ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ Российский патент 2009 года по МПК G02F1/33 

Предлагаемое изобретение относится к акустооптическим измерителям параметров радиосигналов в широкой полосе частот и может быть использовано в установках оптической обработки информации.

Известен многоканальный спектроанализатор с временным интегрированием (фиг.1) (а. с. №1402959 от 25.08.1986 г., авторы Бухенский А.Ф., Морозов С.В., Сергеенко Т.Н., Яковлев В.И. опубл. 15.06.1986 г. БИ №22), содержащий М линеек, каждая из N источников света 1, N блоков управления 2, цилиндрические линзы 3, 4, 7, генератор опорного сигнала 6, М блоков отклоняющих устройств 8, установленных на фокусных расстояниях от цилиндрических линз на каждой оптической оси, имеющих К оптических входов, при этом К=0,5 f_Вτ, где f_В - верхняя частота анализируемых сигналов, а τ - минимальная длительность световых импульсов, последовательно расположенных К сферических линз 9 и К позиционно-чувствительных фотоприемников 10 соответственно, при этом линзы 9 установлены на фокусных расстояниях от соответствующих блоков отклоняющих систем. Акустооптический модулятор света 5 выполнен в виде многогранника с 2М попарно параллельными боковыми гранями и параллельными торцовыми гранями в виде правильных многогранников, на одну из которых нанесен пьезопреобразователь, а на другую - поглотитель.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются расположенные последовательно по свету источники света, цилиндрические линзы, многоканальный акустооптический модулятор (двухканальный дефлектор в заявляемом изобретении), цилиндрические линзы и позиционно-чувствительные фотоприемники (линейка фотоприемников в заявляемом изобретении).

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического решения, является то, что каналы по конструкции являются самостоятельными, каждый из которых имеет свой источник излучения, свою оптическую систему, общий многоканальный модулятор со своими преобразователями, выполненными на одном многогранном кристалле, и свой фотоприемник, что приводит к сложной громоздкой конструкции, затрудняющей наладку системы.

Известен акустооптический спектроанализатор (фиг.2) (а. с. №1250978 от 20.04.1984 г., автор Елисеев А.И., опубл. 15.08.1986 г. БИ №30), содержащий лазерный источник излучения 1, коллиматор 2, преобразующую линзу 3, акустооптические модуляторы с преобразователями 4, 5, 7, 8, сферические линзы 6, 9, фокальную диафрагму 10, цилиндрическую линзу 11 и двумерный фотоприемник 12, а также генератор синусоидальных сигналов 13 и генератор линейных частотно-модулированных (ЛЧМ) - сигналов 14. В устройстве требуется обеспечение специального положения и ориентация акустооптических генераторов при определенном соотношении длин звукопроводов модуляторов, что позволяет в несколько раз увеличить число элементов разрешения по частоте и соответственно увеличить диапазон анализируемых частот анализатора при определенном алгоритме работы устройства.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предполагаемого изобретения, являются: наличие последовательно по свету расположенных лазерного источника излучения, коллиматора, акустооптических модуляторов, цилиндрической линзы (интегрирующей линзы в заявляемом изобретении) и фотоприемника.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического решения, является то, что в устройстве используется двумерная организация структуры анализатора и двумерный фотоприемник, что усложняет конструкцию и обработку полученного с двумерного фотоприемника результирующего сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип «СВЧ-частотомер на основе акустооптического дефлектора с поверхностным возбуждением ультразвука» (авторы Роздобудько В.В. и Бакарюк Т.В., опублик. в ISSN 0021-3470, Радиоэлектроника, 2002 г., №6, стр.51-54), содержащий (фиг.3) лазерный источник излучения 1, излучение которого направлено через левую грань на левый лепесток ультразвука, возбужденного в акустооптическом дефлекторе 2, измеряемым радиосигналом S(t) в в виде двух, левого и правого, лепестков ультразвука, два плоских зеркала 3 и 4, которые переотражают непродифрагированное на акустической волне левого лепестка ультразвука акустооптического дефлектора лазерное излучение и направляют его на правый лепесток ультразвука дефлектора, имитируя таким образом второй лазерный источник излучения, две интегрирующие линзы 5 и 6, выполняющие Фурье-преобразования дифрагированных пучков лазерного излучения после дифракции их на левом и правом лепестках ультразвука соответственно, и две линейки фотоприемников 7 и 8, установленные в плоскостях изображений интегрирующих линз 5 и 6 соответственно.

Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым устройством, являются последовательно по свету установленные лазерный источник излучения, излучение которого направлено через левую грань акустооптического дефлектора на левый лепесток ультразвука, возбужденного измеряемым радиосигналом в акустооптическом дефлекторе, второй лазерный источник излучения в виде имитации с помощью переотражения непродифрагированного на левом лепестке ультразвука лазерного излучения с помощью двух плоских зеркал, которые направляют это излучение через правую грань на правый лепесток ультразвука акустооптического дефлектора (в заявляемом устройстве излучение от введенного в устройство второго лазерного источника излучения), две интегрирующие линзы, выполняющие Фурье-преобразование дифрагированных пучков света, и две линейки фотоприемников, установленные в плоскостях изображений интегрирующих линз.

В основу принципа работы прототипа положено явление дифракции Брэгга излучения лазера на акустической волне акустооптического дефлектора, которая возбуждается в виде двух лепестков ультразвука, распространяющихся под углами φ от нормали к поверхности преобразователя, расположенного на одной из граней акустооптического дефлектора, при подаче на его электрический вход измеряемого радиосигнала. Типовые измерители параметров радиосигналов обычно работают на одном лепестке ультразвука акустооптического дефлектора, используя, таким образом, не более половины акустической мощности.

Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является наличие одного лазерного источника излучения с одной длиной волны излучения, что не позволяет расширить полосу рабочих частот измеряемого радиосигнала при использовании второго лепестка ультразвука акустооптического дефлектора, которая при применении таких схем обычно не превышает 600 МГц.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является достижение широкой полосы рабочих частот акустооптического измерителя параметров радиосигналов, превышающей обычную полосу типовых измерителей более чем в два раза.

Технический результат в предполагаемом изобретении достигается за счет направления через вторую рабочую грань акустооптического дефлектора под углом

θ_П2 к ней на правый лепесток ультразвука излучения второго лазера с длиной волны λ₂, которое после дифракции на акустической волне правого лепестка направляется второй интегрирующей линзой на вторую линейку фотоприемников, установленную в плоскости изображения второй линзы, при этом суммарная полоса измеряемых частот Δf_Σ связана с параметрами: λ₁ - рабочая длина волны первого лазера, d - электрический период преобразователя, L - его длина, V - скорость ультразвука в кристалле дефлектора с показателем преломления n, k - параметр, задающий неравномерность частотной характеристики дефлектора (посредством выражения: неравномерность по интенсивности равна sinc^-2 (1/k)), выражением

Для достижения технического результата в широкополосном акустооптическом измерителе параметров радиосигналов содержится акустооптический дефлектор 2 с показателем преломления n кристалла и с противофазной системой преобразователей, имеющей электрический период d при протяженности L и скорости V ультразвука в двух его основных лепестках, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал S(t), а через левую рабочую грань дефлектора под углом θ_П1 к ней на левый лепесток ультразвука подается излучение от первого лазерного источника 1 с длиной волны λ₁, которое после дифракции на акустической волне левого лепестка ультразвука первой интегрирующей линзой 3 направляется на первую линейку фотоприемников 4, а через правую рабочую грань дефлектора под углом θ_П2 к ней на правый лепесток ультразвука подается излучение от второго лазерного источника излучения 5 с длиной волны λ₂, которое после дифракции на акустической волне правого лепестка ультразвука второй интегрирующей линзой 6 направляется на вторую линейку фотоприемников 7, при этом общая полоса рабочих частот Δf_Σ связана с параметрами d, L, λ₁, λ₂, V, n и k выражением

где параметр k задает уровень неравномерности частотной характеристики.

Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в расчете основных параметров акустооптического измерителя с расширенной полосой рабочих частот, превышающей более чем в два раза полосу прототипа.

Исходные данные для расчета следующие: скорость ультразвука V=3590 м/с - данное значение является следствием выбора такого среза кристалла дефлектора, при котором обеспечивается наиболее эффективное преобразование электрической энергии в акустическую; длина преобразователя L - используются близкие значения: L=1 мм и L=1,1 мм с тем, чтобы не вносить ощутимые коррективы в дифракционную эффективность дефлектора; нижняя граничная частота диапазона - используются три значения: f₁=1000 МГц, f₁=1500 МГц и f₁=1750 МГц; показатель преломления материала кристалла дефлектора n=2,23.

Для заданных λ₁ и f₁ оптимальный период фазовой решетки, формируемой ВШП, можно найти из

где , .

Выражение для оптимальной длины волны λ₂, при которой общая полоса частот будет максимальной, имеет вид:

где . Суммарная полоса частот в этом оптимальном случае равна

А для случая произвольных λ₁ и λ₂:

Два предпоследних выражения позволяют рассчитать зависимости Δf_Σ(λ₁), λ₂(λ₁) и для различных L и f₁ определить длины волн λ₁, λ₂ лазерных источников излучения, необходимые для достижения требуемой полосы рабочих частот в оптимальном режиме работы измерителя.

Графики указанных зависимостей для приведенных выше исходных данных и для k=1,66 (неравномерность 6 дБ) приведены на фиг.5, на которой сплошными линиями представлены зависимости при L=1 мм, а штрихпунктирными - при L=1,1 мм. Из графиков видно, что для реализации диапазона частот (1000-2500) МГц при L=1 мм требуются лазеры с длинами волн: λ₁=820 нм, λ₂=328 нм, а при L=1,1 мм - λ₁=746 нм, λ₂=298 нм.

Для перекрытия диапазона (1500-3000) МГц: при L=1 мм λ₁=718 нм, λ₂=359 нм, а при L=1,1 мм - λ₁=652 нм, λ₂=326 нм.

Для реализации диапазона (1750-3250) МГц необходимо иметь при L=1 мм λ₁=687 нм, λ₂=370 нм, а при L=1,1 мм - λ₁=625 нм, λ₂=336 нм.

Таким образом, в предлагаемом изобретении наличие двух источников лазерного излучения с разными длинами волн при использовании одного акустооптического дефлектора с ультразвуковым полем в виде двух основных лепестков, возбуждаемых противофазной системой преобразователей, при оптимальном соотношении длин волн лазерного излучения позволяет более чем в два раза расширить полосу рабочих частот по сравнению с измерителем, работающим с одним источником излучения.

Сравнивая предлагаемое изобретение с прототипом, видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, видно, что предлагаемое изобретение соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.

Сущность предлагаемого изобретения, а также работа заявляемого устройства поясняется схемой на фиг.4.

Заявляемое устройство содержит акустооптический дефлектор 2 с показателем преломления n кристалла и с противофазной системой преобразователей, имеющей электрический период d при протяженности L и скорости V ультразвука в двух его основных лепестках, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал. Через одну рабочую грань акустооптического дефлектора под углом θ_П1 к ней на левый лепесток ультразвука подается излучение от первого лазера 1 с длиной волны λ₁, которое после дифракции на акустической волне первого лепестка ультразвука направляется первой интегрирующей линзой 3 на первую линейку фотоприемников 4. Через вторую рабочую грань акустооптического дефлектора под углом θ_П2 к ней на правый лепесток ультразвука подается излучение от второго лазера 5 с длиной волны λ₂, которое после дифракции на акустической волне второго лепестка ультразвука направляется второй интегрирующей линзой 6 на вторую линейку фотоприемников 7. Суммарная полоса рабочих частот Δf_Σ при этом связана с параметрами d, L, λ₁, λ₂, V, n и k выражением

где параметр k задает уровень неравномерности частотной характеристики.

Принцип работы заявляемого устройства и обеспечиваемый им технический результат в виде расширенной полосы рабочих частот заключается в следующем. На электрический вход акустооптического дефлектора 2 подается измеряемый радиосигнал S(t). В кристалле акустооптического дефлектора радиосигнал распространяется в качестве акустического аналога в виде двух лепестков ультразвука. Лазерное излучение длиной волны λ₁ от первого лазера 1 направляется через левую рабочую грань дефлектора под углом θ_П1, дифрагирует на акустической волне левого лепестка ультразвукового поля, преобразуется первой интегрирующей линзой 3 и направляется на первую линейку фотоприемников 4, установленную в плоскости изображения линзы 3. Лазерное излучение длиной волны λ₂ от второго лазера 5 направляется через правую рабочую грань дефлектора под углом θ_П2, дифрагирует на акустической волне правого лепестка ультразвукового поля, преобразуется второй интегрирующей линзой 5 и направляется на вторую линейку фотоприемников 7, установленную в плоскости изображения линзы 6. Общая полоса рабочих частот измерителя параметров радиосигналов за счет использования двух лазерных источников излучения и обоих лепестков ультразвука в акустооптическом дефлекторе расширяется по сравнению с типовым измерителем, работающим с одним лазерным источником на одном или обоих лепестках акустического поля дефлектора.

Технико-экономические преимущества заявляемого устройства по сравнению с известными акустооптическими измерителями, имеющими полосу измеряемых рабочих частот порядка 600 МГц, позволяют с незначительными техническими доработками конструкции измерителя расширить полосу рабочих частот более чем в два раза.

Изобретение относится к акустооптическим измерителям параметров радиосигналов, работающим в широкой полосе частот, и может быть использовано в установках оптической обработки информации. Технический результат - увеличение полосы рабочих частот акустооптического измерителя параметров радиосигналов. В акустооптическом измерителе параметров радиосигналов содержится акустооптический дефлектор с показателем преломления кристалла n и с противофазной системой преобразователей, имеющей электрический период d при протяженности L и скорости V ультразвука в двух его основных лепестках, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, а через левую рабочую грань акустооптического дефлектора под углом θ_П1 к ней на левый лепесток ультразвука подается излучение от первого лазерного источника излучения с длиной волны λ₁, которое после дифракции на акустической волне левого лепестка ультразвука направляется первой интегрирующей линзой на первую линейку фотоприемников, установленную в плоскости изображения первой линзы, а через правую рабочую грань акустооптического дефлектора под углом θ_П2 к ней на правый лепесток ультразвука подается излучение от второго лазера с длиной волны λ₂, которое после дифракции на акустической волне правого лепестка ультразвука направляется второй интегрирующей линзой на вторую линейку фотоприемников, установленную в плоскости изображения второй интегрирующей линзы. При этом суммарная полоса рабочих частот Δf_Σ связана с параметрами d, L, λ₁, λ₂, V, n и k выражением

где параметр k задает уровень неравномерности частотной характеристики. 5 ил.

Широкополосный акустооптический измеритель параметров радиосигналов, содержащий акустооптический дефлектор с показателем преломления кристалла n и с противофазной системой преобразователей, имеющей электрический период d при протяженности L и скорости V ультразвука в двух его основных лепестках, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, а через левую рабочую грань акустооптического дефлектора под углом θ_П1 к ней на левый лепесток ультразвука подается излучение от первого лазерного источника излучения с длиной волны λ₁, которое после дифракции на акустической волне левого лепестка ультразвука направляется первой интегрирующей линзой на первую линейку фотоприемников, установленную в плоскости изображения первой линзы, а через правую рабочую грань акустооптического дефлектора под углом θ_П2 к ней на правый лепесток ультразвука подается излучение, которое после дифракции на акустической волне правого лепестка ультразвука направляется второй интегрирующей линзой на вторую линейку фотоприемников, установленную в плоскости изображения второй интегрирующей линзы, отличающийся тем, что излучение через правую грань на правый лепесток ультразвука акустооптического дефлектора подается от введенного в схему второго лазерного источника излучения с длиной волны λ₂, причем суммарная полоса рабочих частот Δf_Σ связана с параметрами d, L, λ₁, λ₂ V, n и k выражением
где параметр k задает уровень неравномерности частотной характеристики.