АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА СИГНАЛОВ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2004 года по МПК G01J3/00 

Изобретение относится к акустооптике, а именно к устройствам для спектрального анализа сигналов в оптическом диапазоне длин волн, и может быть использовано в оптической спектроскопии для исследований спектральных характеристик материалов, источников оптических сигналов, атмосферы и т.п.

Известно устройство "Автоматизированный акустооптический спектрометр видимого диапазона с возможностью программного изменения режима работы", включающее формирующую оптику, акустооптический модулятор, фотоприемник, систему обработки, блок управления, синтезатор частот, аналого-цифровой преобразователь и регистратор [1].

Недостатком известного акустооптического спектрометра видимого диапазона является невозможность проведения спектральных измерений в труднодоступных местах без внесения в них самой аппаратуры, например в агрессивной химической среде. Это обусловлено отсутствием устойчивого к агрессивным средам канала передачи оптической информации.

Известно устройство "Акустооптический спектрометр для измерения коэффициента яркости моря", включающее формирующую оптику, акустооптические модуляторы, фотоприемник, блок управления, синтезатор частот и регистратор [2].

Недостатками известного акустооптического спектрометра являются невозможность проведения спектральных измерений в труднодоступных местах без внесения в них самой аппаратуры из-за отсутствия устойчивого канала передачи оптической информации, способного передать ее из труднодоступных мест, наличие механического элемента перестройки режима работы данного спектрометра, которым является опрашивающее зеркало, что сказывается на качественных характеристиках прибора, таких как надежность и удобство эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является "Акустооптический спектрометр", включающий оптически связанные формирующую оптику, преобразователь поляризации, акустооптический модулятор и фотоприемник, интегратор, генератор сигнала, инвертирующий усилитель, первую и вторую ключевые схемы, блок управления, подключенный через блок согласования к акустооптическому модулятору, и регистратор, соединенный с интегратором, блоком управления, первой и второй ключевыми схемами, причем блок управления имеет синтезатор частот, обеспечивающий на нагрузке ультразвукового преобразователя мощность 4-5 Вт в диапазоне 60-140 МГц и схему его перестройки в этом диапазоне [3]. В акустооптическом спектрометре световой пучок с расходимостью, определяемой формирующей оптикой, имеющий в общем случае две поляризационные составляющие, направляется на вход акустооптического модулятора с входным поляризатором. При включенном генераторе сигнала преобразователь поляризации периодически поворачивает плоскость поляризации входного оптического сигнала и через входной поляризатор акустооптического модулятора поочередно проходят поляризационные составляющие входного сигнала. Акустооптический модулятор пропускает на фотоприемник составляющие входного сигнала на длине волны, определяемой частотой колебаний синтезатора частоты в блоке управления. На выходе интегратора, подключенного к фотоприемнику, при времени интегрирования, значительно большем периода колебаний генератора сигнала, регистрируется сигнал, пропорциональный полусумме обеих поляризационных составляющих спектра сигнала на длине волны пропускания акустооптического модулятора. На выходах первой и второй ключевых схем, осуществляющих выборку электрического сигнала с выхода фотоприемника, синхронизированную состоянием преобразователя поляризации, регистрируются сигналы, пропорциональные поляризационным составляющим спектра оптического сигнала.

Недостатком данного акустооптического спектрометра является невозможность проведения спектральных измерений в труднодоступных местах, а также в местах, оказывающих негативное влияние на работоспособность прибора, например в агрессивных химических средах. Это обусловлено отсутствием устойчивого к внешним воздействиям и способного передавать спектрометрическую информацию из труднодоступных мест канала передачи.

Причинами, препятствующими получению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства-прототипа, являются невозможность подключения к оптическому входу устройства оптоволоконного канала передачи оптических сигналов, используемый в устройстве блок управления не позволяет оперативно менять параметры управляющего линейно-частотно-модулированного сигнала, а значит, и режим спектральных измерений и поэтому у данного устройства нет возможности детального анализа спектра оптического излучения в заранее выбранном участке полосы анализируемых длин волн, а также регистратор данного устройства не может проводить цифровую обработку спектрометрической информации, так как в качестве регистратора используется трехканальный самописец, не позволяющий выполнять цифровую обработку поступающих в него данных. В известном устройстве производятся спектральные измерения без учета неравномерности характеристики акустооптического взаимодействия, что вносит дополнительные погрешности в результаты спектральных измерений.

Формирование линейно-частотно-модулированного управляющего сигнала с высокой степенью линейности изменения мгновенной частоты вызывает серьезные трудности, а отсутствие такого управляющего сигнала ведет к изменению параметров спектрального прибора по диапазону спектральных измерений, что порождает дополнительные погрешности.

Основным техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет появления возможности проведения анализа спектра сигналов оптического диапазона, генерируемых в труднодоступных местах, в условиях агрессивных химических сред, при повышенной влажности и высоких температурах, а также при наличии высокого уровня радиации.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее синтезатор частот, блок управления, регистратор, установленные последовательно по ходу светового пучка формирующую оптику и акустооптический модулятор, последовательно соединенные фотоприемник и интегратор, блок согласования, выход которого соединен с управляющим входом акустооптического модулятора, введены последовательно соединенные и оптически связанные блок ввода оптической информации, оптическое волокно, соединенное посредством первого и второго соединительных модулей с блоком ввода оптической информации и с формирующей оптикой, фокусирующая линза, расположенная на фокусном расстоянии от акустооптического модулятора, щелевая диафрагма, расположенная на фокусном расстоянии от фокусирующей линзы в первом дифракционном порядке, последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и регулируемый усилитель, модуль подключения к регистратору, аналого-цифровой преобразователь, выход которого посредством первой шины соединен с блоком управления, а вход - с выходом интегратора, блок управления через вторую шину управления соединен с управляющими входами цифроаналогового преобразователя, третья шина управления - соединена с управляющими входами синтезатора частот, посредством четвертой шины блок управления соединен с модулем подключения к регистратору, причем регистратор посредством шины управления и передачи данных соединен с модулем подключения, выход регулируемого усилителя соединен с входом блока согласования, а вход – с выходом синтезатора частот, причем блок управления содержит контроллер аналого-цифрового преобразователя, двухпортовое оперативно запоминающее устройство, которое посредством шины связано с контроллером аналого-цифрового преобразователя, контроллер цифроаналогового преобразователя, контроллер синтезатора частот, контроллер протокола обмена данными, блок контроля прерываний и синхронизации, первая двунаправленная шина которого соединена с контроллером аналого-цифрового преобразователя, вторая двунаправленная шина соединена с контроллером цифроаналогового преобразователя, третья - соединена с контроллером синтезатора частот, четвертая - соединена с контроллером протокола обмена данными, пятая - соединена с двухпортовым оперативно запоминающим устройством.

Существенными отличиями заявляемого анализатора спектра сигналов оптического диапазона являются включение в состав анализатора спектра новых элементов - блока ввода оптической информации, оптического волокна с первым и вторым соединительными модулями, благодаря которым появляется возможность исследовать спектры оптических сигналов, источники которых находятся в труднодоступных и агрессивных средах, фокусирующей линзы, щелевой диафрагмы, аналого-цифрового преобразователя, цифроаналогового преобразователя, регулируемого усилителя, модуля подключения к регистратору, благодаря которым повышается точность проводимых измерений; выбор режима работы блока управления, а значит, и всего анализатора спектра в целом; соединения элементов схемы, обеспечивающие функционирование анализатора спектра.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного устройства, анализатора спектра сигналов оптического диапазона, отсутствуют; следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

В настоящее время авторам неизвестны спектральные приборы, которые позволяли бы проводить спектральные измерения в труднодоступных местах, в агрессивных химических средах при повышенной влажности и температуре, а также в средах с повышенным уровнем радиации.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена структурная схема анализатора спектра сигналов оптического диапазона; на фиг.2 приведена структурная схема блока управления, на фиг.3 приведены осциллограммы сигналов на выходах элементов схемы.

Анализатор спектра сигналов оптического диапазона содержит последовательно соединенные и оптически связанные блок ввода оптической информации 1, первый соединительный модуль 2, оптическое волокно 3, второй соединительный модуль 4, формирующую оптику 5, акустооптический модулятор 6, фокусирующую линзу 7 и щелевую диафрагму 8, последовательно соединенные фотоприемник 9, интегратор 10 и аналого-цифровой преобразователь 11, блок управления 12, модуль подключения 13 к регистратору 14, последовательно соединенные синтезатор частот 15, регулируемый усилитель 16 и блок согласования 17, причем выход блока согласования 17 соединен с управляющим входом акустооптического модулятора 6, цифроаналоговый преобразователь 18, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя 16, блок управления 12 посредством первой шины 19 соединен с аналого-цифровым преобразователем 11, через вторую шину 20 он соединен с цифроаналоговым преобразователем 18, третья шина 21 соединена с синтезатором частот 15, четвертая шина 22 соединена с модулем подключения 13.

Формирующая оптика 5 может быть выполнена, например, из согласующего оптического волокна, сферической фокусирующей линзы, расположенной на фокусном расстоянии от торца согласующего оптического волокна и цилиндрической фокусирующей линзы, расположенной на расстоянии от сферической фокусирующей линзы, определяемом при начальной настройке прибора.

Акустооптический модулятор 6 содержит пьезоэлектрический преобразователь, светозвукопровод и поглотитель акустической энергии [4].

Блок ввода оптической информации 1 может быть выполнен, например, на линзовой оптике [5]. Посредством первого соединительного модуля 2 происходит механическое соединение оптического волокна 3 с блоком ввода оптической информации 1, а через второй соединительный модуль 4 оптическое волокно 3 механически соединяется с формирующей оптикой 5.

Фотоприемник 9 может быть выполнен, например, на фотодиоде ФД-10КП.

Интегратор 10 состоит из усилителя и фильтра нижних частот. Усилитель может быть выполнен, например, на базе микросхемы К118УН2, а фильтр нижних частот из RC-элементов.

Аналого-цифровой преобразователь 11 может быть выполнен, например, на базе микросхемы AD9214.

Синтезатор частот 15 может быть выполнен, например, на микросхеме ADF4110.

Регулируемый усилитель 16 может быть выполнен, например, на базе транзисторов КП307.

Блок согласования 17 может быть выполнен, например, на LC-элементах.

Блок управления 12 может быть выполнен, например, на базе программируемой логической интегральной схемы семейства АСЕХ1К [6].

Цифроаналоговый преобразователь 18 может быть выполнен, например, на микросхеме AD7801.

Модуль подключения 13 может быть выполнен, например, на базе интерфейсных микросхем SN74ABT16245, которые обеспечивают необходимые уровни электрических сигналов и протокол сообщений с регистратором 14.

В качестве регистратора 14 может быть использован, например, персональный компьютер или ноутбук.

Анализатор спектра сигналов оптического диапазона работает следующим образом.

Оптическое излучение, генерируемое объектом исследования, поступает в блок ввода оптической информации 1, где оно фокусируется и вводится в оптическое волокно 3. Распространяясь по оптическому волокну 3, оптический пучок поступает на вход формирующей оптики 5, а затем на оптический вход акустооптического модулятора 6.

Блок управления 12 согласно управляющей программе, исполняемой регистратором 14, через модуль подключения 13 и шину 22 получает команды и данные для управления работой синтезатора частоты 15, цифроаналогового преобразователя 18 и аналого-цифрового преобразователя 11.

Синтезатор частот 15, получив из блока управления 12 по шине 21 управляющий код, формирует на своем выходе гармонический радиосигнал заданной частоты (фиг.3е). Цифроаналоговый преобразователь 18, получив по шине 20 из блока управления 12 управляющий код (фиг.3а,б,в,г), формирует на выходе постоянное управляющее напряжение (фиг.3д), которое регулирует коэффициент усиления регулируемого усилителя 16. Таким образом, происходит коррекция неравномерности характеристики акустооптического взаимодействия.

Управляющий радиосигнал с выхода синтезатора частоты 15, проходя через регулируемый усилитель 16 и блок согласования 17, поступает на управляющий вход акустооптического модулятора 6. Акустооптический модулятор 6 пропускает на фотоприемник 9 составляющие входного оптического излучения на длине волны, определяемой частотой колебаний на выходе синтезатора частот 15. На выходе интегратора 10, подключенного к выходу фотоприемника 9, формируется электрический сигнал, пропорциональный составляющей энергетического спектра оптического излучения на длине волны пропускания акустооптического модулятора 6. После окончания переходных процессов, происходящих в акустооптическом модуляторе 6, фотоприемнике 9 и интеграторе 10, аналого-цифровой преобразователь 11 по управляющему сигналу, полученному по шине 19 из блока управления 12 (фиг.3з), осуществляет выборку электрического сигнала с выхода интегратора 10 (фиг.3ж). Полученный на цифровых выходах аналого-цифрового преобразователя 11 код спектральной составляющей оптического излучения (фиг.3и) по шине 15 передается в блок управления 12, где он хранится, и по команде из регистратора 14 по шине 22 и модуль подключения 13 передается в регистратор 14.

Затем цикл измерения составляющей энергетического спектра оптического излучения повторяется, но на другой частоте управляющего радиосигнала акустооптического модулятора 6. Так происходит до конца управляющей программы в регистраторе 14. Затем все полученные данные о спектральных составляющих энергетического спектра оптического излучения обрабатываются в регистраторе 14 и строятся соответствующие графики энергетических спектров оптических сигналов.

Блок управления содержит контроллер аналого-цифрового преобразователя 12.1, двухпортовое оперативно запоминающее устройство 12.2, которое посредством шины связано с контроллером аналого-цифрового преобразователя, контроллер цифроаналогового преобразователя 12.3, контроллер синтезатора частот 12.4, контроллер протокола обмена данными 12.5, блок контроля прерываний и синхронизации 12.6, первая двунаправленная шина 23 которого соединена с контроллером аналого-цифрового преобразователя, вторая двунаправленная шина 24 соединена с контроллером цифроаналогового преобразователя, третья 25 - соединена с контроллером синтезатора частот, четвертая 26 - соединена с контроллером протокола обмена данными, пятая 27 - соединена с двухпортовым оперативно запоминающим устройством.

Предлагаемое устройство позволяет проводить анализ спектра сигналов оптического диапазона, генерируемых в труднодоступных местах, в условиях агрессивных химических сред, при повышенной влажности и высоких температурах, а также при наличии высокого уровня радиации, при этом сохраняется точность проводимых измерений, соизмеримая с точностью известных устройств.

Источники информации

1. Жогун В.Н., Газаров Х.В., Костин Н.С. Автоматизированный акустооптический спектрометр видимого диапазона с возможностью программного изменения режима работы. - Автоматизация метрологических исследований в радиотехнических и физико-технических измерениях: Сборник науч. тр. /ВНИИФТРИ. - М., 1985. С.12-18.

2. Безденежных С.В. и др. Опыт применения акустооптического спектрометра для измерения коэффициента яркости моря. В сб. научных трудов ВНИИФТРИ. Методы и средства прецизионной спектрометрии. - М., 1987. С.114-122.

3. Патент №2031374 РФ, МКИ⁶ G 01 J 3/42. Акустооптический спектрометр/В.М.Латышев (РФ). 4876970 /25//БИ №8, 1995.

4. Клудзин В.В. Акустооптические устройства обработки сигналов: Учеб. пособие. - Балт. гос. техн. ун-т, СПб., 1997, 62 с.

5. Тарасов К.И. Спектральные приборы. - М.: Машиностроение, 1968, с.388.

6. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. - М.: ДОДЭКА, 2000. - 128 с.

Изобретение относится к акустооптике. Устройство содержит синтезатор частот, блок управления, регистратор, блок согласования, установленные последовательно по ходу светового пучка, формирующую оптику и акустооптический модулятор, последовательно соединенные фотоприемник и интегратор. В устройство введены последовательно соединенные и оптически связанные блок ввода оптической информации, оптическое волокно, соединенное посредством соединительных модулей с блоком ввода оптической информации и с формирующей оптикой, фокусирующая линза, щелевая диафрагма, цифроаналоговый преобразователь, регулируемый усилитель, модуль подключения к регистратору, аналого-цифровой преобразователь. Технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет появления возможности проведения анализа спектра сигналов оптического диапазона, генерируемых в труднодоступных местах, в условиях агрессивных химических сред. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Анализатор спектра сигналов оптического диапазона, содержащий синтезатор частот, блок управления, регистратор, блок согласования, установленные последовательно по ходу светового пучка формирующую оптику и акустооптический модулятор, последовательно соединенные фотоприемник и интегратор, причем управляющий вход акустооптического модулятора соединен с выходом блока согласования, отличающийся тем, что в устройство введены последовательно соединенные и оптически связанные блок ввода оптической информации, оптическое волокно, соединенное посредством первого и второго соединительных модулей с блоком ввода оптической информации и с формирующей оптикой, фокусирующая линза, расположенная на фокусном расстоянии от акустооптического модулятора, щелевая диафрагма, расположенная на фокусном расстоянии от фокусирующей линзы в первом дифракционном порядке, причем непосредственно за щелевой диафрагмой расположены фотоприемник, цифроаналоговый преобразователь, регулируемый усилитель, вход регулировки коэффициента усиления которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, модуль подключения к регистратору, аналого-цифровой преобразователь, выход которого посредством первой шины соединен с блоком управления, а вход – с выходом интегратора, блок управления через вторую шину соединен с управляющими входами цифроаналогового преобразователя, третья шина блока управления соединена с управляющими входами синтезатора частот, посредством четвертой шины блок управления соединен с модулем подключения к регистратору, причем регистратор посредством шины управления и передачи данных соединен с модулем подключения, выход регулируемого усилителя соединен с входом блока согласования, а вход – с выходом синтезатора частот.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления содержит контроллер аналого-цифрового преобразователя, двухпортовое оперативно-запоминающее устройство, которое посредством шины связано с контроллером аналого-цифрового преобразователя, контроллер цифроаналогового преобразователя, контроллер синтезатора частот, контроллер протокола обмена данными, блок контроля прерываний и синхронизации, первая двунаправленная шина которого соединена с контроллером аналого-цифрового преобразователя, вторая двунаправленная шина соединена с контроллером цифроаналогового преобразователя, третья – с контроллером синтезатора частот, четвертая – с контроллером протокола обмена данными, пятая – с двухпортовым оперативно-запоминающим устройством.