Оптический анализатор спектра сигнала Советский патент 1988 года по МПК G01R23/17 

альным усилителем (ДУ) 10, усиливается ДУ 12 и подается на гетеродин 13, изменягапий свою частоту до компенсации возникающих смещений пространственного спектра сигнала. При разъюс- тировке будет происходить изменение направления лучей, вызывающих изменение лучей, выходящих из АОМ 4. Изображения на ПЧФП 8 и 9 также будут смещаться, вызывая сигналы рассогласования на ДУ 10 и 11, Действие сигнала на гетеродине 13 дает на выходе ДУ 12 нулевой уровень управлянлцего сигнала. При наличии дестабилизирующих факторов на ДУ 11 и 12 будут раздельно и независимо формироваться пропорциональные компенсирующие сигналы управления и тем самым будет обеспечиваться повышение точности измерения спектра сигнала, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность измерения спектра сигналов Пучок параллельных лучей тре-. поперечных размеров формируется коллиматором 2 и посредством дефлектора 3 направляется под углом Брегга в акустооптический модулятор fAOM) 4. Исследуегфгй сигнал поступает в смеситель 14, в котором его частота переносится гетеродином 13 в полосу пропускания АОМ 4. В материале АОМ 4 возбуждает акустическую волну, создающую пространственно-временную решетку, период которой однозначно связан с частотой возбуждающего сигнала. На выходе АОМ 4 формируются два световых пучка, соответствукяцих недифрагировавшим лучам и дифрагировавшим лучам. Объектив 5 осуществляет одновременно преобразование Фурье выходного оптического сигнала АОМ 4. Выходящий параллельный пучок формирует в фокальной плоскости объектива точечное изображение, а другой выхо- ДЯ1ЦИЙ пучок формирует световое пятно. В зоне пучков располагаются фотоприемная линейка 6 и позиционно-чувстви- тельные фотоприемники (ПЧФП) 9. При изменении частоты гетеродина 13 или параметров АОМ 4 будут происходить изменения направления только дифрагированных лучей. Сигнал рассогласования, пропорциональньШ величине и направлению смещения изображения относительно нулевой линии чувствительности ПЧФП 8, наделяется дифференци с S сл 00 4 СО ;О

1

Изобр етение относится к измерителной технике и может быть использовано для спектрального анализа сигналов в реальном масштабе времени в радио и оптической локации, телевизионной технике и других областях.

Целью изобретения является повышение точности измерения спектра сигнала

На чертеже приведена структурная схема спектроанализатора.

Спектроанализатор включает в себя источник когерентного излучения (лазер) 1 и расположенные последовательно по ходу излучения коллиматор 2, дефлектор 3i., акустооптический модулятор (АОМ)4, интегрируняций объектив 5 и установленные в фокальной плоскости объектива в ходе лучей первого порядка дифракции многсэле- ментную фотоприемную линейку 6, соединенную с измерительным блоком 7, и позиционно-чувствительный фотопри- емйик (ПЧФП) 8, а в ходе лучей нулевого порядка дифракции - ПЧФП 9, дифференциальные усилители ДУ 10- 12, гетеродин 13, смеситель 14 и усилитель промежуточной частоты 15. Выходы ПЧФП 8 соединены с входами ДУ 10, а выходы ПЧФП 9 с входами ДУ 11. Выход ДУ 10 соединен с одним из входов ДУ 12, а выход ДУ 11 - с другим входом ДУ 12 и с управляющим входом дефлектора 3. Выход ДУ 12 соединен с управлякщим входом гетеродина 13. Гетеродин 13, смеситель

14и усилитель промежуточной частоты

15последовательно соединены с входом АОМ 4, Входной сигнал подается на другой вход смесителя.

Анализатор работает следующим образом.

При помощи лазера 1 и коллиматора. 2 формируется пучок параллельных

лучей требуемых поперечных размеров, который дефлектором 3 направляется под углом Брегга в АОМ 4. В качестве дефлектора может-быть использо-

ван любой дефлектор, управляемый электрическим сигналом, а в качестве модулятора - акустооптическая ячейка, работающая на объемных или поверхностных акустических волнах.

Исследуемый сигнал частотой f пода-; ется на вход смесителя 14, в котором его частота переносится .гетеродином 13 в полосу пропускания АОМ 4. Ампли- тудно-модулированный сигнал, содержащий гармонические составляющие частоты гетеродина f и одной.из боковых полос, например f f., усиливается усилителем промежуточной частоты 15 и подается на вход АОМ 4,

Под действием этого сигнала в материале АОМ возбуждается акустическая волна, создающая пространственно-временную фазовую р ещетку, период которой однозначно связан с частотой

возбуждающего сигнала.

.Световая волна, входящая в АОМ, испытывает на фазовой решетке дифракцию, в результате чего на вы

оде АОМ формируются два световых

пучка, соответствующих недифрагиро- вавшим лучам (нулевой порядок дифракции) и дифрагировавшим лучам (первый порядок дифракции - для случая ди- ракции Брэгга) Угол дифракции . Уо

связан с частотой входного сигнала fj. соотношением

.„ д .tl.t.f. ° V

где Д - длина волны источника излучения 1; V - скорость звука в материале АОМ.

Далее объектив 5 осуществляет одновременно преобразование Фурье выходного оптического сигнала АОМ, которое представляет собой распределение амплитуд и фаз света в плоскости пространственных частот, совпада- кяцей с фокальной плоскостью объектива. Это распределение однозначно связано со спектром измеряемого сигнла. При этом информация о спектре сигнала содержится в световом пучке только первого порядка дифракции, а распределение амплитуд света в области нулевых пространственных частот, обусловленное недифрагировав шим светом, представляет собой изображение источника света, положение которого в фокальной плоскости объектива 5 характеризует направление лучей, падакяцих на АОМ,

В соответствии со спектром сигна- ла, подводимого к АОМ, дифрагировавший пучок будет состоять из двух.пучков - одного параллельного пучка, обусловленного наличием в спектре сигнала частоты гетеродина, и друге- го расходящегося пучка, обусловленного исследуемым сигналом в полосе частот Первый пучок сформирует в фокальной плоскости объектива точечное изображение, угловое поло- уценке которого будет характеризоваться углом ./V, а другой пупок сформирует световое пятно с угловым размером dcff А uf. /Vo

В зоне второго дифрагировавшего- пучка помещается многоэлементная фотоприемная линейка 6, регистрирующая распределение интенсивности света в угловом диапазоне д о( , пропорциональное спектру исследуемого сиг- нала в полосе ut. Обработка сигнала линейки 6 производится в измерительном блоке 7.

В зоне первого дифрагировавшего пучка, где формируется изображение источника света лучами, дифрагировавшими под углом ( , а также в зоне формирования изображения источника

5

0

5

,

5

5

излучения лучами нулевого порядка дифракции помещаются ПЧФП 8 и 9 соответственно так, что их линии чувствительности ориентированы перпендикулярно плоскости, в которой происходит отклонение дифрагировавших лучей и совпадают с центрами соответствующих изображений. Выходы ПЧФП 8 и 9 соединены с входами дифференциальных усилителей (ДУ) 10 и П, выходы которых в свою очередь соединены с входами ДУ 12,

При изменениях частоты гетеродина или параметров АОМ будет происходить изменение направления только дифрагировавших лучей. Это вызовет соответствующее поперечное смещение пространственного спектра в фокальной плоскости объектива и, в частности, изображения, формируемого на чувствительной площадке ПЧФП 8, что приведет к изменению его выходных сигналов Сигнал рассогласования, пропорциональный величине и направлению смещения изображения относительно нулевой линии чувствительности ПЧФП 8, вьщеляется ДУ 10, усиливается ДУ 12 и подается на управляющий вход гетеродина, который изменяет свою частоту до компенсации воэника- кшщх смещений пространственного спектра сигнала.

При разъюстировке оптической системы анализатора спектра будет происходить изменение направления лучей падающих на АОМ, что приводит к соответствующему изменению направления и лучей, выходящих из АОМ При этом изображения, формируемые на чувствительных площадках ПЧФП 8 и 9, также будут смещаться в одном и том же направлении и на одинаковую величину „ В результате на одинаковую величину изменятся; и сигналы ПЧФП 8 и 9 которые вызовут появление одинаковых сигналов рассогласования на выходах ДУ 10 и 11, Выходной сигнал ДУ 11 подается на управляющий вход дефлектора 3, которым изменяется направление лучей, падающих на АОМ до требуемой величины. При этом на управляющем входе гетеродина сигнал будет отсутствовать, так как одинаковые сигналы рассогласования на входах ДУ 12 дадут на его выходе нулевой уровень управлякхцего сигнала.

При одновременном наличии отмеченных выше дестабилизирующих фак51374

торов на выходах ДУ 11 и 12 будут раздельно и независимо формироваться пропорциональные компенсирующие сигналы управления и тем самым будет обеспечиваться повьшение точности измерения спектра сигнала.

Если по конструктивным соображениям ПЧФП 8 трудно установить в зону изображения, сформированного лучами, Ю дифрагировавшими под углом о( , про- , порциональном частоте гетеродина, то роль этого ПЧФП могут выполнять часть начальных элементов фотоприемной-линейки, работающих в режиме оп- 15 ределения энергетического центра соот ветствующего изображенияо

Формула изобретения

Оптический анализатор спектра сигнала, содержащий источник когерентного излучения и последовательно расположенные по ходу излучения колли - матор, пространственно-временной модулятор, например акустооптический модулятор, интегрирующий объектив и .егистрирующее устройство, выполненное например, в виде многоэлементной фотоприемной линейки, установленной в фокальной плоскости объектива и соединенной с измерительным блоком, а также гетеродин, смеситель, один из входов которого является входом устройства, и усили-

0

5

5

0

аэ 6

тель промежуточной частоты, последовательно соединенные с модулятором, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерений, он снабжен двумя позиционно-чувстви- тельными фотоприемниками, установленными в фокальной плоскости интегрирующего объектива так, что их линии нулевой чувствительности ориентированы перпендикулярно плоскости дифракции и линия нулевой чувствительности первого совпадает с центром изображе- . ния источника излучения, сформированного лучами нулевого порядка дифракции, а второго - с центром изображения источника излучения, сформированного лучами, дифрагировавшими под углом о( , где л - длина волны излучения, f - частота гетеродина, V - скорость звука в материале моду- лятора, дефлектором, установленным между коллиматором и модулятором, и тремя дифференциальными усилителями, входы двух из которых соединены соответственно с выходами первого и второго позиционно-чувствительных фотоприемников, а их выходы - с входами третьего дифференциального усилителя, причем выход первого дифференциального усилителя дополнительно соединен с управлявмцим входом дефлектора, а выход третьего дифференциального усилителя - с управлякщим входом гетеродина