Анализатор спектра Советский патент 1984 года по МПК G01R23/16 

причем пьезопреобразователи третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположены на их одноимённых гранях,

2, Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что синхронизатор содержит элемент дифференцирования, вход которого является вхо129545

дом синхронизатора., а выход соединен с входом первого ждущего мультивибратора, выход которого является первым выходом синхронизатора, и через второй ждущий мультивибратор- с входом третьего ждущего мультивибратора, вькод которого является вторым выходом синхронизатора.

1. АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий оптически связанные источник когерентного света, коллиматор, фокусир5Пощую линзу, первый и второй акустооптические модуляторы, пьезопреобразователи которых соединены с выходом первого генератора линейно частотно-модулированного сигнала первую сферическую линзу, третий акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом второго генератора линёйно-частотно-модулированного сигнала, четвертый акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого . соединен с выходом коммутатора, вторую сферическую линзу, за которой расположен фотоприемник, причем третий и четвертый акустооптический модуляторы расположены в задней фокальной плоскости -первой сферической ,линзы и в передней фокальной плоскости второй сферичеркой линзы . н развернуты вокруг оптической оси на 90°по отношению к первому и вто рому акустооптическим модуляторам а также синхронизатор, вход которого соединен с входом коммутатора, первьй выход синхронизатора подсоединен ,к входам первого и второго генераторов линейно-частотно-модулированных сигналов, а второй - с запускающим входом фртоприемника- и управляющим входом коммутатора, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с цепью повышения точности, злементы анализатора размещены в одном оптическом канале причем первый и второй акустооптические модуляторы объединены в пару, при этом их пьезопреобразователи расположены на противоположных гранях акустооптических модуляторов, а центры третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположены на оси,перпендикулярной к плоскости пьезопреобразователей, первого и второго акустооптических модуляторов в проти воположные от оптической оси сторо : : ны, расстояние между которыми удовсо сд летворяет соотношению S - f - « см V СП где fjjp - средняя частота в полосе частот первого линейно- частотно-модулированного сигнала; Fj - фокусное расстояние первой сферической линзы; Я - длина волны света; V - скорость ультразвуковых волн в первом и втором акустооптических модуляторах.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения спектров сигналов в радиосистемах в реальном масштабе времени.

Известен двумерный акустооптический анализатор спектра с пространственным интегрированием, содержащий источник когерентного света, коллиматор, фокусирующую линзу, акустооптический модулятор, линзу прямого преобразования Фурье, дефлектор, линзу обратного преобразования Фурье, пространственно-временной модулятор света типа PROM, источник считывающего светового пучка сферическую линзу, фотоприемник 1.

Недостатками известного устройства являются большие трудности при построении системы адресации светово го пучка и отсутствие достаточно качественного и доступного двумерного пространственно-временного модулятора света.

Наиболее близким к предлагаемому является анализатор спектра, содержащий источник когерентного света, светоделитель, зеркала и линзы для образования двух коллимированных световых пучков., соответствующих двум оптическим каналам. Один оптический канал включает первую фокусирующую линзу, первьш акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом первого генератора ЛЧМ сигналаj первую сферическую линзу второй акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом второго генератора линейно-частотно-модулированного сигнала, вторую сферическую линзу, а другой - вторую фокусирующую линзу, третий акустооптический модулятор, пьезопреобразозатель которого соединен с выходом входного коммутатора, третью сферическую линзу, четвертый акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом первого генератора линейно-частотно-модулированного сигнала, четвертую и пятую сферические линзы, расположенные последовательно, а также синхронизатор, причем световые пучки первого и второго каналов сходятся на фотоприемнике 2}.

Недостатком данного спектроанализатора является то, что его схема построена по принципу регистрации голограмм с внеосевым опорным пучком и вследствие этого недостаточная точность из-за увеличенного отношения сигнал/щум.

Цель изобретения - повьщтение точности.

Цель изобретения достигается тем, что в анализаторе спектра, содержащем оптически связанные источник когерентного света/, коллиматор, фокусирующую линзу, йервый и второй акустооптические модуляторы, пьезопреобразователи которых соединены с выходом первого генератора линейночастотно-модулированного сигнала, первую сферическую линзу, третий акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом второго генератора линейно-частотно-модулированного сигналй., четвертый акустооптический модулятор пьезопреобразователь которого соединен с выходом коммутатора, вторую сферическую линзу, за которой расположен фотоприемник, причем третий и четвертый акустооптический модуляторы расположены в задней фокальной плоскости первой сферической линзы и в передней фокальной плоскости второй сферической линзы и развернуты вокруг оптической оси на

отношению к первому и второму акустооптическим модуляторам, а также синхронизатор, вход которого соединен с входом коммутатора, первый выход синхронизатора подсоединен к входам первого и второго генераторов линейно-частотно-модулированных сигналов, а второй - с запускающим входом фотоприемника и управляющим входом коммутатора, элементы анализатора размещены в одном оптическом канале, причем первьй и второй акустооптические модуляторы объединены в пару, при этом их пьезОпреобразователи расположены на противоположных гранях акустооптических модуляторов, а центры третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположены на оси, перпендикулярной к плоскости пьезопреобразователей первого и второго акустооптических модуляторов в противоположные от оптической оси стЬроны, расстояние между которьми удовлетворяет, соотношению

F i

У.. f. -cp 2 V

где f

- средняя частота в полосе

cp частот первого линейночастотно-модулированногосигнала; F, - фокусное расстояние первой

л

сферической линзы;

длина волны света;

V скорость ультразвуковых волн в первом и втором акустооптических модуляторах,

причем пьезопреобразователи третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположены на их одноименных гранях.

Кроме того, синхронизатор содержит элемент дифференцирования, вход которого является входом синхронизатора, а выход соединен с входом первого ждущего мультивибратора, выход которого является первым выходом синхронизатора, и через второй ждущий мультивибратор - с входом третьего ждущего мультивибратора, выход которого является вторым выходом синхронизатора.

На фиг. J представлена схема анализатора спектра; на фиг. 2 - блоксхема синхронизатора; на фиг. 3 временные диаграммы, поясняющие временной режим работы анализатора.

Анализатор спектра содержит (фиг. 1) оптически связанные источники когерентного света 1, коллиматор 2, фокусирующую линзу 3 с фокусным расстоянием F , первый и второй акустические модуляторы 4 и 5, объединенные в пару так, что их пьезопреобразователи 6 и 7 соответственно расположены на противоположных гранях и соединены с выходом первого генератора 8 линейно-частотномодулированного сигнала, первую сферическую линзу 9 с фокусным расстоянием Fj , третий и четвертый кустооптические модуляторы 10 и 11, причем центры последних смещены вдол оси у в противоположные от оптической оси стороны на расстояние

у „, F - , которое соответствует

положению плюс первого и минус первого дифракционных порядков от акустооптических модуляторов 4 и 5. Кроме того, третий и четвертый модулято .ры 10 и 11 развернуты вокруг оптической оси устройства на отношению к модуляторам 4 и ,5, а их пьезопреобразователи 12 и 13 соответственно размещены на одноименных гранях акустооптических модуляторов. Пьезопреобразователь 12 третьего модулятора 10 соединен с выходом второго генератора 14 линейно-частотно-модули- рованного сигнала, а пьезопреобразователь 13 чертвертого модулятора 11 соединен с выходом коммутатора 15. После модуляторов 10 и 11 на оптической оси устройства последовательно расположены вторая сферическая линза 16 с фокусным расстоянием F, и фотоприемник 17. Выход фотоприемника служит выходом спектроанализатора Кроме того, анализатор спектра имеет синхронизатор 18j вход которого соединен с сигнальным входом коммутатора 15, первый-выход - с запускающими входами первого и второго генераторов 8 и 14.линейно-частотно-модулированных сигналов, второй выход - с запускающим входом фотоприемника 17 и управляющим входом коммутатора 15. Синхронизатор 18 (фиг. 2) содержит элемент дифференцирования 19, вход которого является входом синхронизатора 18, а выход соединен с входами 511 первого и второго ждущих мультивибр торов 20 и 21. Выход первого ждущег мультивибратора 20 является первым выходом синхронизатора, а выход вто рого ждущего мультивибратора 21 соединен с входом третьего ждущего мультивибратора 22, выход которого является вторым выходом синхронизат ра. Устройство работает следующим образом. Пусть в момент времени на вход анализатора спектра поступает анализируемый сигнал 23 (фиг. 3) u(t)a(t)cos tUot4-4(t) , где 0) fjj; fo, a(t), 4(t) - несущая частота, законы амплитудной и фазовой моду ляции сигнала 23 соответственно. При этом сигнал 23 поступает на вхо коммутатора 15, который не пропуска ет сигнал 23 на пьезопреобразова тель 13. Одновременно сигнал 23 поступает на вход синхронизатора 18 в котором элемент дифференцирования 19 формирует сигнал 24, соответ ствующий переднему фронту анализиру мого сигнала 23. Сигнал 24 запускае ждущие мультивибраторы 20 и 21. Мультивибратор 20 формирует сигнал длительностью T4-4L/V, где Т - длительность анализируемой выборки сигнала, 2L - размер апертуры модулятора. Сигнал 25 поступает с первого выхода синхронизатора 18 на запускающие входы первого и второго генераторов 8,14 линейно-частотно-модулированных сигналов. Генераторы 8 и 14 работают в ждущем режиме и, пока на их запускающие входы поступает сигнал 25, генерируют сигналы. При этом с выхода йервого генератора 8 на пье зопреобразователь 6 модулятора 4 и на пьезопреобразовятель 7 модулятора 5 постзгаает сигнал со скоростью изменения частоты -у, а с выкода второго генератора 14 на пьезопреобразователь 12 модулятора 10 поступает периодический лияёйно-частотно-модулированный сигнал с периодом 2L/V и скоростью изменения частоты у2« Пьезопреобразователи 6, 7 и 12 преобразуют электрические сигналы в акустические волны, распро страняющиеся в модуляторах 4,5 и 10 соответственно. Мультивибратор 21 формирует импульс 26 длительностью 2L/V, по заднему фронту которого запускается мультивибратор 22. К моменту времени 2L/V апертуры модуляторов 4,5 и 10 полностью заполнены акустическими волнами и готовы к выполнению алгоритма преобразования Фурье.. Мультивибратор 22 формирует сигнал 27 длительностью Т, которьй со второго выхода синхронизатора 18 поступает на управляющий вход коммутатора 15 и на запускающий вход фотоприемника 17. При этом в течение времени Т коммутатор 15 пропускает сигнал 23 на пьезопреобразователь 13, который преобразует его в акустическую волну, распространяющуюся в модуляторе 11, а фотоприемник 17 осуществляет накопление до момента времени T+4L/V,. Световой пучок от источника 1 расширяется коллиматором 2 и фокусируется линзой 3 на апертуру модуляторов 4 и 5. Свет дифрагирует на акустических волнах в модуляторах 4 и 5. Линза 9 осуществляет пространственное преобразование Фурье над световым распределением в выходной плоскости модуляторов 5 и фокусирует его на апертуры модуляторов 10 и 11, которые помещены в областях расположения первых дифракционных порядков от модуляторов 4 и 5. Далее свет дифрагирует на акустических волнах в модуляторах 10 и 11. Линза 16 осзпцествляет пространственное преобразование Фурье над световым распределением в выходной плоскости модуляторов 10 и 11 и фокусирует первый дифракционный порядок от модуляторов 10 и 11 на апертуру фотоприемника 17. Фотоприемник 17 осуществляет накопление заряда в соответствии с распределением интенсивности света., падающего на его апертуру. С момента времени T+2L/V окончания действия сигнала 27 на управляющий вход коммутатора 13 последний не пропускает еигнал 23 на пьезопреобразователь 13. В момент времени T+4L/V сигнал 25 перестает воздействовать на генераторы 8 и 14 и линейно-частотно-мод лированные сигналы более не генерируются. С момента времени T+4L/V до момента (Т+4Ь/У)+Тсц, где I f-n - время считьгоания заряда фотоприемника, с фотоприемника 17 выводится сигнал 28 UebijiCt), содержащий радиочастотную составляющую. 11 промодулированную по амплитуде аютлитудным, а по фазе - фазовым спект рами сигнала 23 U(t). Изобретение позволяет увеличить отношение сигнал/помеха в выходном сигнале акустооптического анализато ра спектра с пространственным и вре менным интегрированием и упрощает оптическую часть его схемы. Вибрации оптических элементов схемы приводят к появлению множителя: где П - произведение по индексу к В - ухудшение видности (глубины модуляции) полезной сое тавляющей в распределении заряда, определяемое вибра цией к-го элемента оптичес кой схемы; ,2,3,. Амплитуда полезной составляющей заряда в схеме прототипа по сравнению с предлагаемой схемой из-за нал чия зеркал в первой из них значительно меньше. Для практической реа лизации схемы с двумя оптическими путями необходимо 4-6 зеркал. Возьмем минимальное число 4, Для к-Го зеркала В имеет вид: (а2ЯЬ/Л)/, где Io(z) - функция Бесселя нулевого порядка; 8 а - постоянный коэффициент (); b - амплитуда колебаний. Производят вычисления для , , , получим: П«0,063. Таким образом полезная составляющая накопленного на фотоприемнике заряда для схемы прототипа в 16 раз меньше, чем для схемы анализатора спектра по изобретению. При этом не учитывалось влияние вибрации линз, которых у схемы прототипа в 2 раза больше, а также уменьшение амплитуды полезной составляющей заряда за счет возможного наличия разности хода световых пучков в двух оптических каналах. Так как помеховая составляющая заряда в обеих схемах одинакова, то, следовательно, отношение сигнал/помеха в выходном сигнале предлагаемого анализатора спектра более чем,в 16 раз выше, чем в схеме анализатора-прототипа. Предлагаемый анализатор спектра, сочетая широкую полосу анализа и высокое разрешение по частоте, является наиболее перспективньм в классе акустооптических анализаторов спектра и позволяет эффективно решать задачу широкополосного спектрального анализа сигналов в реальном времв ни с высоким разрешением.