в так называемом параксимальном приближении (при малых углах дифракции θ_Д:θ_Д ≈ sinθ_Д ≈ tgθ_Д), когда имеет место линейная зависимость между координатой ξ - максимума интенсивности дифрагированного пятна света от частоты входного радиосигнала - f. Эта погрешность носит систематический характер и она тем больше, чем в более широкой полосе частот и при больших углах дифракции работает частотомер.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности измерения частотных параметров радиосигналов.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в увеличении точности измерения частоты примерно на порядок при типовых параметрах АО измерителя параметров радиосигналов, использующегося в качестве частотомера (диапазон частот (1,5 - 2,0) ГГц, используемые элементы: лазер с λ = 0,63 мкм; дефлектор со скоростью ультразвука ν = 3,6 м/c, а также 128-элементная линейка фотоприемников с общим размером h = 32 мм). Дополнительным эффектом, достигаемым при осуществлении изобретения, является уменьшение погрешности измерения амплитуды радиосигнала.

Технический результат достигается за счет нового расположения линейки фотоприемников, при котором влияние нелинейной составляющей в зависимости координаты дифрагированного пятна света от частоты измеряемого радиосигнала существенно уменьшено.

Для достижения технического результата в АО измерителе параметров радиосигналов, содержащем последовательно включенные лазер с длиной волны световых колебаний - λ, коллиматор, акустооптический дефлектор со скоростью ультразвука ν, на электрический вход которого подается измеряемый сигнал, интегрирующую линзу и линейку фотоприемников; линейка фотоприемников располагается так, что один из фотоэлементов линейки фотоприемников, которому соответствует рабочая частота

отстоит от интегрирующей линзы на расстояние, равное фокусному расстоянию интегрирующей линзы F, причем сама линейка фотоприемников по отношению к фокальной плоскости интегрирующей линзы наклонена на угол θ, равный θ = arctg(λf₀/ν), где f_н и f_в - нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания АО измерителя параметров радиосигналов, а f₀=(f_н + f_в)/2 - его центральная рабочая частота.

Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Если сопоставить соотношения для линейной пространственной частоты АО измерителя параметров радиосигналов ν₀ = ξ/λF, где ξ - координата линейки фотоприемников в фокальной плоскости интегрирующей линзы с соотношением, реально описывающим зависимость между пространственной частотой АО измерителя параметров радиосигналов - V₁ координатой (см., например, Гуревич С.Б. и др. "Передача и обработка информации голографическими методами". - М.: Сов. Радио. - 1978. - 304 с., или Бобров С.Т., "Оптическое Фурье-преобразование с точки зрения геометрической оптики". Оптика и спектроскопия. - т. 67. N 4. - 1989. -с. 851-855.), то выражение для относительной частотной погрешности можно записать в виде

Таким образом, погрешность определяется соотношением между размерами (координатой) линейки фотоприемников и фокусным расстоянием интегрирующей линзы; она выражается в том, что масштаб оси частот, являясь постоянным на сфере радиуса F, в задней фокальной плоскости интегрирующей линзы увеличивается с увеличением частоты. Поэтому, чем больше область частотной плоскости и чем более широкополосным является АО измеритель параметров радиосигналов, тем больше будет и его частотная погрешность.

Из соотношения (1) видно, погрешность преобразования отсутствует только вблизи нулевых (ξ _→ 0) пространственных частот. АО измерители параметров радиосигналов работают в полосе частот Δf_Σ от f_н до f_в; последним соответствуют координаты ξ_н и ξ_в линейки фотоприемников с общей протяженностью h = ξ_н-ξ_в. Поскольку точное Фурье-преобразование осуществляется, как отмечалось выше, на сфере (в нашем случае на окружности) радиуса F, а линейка фотоприемников является плоской (линией), то преобразование без погрешности может осуществляться только в одной фиксированной точке. Выберем такую точку. Для чего осуществим привязку линейки фотоприемников в точке ξ_к (на частоте f_к) и потребуем, чтобы на ее краях погрешности были минимальными и равными друг другу.

Выполнение данных условий возможно, если Δf_н = Δf_в


а частота привязки выбрана равной которой соответствует координата линейки фотоприемников а угол ее наклона составляет величину, равную tgθ₀ = (ξ_в+ξ_н)/2F, что следует из преобразования

где ξ_в-ξ_н = h - есть размер линейки фотоприемников;
tgθ = (ξ_в+ξ_н)/2F - угол наклона линейки фотоприемников.

Таким образом, фактически в предлагаемом устройстве местоположение линейки фотоприемников зависит от ее геометрических размеров и от величины полосы рабочих частот АО измерителя параметров радиосигналов. На расстоянии, равном фокусному, размещается только один из элементов линейки фотоприемников; при этом он касается окружности радиуса F; а сама линейка фотоприемников наклонена на угол, при котором она располагается по касательной к этой же окружности. Оценим степень уменьшения погрешности в предлагаемом АО измерителе параметров радиосигналов в сопоставлении с прототипом и аналогами. Сопоставление проведем для АО измерителей параметров радиосигналов диапазона (1,5 - 2,0) ГГц, в составе которых используются элементы: лазер λ = 0,63 мкм; дефлектор со скоростью ультразвука ν = 3,6 м/c, а также 128-элементная линейка фотоприемников с общим размером h = 32 мм (последнее соответствует линейке фотоприемников типа ФПУ-14). В таком АО измерителе параметров радиосигналов координата ξ зависит от частоты входного сигнала f в соответствии ξ = Fλf/ν, а фокусное расстояние интегрирующей линзы выбирается из условия F = hν/Δf_Σ•λ, где Δf_Σ - заданный диапазон рабочих частот АО измерителя параметров радиосигналов. Расчет Δ_f для прототипа по формуле (1) дает значение Δ_f, равное 6 МГц, что составляет величину, приблизительно равную трем частотным дискретам АО измерителя параметров радиосигналов, тогда как, в соответствии с формулой (3), для предлагаемого устройства Δ_f составляет величину, меньшую 0,5 дискреты.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Заявляемое устройство содержит последовательно расположенные на одной оптической оси: лазер 1 с длиной волны световых колебаний λ, коллиматор 2, акустооптический дефлектор 3, имеющий электрический вход, оптический вход и выход и скорость ультразвука среды АО дефлектора 3, равную ν; интегрирующую линзу 4 с фокусным расстоянием F; линейку фотоприемников 5 с расстоянием от первого до последнего фотоэлемента h. Причем линейка фотоприемников 5 в предлагаемом изобретении расположена так, что на расстоянии, равном фокусному расстоянию интегрирующей линзы 4, отстоит только один из фотоэлементов линейки фотоприемников 5, координата которого ξ_к, а сама линейка фотоприемников 5 повернута (наклонена) к интегрирующей линзе 4 на угол, равный половине величины угла Брэгга на центральной рабочей частоте АО измерителя параметров радиосигналов θ ≈ λf/ν.
Принцип работы заявляемого устройства и обеспечиваемый им технический результат заключаются в следующем.

На электрический вход АО дефлектор 3 подается входной радиосигнал частоты f. В среде АО дефлектора 3 радиосигнал распространяется со скоростью ν в виде своего акустического аналога. На оптический вход АО дефлектора 3 через коллиматор 2 от лазера 1 подаются световые колебания с длиной волны λ. Коллиматор 2 служит для формирования необходимой геометрии пучка света, которая определяет такие технические параметры АО измерителя параметров радиосигналов, как разрешение, чувствительность и другие. Луч света падает на оптический вход дефлектора 3 под углом, обеспечивающим эффективную работу АО измерителя параметров радиосигналов в полосе рабочих частот -Δf_Σ.
В АО дефлекторе 3 свет дифрагирует на акустическом аналоге входного радиосигнала и с оптического выхода АО дефлектора 3 свет проходит через интегрирующую линзу 4 и фокусируется на линейке фотоприемников 5.

С линейки фотоприемников 5 информация о местоположении дифрагированного пятна света и его амплитудном распределении передается потребителю. В случае, если АО измеритель параметров радиосигналов используется как частотомер, то с линейки фотоприемников 5 снимается информация о координате центра дифрагированного пятна света и значения максимума его интенсивности. Координата центра дифрагированного пятна света соответствует значению несущей частоты радиосигнала, находящегося в апертуре АО дефлектора 3, а интенсивность максимума пятна света соответствует амплитуде радиосигнала. В заявляемом АО измерителе параметров радиосигналов уменьшение частотных (и амплитудных) погрешностей достигается путем выбора соответствующего местоположения и ориентации линейки фотоприемников 5. Обоснование предлагаемого решения заключается в следующем. Известно, что точное Фурье-преобразование, осуществляемое идеальной линзой с фокусным расстоянием F, имеет место на сфере радиуса F (см, например, кн. Гуревич С.Б. и др. Передача и обработка информации голографическими методами. -М.: Сов. Радио. - 1978. - 304 с. на с. 204-222). Так называемое параксиальное приближение фактически состоит в том, что сфера заменяется плоскостью, отстоящей от линзы на расстоянии F, что, как отмечалось выше, справедливо при малых углах дифракции, когда можно считать sinθ_Д = tgθ_Д = θ_Д. Оба отмеченных факта хорошо известны и соответствующие этому случаю частотные (амплитудные) погрешности, применительно к осесимметричным оптическим процессорам, проанализированны в работах (см., например, кн. Гуревич С.Б. и др. Передача и обработка информации голографическими методами. - М.: Сов. Радио. - 1978. - 304 с. и в статье Бобров С.Т. "Оптическое Фурье-преобразование с точки зрения геометрической оптики", Оптика и спектроскопия. - т. 67. -N 4. - 1989. с. 851-855). В оптических процессорах уменьшение или устранение погрешностей возможно при применении в их составе специальных Фурье-линз (Фурье-объективов) с синусной дисторсией. Изготовление таких линз является трудоемким и дорогим процессом. Акустооптические процессоры и, в частности АО измерители параметров, не являются в оптическом отношении осесимметричными устройствами; в них отсутствует область нулевых пространственных частот, а сами частоты могут быть одного знака - положительными или отрицательными. Последнее обстоятельство и используется в предлагаемом техническом решении, обеспечивающем уменьшение погрешностей в АО измерителях параметров радиосигналов.

Практическая реализация заявляемого устройства сомнений не вызывает: все элементы в него входящие являются общими для указанных выше аналогов и прототипа.

Предлагаемый АО измеритель параметров радиосигналов, использующийся в качестве частотомера диапазона СВЧ, может быть выполнен на основе следующих элементов. Лазер 1 целесообразно использовать газовый Ne-He, например, типов ЛГН-219, ЛГН-223, ЛГН-208, или полупроводниковый - видимого (ИЛПН-207) или инфракрасного диапазона.

Акустооптический дефлектор 3 для диапазона частот (500 - 3000) МГц может быть выполнен на основе таких материалов, как LiNbO₃ или PbMoO₄, а для диапазона частот менее 500 МГц АО дефлектор 3 может быть выполнен на основе TeO₂.

В качестве линейки фотоприемников 5 в измерителе могут быть применены либо приборы с зарядовой связью (ПЗС), например линейки типов 1200ЦЛ1, 1200ЦЛ5 и др. , либо фотодиодные матрицы отечественного производства типов ФПУ-14, МФ-14 и др.

К оптическим элементам, входящим в измеритель, особых требований не предъявляется; и коллиматор 2, и интегрирующая линза 4 могут быть выполнены по стандартной технологии, например, из стекла марки K8. В качестве коллиматора 2 возможно применения стандартного объектива.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя параметров радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и радиоразведке. Технический результат, заключающийся в увеличении точности измерения частоты, достигается тем, что в акустооптическом измерителе параметров радиосигналов, содержащем последовательно включенные лазер с длиной волны световых колебаний λ, коллиматор, акустооптический дефлектор, со скоростью ультразвука υ, на электрический вход которого подается измеряемый сигнал, интегрирующую линзу и линейку фотоприемников, расположенную так, что один из элементов линейки фотоприемников, которому соответствует рабочая частота f_к , отстоит от интегрирующей линзы на расстоянии, равном фокусному, причем сама линейка фотоприемников по отношению к фокальной плоскости интегрирующей линзы наклонена на угол θ, равный θ = arctg(λf₀/υ), где f_н и f_в - нижняя и верхняя рабочие частоты измерителя, а f_o, равная полусумме этих частот,- его центральная рабочая частота. 1 ил.

Акустооптический измеритель параметров радиосигналов, содержащий последовательно включенные лазер с длиной волны световых колебаний λ, коллиматор, акустооптический дефлектор со скоростью ультразвука ν, на электрический вход которого подается измеряемый сигнал, интегрирующую линзу и линейку фотоприемников, отличающийся тем, что линейка фотоприемников расположена так, что один из элементов линейки фотоприемников, которому соответствует рабочая частота

отстоит от интегрирующей линзы на расстоянии, равном фокусному, причем сама линейка фотоприемников по отношению к фокальной плоскости интегрирующей линзы наклонена на угол θ, равный θ = arctg(λf₀/ν), где f_н и f_в - нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания измерителя, а f_о = (f_н + f_в)/2 - его центральная рабочая частота.