Акустооптический спектроанализатор-частотомер с временным интегрированием Советский патент 1988 года по МПК G01R23/17 

1140

Изобретение относится к оптической обработке сигналов и может быть использовано для измерения частоты гармонических составляющих низкочас-. тотных сигналов, в частности, в звуковых и гидроакустических системах.

Целью изобретения является увеличение точности определения частоты гармонических составляющих спектра При максимальном числе разрешимых точек спектроанализатора за счет уве

сигналои излучение полупроводникового

лазера 1 в плоский световой пучок,

В плоскости МФП 9 происходит интер- .

ференция выходных световых пучков, сформированных в связанных первом и втором интерферометрах. АОМ 6 модулирует интерференционную картину во времени при изменении мгновенной ча-

стоты ЛЧМ-генератора 10. Цилиндрическая линза 8 увеличивает размер выходного пучка второго интерферометра 7

Изобретение относится к области оптической обработки сигналов и может быть использовано для измерения частоты гармонических составлякщих низкочастотных сигналов. Цель изобретения - увеличение точности определения частоты гармонических составляющих спектра при максимальном числе разрешимых точек спектроанапизатора за счет увеличения числа точек отсчета SfO спектра. Полупроводниковый лазер 1 оптически связан с расширителем.2 лазерного луча, интерферометром,.состоящим из делительного кубика 3, призмы 4 и зеркала 5, акустооптичес- ким модулятором 6 и интерферометром 7, Цилиндрическая линза 8 увеличивает размер выходного пучка до раз мера столбца двумерного матричного фотоприемника (МФП) 9. В плоскости МФП 9 происходит интерференция выходных световых пучков. Строки МФП 9 повернуты вокруг оптической оси относительно ультразвуковой, волны в акусто- оптическом модуляторе 6 на угол /1 arctg dx/M -dy, где d, d s, - шаги расположения элеь1ен ов в строке и столбце 9 соответственно; М - число строк 9. С помощью вторичной обработки выходного сигнала МФП 9 значения частот гармонических составляющих в спектре сигнала могут быть определены с точностью до точки отсчета спектра, 2 ил. I (Л с 4 о N9 ( О IffufI

дачения числа точек отсчета спектра. в направлении, ортогональном волново- : На фиг. 1 представлена структурная му вектору К , до размера столбца Ьхема aкycтoohтичecкoгo спектроанали- 15 МФП 9, Каждый из элементов МФП 9 осу атора-частотомера с временным интег-, ществляет детектирование и накопление Жированием (АОСВИ); на фиг. 2 -. поло- продетектированного сигнала.

В системе координат (х, у,), связанной с фотоприемником (фиг. 2), 20 рпспрнделение величин накопленных в элементах МФГГ зарядов определяется выражением т

У1 К.

ение двумерного фотоприемника в его |выходной плоскости по отношению к направлению ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе,

АОСВИ (фиг, 1) состоит из последовательно оптически связанных полупроводникового лазера с модулируемой исследуемым низкочастотньм сиг- 25 налом интенсивностью излучения, расширителя 2 лазерного луча, первого интерферометра, состоящего из делительного кубика 3, призмы 4 и зерка- ;ла 5, акустооптического модулятора 30 (АОМ) 6., второго интерферометра 7, аналогичного первому, цилиндрической линзы 8i двумерного матричного фотоприемника (МФП) 9, выход которого является выходом устройства, и гене- ,, ратора 10 сигнала с линейной частот- ;ной модуляцией (ЛЧМ), выход которого подключен к электрическому входу АОМ 6. При этом МФП 9 повернут вокруг оптической оси относительно волново- дп го вектора К ультразвуковой волны {фиг. 2) на угол

(х, cos (3 { ехр - i т+ у, sin/5) Js(t)exp. - (2-)

О

- (x,j gos р + y,. sin )j,

где(х., y, ) - координаты элемента, расположенного в j-м- столбце и К-й строке; l(t) - интенсивность выходного излучения лазера; К и Kj - коэффициенть пропорциональности;Т - время накопления в

элементах МФП 9; V - скорость распространения ультразвуковой волны в материалах звукопровода АОМ; Wo средняя круговая частота ЛЧМ-радкосигнала;/ - скорость изменения

/5 arctg

М d,

1)

шаги расположения элеd

ментов МФП 9 по осям X , (по строке) и у (по столбцу) соответственно;М - число элементов в

столбце (число строк МФП 9).

работает следующим образом. итель 2 лазерного луча препромодулированное по интенисследуемым низкочастотным

(х, cos (3

{ ехр - i т+ у, sin/5) Js(t)exp. - (2-)

О

- (x,j gos р + y,. sin )j,

где(х., y, ) - координаты элемента, расположенного в j-м- столбце и К-й строке; l(t) - интенсивность выходного излучения лазера; К и Kj - коэффициенть пропорциональности;Т - время накопления в

элементах МФП 9; V - скорость распространения ультразвуковой волны в материалах звукопровода АОМ; Wo средняя круговая частота ЛЧМ-радкосигнала;/ - скорость изменения

круговой частоты ЛЧМ- радиосигнала;

S(t) - исследуемый низкочасто тньй сигнал.

Изменение частоты колебаний интерференционной картины от элемента к элементу фотоприемника вдоль строки равно

- J, . 2 of d. 1C, cos и 21Г У

ИГ,

(3)

вдоль столбца

1

&f

Id. dv, sinp

Vi

27

При соблюдении условия (1) частот колебаний изменяется, равномерно от первого до последнего элемента в столбце и от последнего (М-го) элемента i-ro столбца к первому элементу (i+l)-ro столбца.

Для реализации максимального числа точек разрешения АОСВИ и повьшени точности определения частоты необходимо увеличить число точек отсчета спектра. В данном устройстве для этого используется вторая координата- выходной плоскости АОСВИ, Из выражения (2) следует, что максимальньй сигнал накапливается в том элементе МФП, в котором частота колебаний интенсивности интерференционной картиГ . 2c/t ны, описывается членом ехр l-i -тг-

+ sin /5 )j , наиболее к частоте исследуемого сигнала S(t). Общее число точек отсчета спектра равно М xN, где N - число элементов МФП в строке. С помощью вторичной обработки выходного сигнала МФП значения частот гармонических составляющих в спектре сигнала могут быть определены с точностью до точки отсчета спектра. В данном устройстве точность отсчета частоты в М раз выше по сравнению с известным спектро- анализатором, использующим N-элемент ный линейный фотоприемник того же размера.

/а близка

а

10

15

20

25

ормула изобретения Акустооптический спектроанализа- тор-частотомер с временным интегрированием, содержащий последовательно оптически связанные полупроводни- крвьш лазер с модулируемой анализиру- емьм сигналом интенсивностью, расширитель лазерного луча, первый интерферометр, состоящий из делительного кубика, призмы и зеркала, акустооп- тический модулятор, к электрическому входу которого подключен выход генератора сигнала с линейной частотной модуляцией, второй интерферометр, аналогичньй первому, и многоэлементный интегрирующий фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности из-мерения .частоты при максимальном числе разрешимых точек, в нём установлен двумерный матричный .фотоприемник, строки которого повернуты вокруг оптической оси относительно направления ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе на угол

х, р arctg Ti-:- t

М d

1

где d

М

-щаги расположения элементов в строке и столбце фотоприемника соответственно;

-число строк фотопри- емника,

а между вторым интерферометром и фотоприемником установлена цилиндри-- ческая линза, согласующая размеры выходного светового пучка спектро- аналиэатора с размерами фотопрнемни- ка.