Акустооптический фазометр-частотомер Советский патент 1987 года по МПК G01R25/00 G01R23/00 

Изобретение относится к радиоиз мерительным устройствам, в частности к фазометрам-частотомерам, и может быть применено для одновременного измерения частоты и разности фаз радиосигналов.

Цель изобретения - раоиирение ди- намич еского диапазона и повышение точности измерения разности фаз.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид; на фиг. 2 - то же, пример исполнения.

Устройство по фиг. 1 содержит следующие узлы; последовательно расположенные лазер 1,устройство 2 деления луча лазера на два, электрооптический модулятор (ЭОМ) 3 с подключенным к нему генератором 4 управляющего напряжения, двухканаль- ную акустооптическую ячейку 5 с нанесенными на ней пьезопреобразова телями 6 и 7, линзу 8, многоэлемент ный фотоприемник 9 и подключенный к последнему автоматический переключа тель с фазометром 10.

Устройство по фиг. 2 содержи те. же узлы, расположенные в том же по- 1зядке, и дополнительно гребенчатый пространственный фильтр 11,расположенный в фокальной .плоскости линзы 8

Акустооптический фазометр-частотомер работает следующим образом.

Луч лазера 1 поступает на устройство 2 деления светового луча на два, которое может быть выполненоj например, в виде плоскопараллельной пластинки с нанесенными на ней с. одной стороны на половину размера вдоль оси Y непрозрачным зеркалом и с другой стороны полупрозрачным зеркалом являющимся продолжением первого.

L

В один из разделенных лучей помещается электрооптический модулятор

3с подключенным к нему генератором4управляющего напряжения. Если к ЭОМ приложить пилообразное напряжение, то частота оптической несуш.ей на выходе ЭОМ смещается на частоту Сд , определяемую выражением:

«0

Т 5 1 Urn

IT e Т IT

где - длина волны излучения лазера;

г - электрооптическая постоянная;

е 1 d

и

m

10

15

20

25

30

35

показатель преломления ддя необыкновенного луча; длина кристалла ЭОМ вдоль распространения светового, луча;

толпщна кристалла; - максимальная амплитуда прикладываемого пилообразного напряжения; Т - период пилообразного напряжения.

В результате на двухканальную . акустооптическую ячейку падает два световых луча с частотами сОо и LOo о При подаче на входы акус- тооптической ячейки исследуемого радиосигнала в ней с помощью пьезо- преобразователей 6 и 7 возбзгждают- ся бегущие ультразвуковые волны. Падающие на ячейку световые лучи с разными частотами дифрагируют на ультразвуко.вых столбах, и ,в выходной плоскости линзы 8 .образуются две интерференционные картины от дифратирова.вшик и недифрагировав- шик световых лучей,поступающие на многоэлементный фотоприемник 9.

Выходной сигнал одного элемента фотоприемника, пропорциональный интенсивности интерференционной картины, в случае монохроматического входного сигнала определяется выражением

40

M )-( Г-

+ 2 cos ( + O.d +uq,) , (2)

i)

где W - размер пьезопреобразователей 6 и 7 в направ- 45лении оси Y;.

d - расстояние между центра-ми пьезопреобразовате- -дей;

itf - фазовый сдвиг между по- 50данными сигналами;

- промежуточная частота,

определяемая из (1); и,,и - амплитуды дифрагировавших световых волн;

55 Wcj - пространственная частота интерференционной картины в фокальной плоскости линзы 8, определяемая выражением

(Ou

2 IT -ЛГ

F

Y. где F - -фокусное расстояние линзы; пространственный период интерференционной картины. Выходной сигнал фотоприемника

для недифрагировавших световых лучей

имеет вид

1 (t) (lilLAlJi i). ТЕ

0,5 WQ/ -

2

Е.Е

cos

(«ot

+

з

где

Е,,Е2 амплитуды недифрагировавших световых волн.

Изменение частоты принимаемых радиосигналов приводит .к смещению интерференционной картины вдоль координаты X (фиг. 1)уа номер элемента фотоприемника,на котором появляется фотоэлектрический сигнал, соответствует значению частоты принятого сигнала.

Фазовый сдвиг между принимаемыми сигналами можно измерять как разность фаз между сигналом биений от недифрагировавших световых лучей (опорный канал) и сигналом биений от дифрагировавших световых лучей,фаза которого зависит от разности фаз входного радиосигнала.

В отличие от прототипа интенсивность интерференционной картины,а следовательно, и выходное напряжение фотодиодов зависит лишь от эффективности дифракции двухканаль- ной акустооптической ячейки и,поскольку число оптических элементов в рассматриваемых устройствах одинаково, дополнительных потерь излучения, кроме указанных,не возникает. Так как эффективность дифракции двухканальной акустооптической ячейки в прототипе и предлагаемом устройстве одинакова, поскольку могут применяться одни и те же ячейки, то предлагаемое устройство обеспечивает преимущество в интенсивности на порядок по сравнению с прототипом, что следует из приведенного анализа. Это приводит к увеличению динамического диапазона по уровню входного сигнала.

Кроме того, значение промежуточной частоты, получаемое с помощью ЭОМ, может меняться в пределах от единиц килогерц до единиц мегагерц

334093

Это дает возможность применять серийно выпускаемую матрицу фотодиодов МФ-16, которая может работать

t в однострочном режиме с параллельным съемом фотоэлектрического сигнала и выделять сигнал биений от единиц килогерц до 1 МГц.

Измерение разности фаз между

10 опорным и сигнальным каналами фотоприемников можно осуществить,например, известным методом преобразования разности фаз во временной интервал с последующим его измерением,

15 что на полученной низкой частоте позволяет достаточно точно измерять сдвиг фаз принимаемых высокочастотных радиосигналов.

Принцип работы акустооптического

20 фазометра-частотомера по фиг. 2

гребенчатого пространственного фильтра такой же, как и акустооптического фазометра-частотомера по фиг. 1. Действие гребенчатого пространствен25 ного фильтра заключается в следующем. Выражение (2) для отклика фотоприемника справедливо в случае точечного фотоприемника. Поскольку фотоприемник имеет конечный размер,

30 то максимальная амплитула сигнала биений наблюдается при выполнении условия

ЛГ .

&Y,

2d

(5)

35

где SY - размер фотоприемника по оси Y.

Так,например, при А 0,63 мкм, F 50 см, d 2 мм, SYp 78,8 мкм, т.е. размер элемента фотоприемника достаточно мал. В то же время размер интерференционной картины по оси Y определяется огибающей sin Y/Y в (2) и (4) и находится как

а

27i F

W

(6)

50 Пространственный период интерференционной картины определяется расстоянием между центрами пьезо55

преобразователей и из выражения

„

Тогда число периодов интерференционной картины

w

(8)

Таким образом фотоприемник размером SYp выделяет всего лишь часть одного периода интерференционной -картины, не.используя остальную ее интенсивность. При использЪ- вании гребенчатого пространственного фильтра с размером окна 1 Yp и периодом Р Yp отклик одного элемента фотоприемника имеет вид

-f

лг

X

1 + cos

(0,t)

где п 0., 1,2,..

Y,

начальное по-20 Формула изобретения

ложение фрто: при емника относительноинтерференционной картины.

Из (9) очевидно увеличение амплитуды выходного сигнала фотоприемника. Например, при 9v 0,63 мкм, d .2 мм, W 1 мм, F 50 см числе окон фильтра N 4 увеличение выходного сигнала фотоприемника составля- ,ет 3,5 раза. Еще большее преимущество наблюдается, если отношение

d

г- возрастает, так как возрастает

W

число периодов,.

Измерение разности фаз принимаемых сигналов осуществляется аналогично описанному для устройства по фиг. 1.

Таким образом, изобретение позволяет увеличить динамический диапазон на 15-20 дБ,повышая точностьиз- мерения разности фаз принимаемых радиосигналов при изменении уровня входного сигнала.

itf )

(9)

5

зо

1.Акустооптический фазометр-частотомер, содержащий расположенные на одной оптической оси и в одной плоскости лазер, последовательно соединенные оптически двухканальную акустооптическую ячейку,линзу, многоэлементный фотоприемник с подключенным к нему фазометром, отличающийся тем,что, с целью расширения динамического диапазона и точности измерения разности фаз, между лазером и акустооптической ячейкой введены последовательно расположенные .блок деления луча лазера на два и электрооптический модулятор с подключенным к нему генератором управляющего напр яжения,причем через электрооптический модулятор проходит один из разделенных световых лучей.

2. Фазометр-частотомер по п. 1,

отличающийся тем,что, с целью расширения динамического диапазона и точности измерения раз- ности фаз, между линзой и мНогоэле- ментным фотоприемником введен, гребенчатый прос;транственный фильтр, расположенный в фокальной плоскости линзы.

35

40

Изобретение относится к радио- измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения частоты и разности фаз радиосигналов. Цель изобретения - расширение, динамического диапазона и повышение точности измерения разности фаз. На акустооптическую ячейку 5 падают два световых луча с разными частотами и дифрагируют на ультразвуковых столбах. Одновременно на акустооптическую ячейку 5 поступает исследуемый радиосигнал,который посредством пьезопреобразователя Фиг. 2 6 и 7 возбуждает в ней бегущие ультразвуковые волны. В результате в выходной плоскости линзы 8 образуются две интерференционные картины, поступающие на мнргоэлементный фотоприемник 9. Изменение частоты радиосигналов приводит к смещению интерференционной картины вдоль оси X, а номер элемента фотоприемника 9, на котором появится фотоэлектрический сигнал, дает значение частоты принятого сигнала.Фазовый сдвиг между принимаемыми сигналами можно измерять как разность фаз между сигналом биений от недифраг- мировавших световых лучей (опорный сигнал) и сигналом биений от ди- фрагмировавших световых лучей, фаза которого зависит от разности фаз входного радиосигнала.Введение устройства 2 деления луча лазера на два и электрооптического модулятора 3 позволяет получить световые лучи с. разными частотами, а наличие гребенчатого пространственного фильтра 11 увеличивает выходной сигнал фотоприемника 9 в 3,5 раза. В целом устройство позволяет увеличить динамический диапазон на 15-20 дБ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. л W 00 со о со со (.и fta 3

27

Составитель В.Шубин Редактор А.Огар Техред И.Попович Корректор Л.Пилипенко

Заказ 3959/43 Тираж 730Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4