АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК-ЧАСТОТОМЕР Российский патент 1999 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокочувствительного приемника-частотомера в системах связи, пеленгации и радиоразведки.

Известен акустооптический анализатор спектра с пространственным интегрированием [1] (Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени /О.Б.Гусев, C.B.Кулаков, Б.П. Разживин, Б.В.Тигин: Под ред. С.В.Кулакова. -М.: Радио и связь. - 1989. с.48), в состав которого входят последовательно включенные лазер, конденсор и коллиматор, образующие оптический каскад перехода от лазерного пучка к плоской световой волне заданной апертуры, акустооптический модулятор, на вход которого подается измеряемый радиосигнал, линзу и регистрирующее устройство в виде линейки фотодиодов.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является малая эффективность процесса фотодетектирования дифрагированного лазерного излучения, осуществляемого по постоянному току.

Признаками аналога, совпадающими с предполагаемым изобретением, являются: последовательно включенные лазер, коллиматор, акустооптический модулятор, на вход которого подается измеряемый радиосигнал и регистрирующее устройство.

Известны акустооптические частотомеры [2,3] (Роздобудько В.В. Акустооптический СВЧ частотомер на основе аномальной дифракции в LiNbO₃// Радиоэлектроника. -1992. N 9.-75 с., Роздобудько B.B. Акустооптическое частотноопределительное устройство с расширенным диапазоном рабочих частот //Радиотехника. - 1993. - N 12. -с. 32) содержат последовательно включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, линейку фотодиодов, выходы которых через набор видеоусилителей и пороговых устройств нагружены на шифратор, осуществляющий преобразование позиционного кода, несущего информацию о координате центра дифрагированного пятна света, в код частоты.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является малая эффективность процесса фотодетектирования дифрагированного лазерного излучения, осуществляемого по постоянному току.

Признаками аналога, совпадающими с предполагаемым изобретением, являются: последовательно включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, линейку фотодиодов, выходы которых соединены с видеоусилителями.

Из известных акустооптических частотомеров наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство, описанное в [4] (Авторское свидетельство N 1265636; СССР, МКИ G 01 R 23/16. Акустооптический частотомер / Вернигоров И.С., Задорин А.С., Шарангович С.Н.; БИ N 39.1986). Устройство прототипа содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, акустооптический модулятор, линзу и позиционно- чувствительный фотоприемник, причем между коллиматором и акустооптическим модулятором на половине световой апертуры расположено устройство сдвига частоты излучения лазера, а к элементам фотоприемника подключены фазометры, первые входы которых соединены с соответствующими элементами фотоприемника, а вторые входы подключены к элементу фотоприемника, расположенного на оптической оси.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является малая эффективность процесса фотодетектирования дифрагированного лазерного излучения, осуществляемого по постоянному току.

Признаками аналога, совпадающими с предполагаемым изобретением, являются: последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, акустооптический модулятор, линзу и позиционно-чувствительный фотоприемник. Задачей предполагаемого изобретения является повышение чувствительности приемника-частотомера.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в существенном повышении отношения сигнал-шум более 15 дБ по отношению к прямому детектированию [5] (Оптические системы передачи: Учебник для вузов/ Б. В. Скворцов, В.И.Иванов, в.В. Крухмалев и др. Под ред. В.И. Иванова. - М. : Радио и связь. 1994.- 224с. (стр. 98-99)), что повышает чувствительность устройства и объясняется осуществлением когерентного метода приема путем введения в устройство амплитудного модулятора лазерного излучения, первого источника модулирующего напряжения с частотой f₁, второго источника модулирующего напряжения с частотой f₂ и набора усилителей разностной частоты с центральной частотой , причем амплитудный модулятор лазерного излучения с первым источником модулирующего напряжения с частотой f₁ включен между лазером и коллиматором, а второй источник модулирующего напряжения с частотой f₂ нагружен на фотодиоды позиционно-чувствительного фотоприемника, к выходам которого подключен набор усилителей разностной частоты.

Для достижения технического результата в приемник-частотомер, содержащий последовательно включенные лазер, коллиматор, акустооптический модулятор, на электрический вход которого подается измеряемый сигнал, линзу и позиционно-чувствительный фотоприемник, дополнительно введены: амплитудный модулятор лазерного излучения, два источника модулирующего напряжения с частотами f₁ и f₂, набор усилителей разностной частоты с центральной частотой , причем амплитудный модулятор лазерного излучения с первым источником модулирующего напряжения с частотой f₁ включен между лазером и коллиматором, а второй источник модулирующего напряжения с частотой f₂ нагружен на диоды позиционно-чувствительного фотоприемника, а к выходам позиционно-чувствительного фотоприемника подключены наборы усилителей разностной частоты
Доказательство наличия причинно-следственной связи между новыми введенными признаками и достигаемым техническим результатом является следующее.

При предварительной модуляции светового лазерного луча (частотой f₁ по амплитуде с глубиной модуляции порядка единицы) и фиксации положения пятна на позиционно-чувствительном фотоприемнике не по постоянному току, а по наличию модулированного (частотой f₁) сигнала, используя преимущества когерентного фотоприема, получаем выигрыш по чувствительности, относительно прототипа и аналогов порядка 15-20 дБ, как указано в [5, стр.100-102].

Таким образом, наличие причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым результатом определяется тем общеизвестным фактом, что за счет уменьшения (и даже исключения) влияния фликкерных шумов в приемном устройстве (интенсивность которых обратно пропорциональна частоте) прием переменного во времени сигнала всегда имеет большую чувствительность, чем прием постоянного тока. Поэтому замена постоянного светового сигнала переменным с амплитудой, равной по величине постоянного сигнала, всегда существенно повышает чувствительность.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена функциональная схема акустооптического приемника-частотомера. Позиции на чертеже обозначают:
1- лазер;
2- амплитудный модулятор лазерного излучения;
3- первый источник модулирующего напряжения с частотой f₁;
4- коллиматор;
5- акустооптический модулятор;
6- линза;
7- второй источник модулирующего напряжения с частотой f₂;
8- позиционно-чувствительный фотоприемник;
9- набор усилителей разностной частоты.

На электрический вход акустооптического модулятора 5 подается измеряемый радиосигнал с несущей частотой f₀. В объеме акустооптического модулятора 5 он распространяется в виде своего акустического аналога, средняя длина волны звука которого Λ = υ/f_o, где υ - скорость звуковых колебаний.

Оптическое излучение от лазера 1, промодулированное с помощью амплитудного модулятора лазерного излучения 2, на который от первого источника модулирующего напряжения 3 подается модулирующее напряжение с частотой модуляции f₁, направляется на коллиматор 4. В задачу коллиматора 4 входит формирование лазерного пучка света требуемой геометрии, обеспечивающей такие параметры акустооптического приемника-частотомера, как точность измерения частоты, разрешение, быстродействие и др.

Промодулированный модулятором лазерного излучения 2 и сформированный коллиматором 4 лазерный пучок света попадает на акустооптический модулятор 5 под углом θ_o, где он на акустическом аналоге входного радиосигнала дифрагирует; угол дифракции света при этом составляет величину, равную θ_g= arcsin(Λ/λ), где λ - длина волны света.

С помощью линзы 6 продифрагированный сигнал фокусируется на позиционно-чувствительный фотоприемник 8, координата центра X_с продифрагированного пятна света пропорциональна несущей частоте входного радиосигнала Xc = F(θ_o+λf_o/υ), где F - фокусное расстояние интегрирующей линзы 6.

На позиционно-чувствительный фотоприемник 8 дополнительно от второго источника модулирующего напряжения 7 подается модулирующее напряжение с частотой f₂. На фоточувствительной поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 8, имеющей координату X_c, происходит преобразование падающего на него светового сигнала, промодулированного по интенсивности с частотой f₁, при этом результат преобразования, а именно электрический сигнал, частота которого снимается с выхода позиционно-чувствительного фотоприемника 8 и усиливается одним (или группой) усилителей разностной частоты 9.

Таким образом, информация о значении несущей частоты f₀ отображается в виде соответствующей координаты центра дифрагированного пятна света. В последующем она может быть представлена в виде кода (частоты), удобного для потребителя.

Акустооптический приемник-частотомер может быть выполнен на основе следующих элементов.

В качестве лазерных источников целесообразно использовать малогабаритные Ne-He лазеры, например, типа ЛГН-219, ЛГН-207, ЛГН-227 и др., или полупроводниковые, причем как видимого (ИЛПН- 207А, Б), так и инфракрасного диапазонов длин волн.

Для осуществления процесса амплитудной модуляции лазерного излучения возможно использование отечественных модуляторов серии МЛ, обеспечивающих 100% модуляцию лазерных пучков сечения (1-2) мм в диапазоне частот (0-200) МГц; не исключается возможность применения и других амплитудных модуляторов, например, акустооптических, работающих в режиме Брэгга.

К оптическим элементам, входящим в заявляемое устройство, особых требований не предъявляется; коллиматор и линза могут быть изготовлены по стандартной технологии на основе стекла марки К8; в качестве коллиматора не исключена возможность использования стандартных фотографических объективов.

Акустооптический модулятор для диапазона (1000-3000) МГц может быть выполнен на основе LiNbO₃ или PbMoO₄; для диапазона частот(100-500) МГц выполнение дефлектора целесообразно на основе TeO₂.

В качестве позиционно-чувствительного фотоприемника в составе частотомера может быть применена фотоматрица типа ФПУ-14 и ее аналоги МФ-16, МФ-14 и др.

Необходимо отметить, что в ФПУ-14 возможна подача модулирующих сигналов на специально для этих целей предназначенные электроды.

Что касается источников 3 и 7, а также усилителя 9, то их реализация возможна на основе стандартного набора микросхем.

Изобретение относится к радиоизмерительным устройствам для высокочувствительного приемника-частотомера в системах связи, пеленгации и радиоразведки. Для повышения чувствительности в приемнике-частотомере применен гетеродинный способ приема и схема его содержит источник лазерного излучения с амплитудным модулятором и первым источником модулирующего напряжения, коллиматор и акустический дефлектор с интегрирующей линзой, второй источник модулирующего напряжения, нагруженный на позиционно-чувствительный фотоприемник с набором усилителей разностной частоты. 1 ил.

Акустооптический приемник-частотомер, содержащий лазер и последовательно включенные коллиматор, акустооптический модулятор, на электрический вход которого подается измеряемый сигнал, линзу и позиционно-чувствительный фотоприемник, отличающийся тем, что в него дополнительно введены амплитудный модулятор лазерного излучения с первым источником модулирующего напряжения с частотой f₁, второй источник модулирующего напряжения с частотой f₂ и набор усилителей разностной частоты с центральной частотой причем амплитудный модулятор лазерного излучения с первым источником модулирующего напряжения с частотой f₁ включен между лазером и коллиматором, а второй источник модулирующего напряжения с частотой f₂ нагружен на фотодиоды позиционно-чувствительного фотоприемника, к выходам которых подключен набор усилителей разностной частоты с центральной частотой