Акустооптический анализатор спектра Советский патент 1989 года по МПК G01R23/17 

8

15 16

4 СО QD Ю

С5

ю

3U99

рость звуковых волн в материале АОМ. Цель изобретения достигается введением в анализатор треугольной призмы 3 между коллиматором 2 и линзой 4 с углом между основанием и боковыми гранями с( fcp / Fi/VF (п-1) , где fcp j- средняя частота в спектре ЛЧМ-г.енератора 20; F) - фокусное расстояние линзы А; п - показатель препомления материала призмы 3, причем основание призьы перпендикулярно оптической оси, а ребра параллельны АОМ, диафрагмы 15.в задней фокальной плоскости линзы 14 с прямоуголь- ным отверстием, центр которого расположен на оптической оси, а края параллельны АОМ 5 и 10, и цилиндрической линзы 16 между диафрагмой 15 и фотоприемником 17, а также амплитудного модулятора 18. АОМ 5 и 7 расположены в задней фокальной плоскости линзы 4 и смещены вдоль оси, перпендикулярной плоскости ПП 11, 3, в противоположные от оптической оси. стороны на расстоянии Хсм . АОМ 10,12 наклонены к задней фокальной плоскости линзы 9 В противоположные стороны на угол Q oLFt/2Fii, ПП 11,13 расположены на противополож- нь1х гранях звукопроводов. 1 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для использования в спектральном анализе. Цель изобретения - повышение частотного разрешения. Акустооптический анализатор спектра содержит последовательно расположенные, оптически связанные источник 1 когерентного света, коллиматор 2, цилиндрическую линзу 4, акустооптические модуляторы (АОМ) 5,7 с пьезопреобразователями (ПП) соответственно 6,8, расположенными на противоположных гранях звукопроводов, сферическую линзу 9, в задней фокальной плоскости которой расположены АОМ 10,12 с ПП 11,13 соответственно, сферическую линзу 14 и фотоприемник 17. Анализатор спектра содержит также генератор 19 сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), ЛЧМ- генератор 20 и синхронизатор 21. АОМ 10,12 повернуты на 90° вокруг оптической оси относительно АОМ 5,7 и смещены вдоль оси, перпендикулярной плоскости ПП 6,8, в противоположные от оптической оси стороны на расстояние Y_см =F_ср.1F₂λ/V, где F_ср.1 -средняя частота спектре ЛЧМ-генератора 19

F₂ -фокусное расстояние линзы 9

λ - длина волны света

V - скорость звуковых волн в материале АОМ. Цель изобретения достигается введением в устройство треугольной призмы 3 между коллиматором 2 и линзой 4 с углом между основанием и боковыми гранями α=F_ср.2λF₂/VF₁(N-1), где F_ср.2 - средняя частота в спектре ЛЧМ-генератора 20

F₁- фокусное расстояние линзы 4

N - показатель преломления материала призмы 3, причем основание призмы перпендикулярно оптической оси, а ребра параллельны АОМ, диафрагмы 15 в задней фокальной плоскости линзы 14 с прямоугольным отверстием, центр которого расположен на оптической оси, а края параллельны АОМ 5 и 10, и цилиндрической линзы 16 между диафрагмой 15 и фотоприемником 17, а также амплитудного модулятора 18. АОМ 5 и 7 расположены в задней фокальной плоскости линзы 4 и смещены вдоль оси, перпендикулярной плоскости ПП 11,13, в противоположные от оптической оси стороны на расстояние X_см=αF₁. АОМ 10,12 наклонены к задней фокальной плоскости линзы 9 в противоположные стороны на угол θ= αF₁/2 F₂. ПП 11,13 расположены на противоположных гранях звукопроводов. 1 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для использования в анализе спектров электрических сигналов в реальном масштабе времени.

Цель изобретения - повьшение час- тотного разрешения анализатора спектра.

На чертеже представлена структур- но-функциональная схема устройства.

Акустооптнческий анализатор спектра содержит последовательно расположенные оптически связанные источник 1 когерентного света, коллиматор 2, треугольную призму 3, основание которой перпендикулярно оптической оси, первую цилиндрическую линзу 4.

В задней фокальной плоскости линзы 4 расположен первый акустоопти- ческий модулятор . (АОМ) 5 с пьезопре- образователем (ПП) 6 и второй АОМ 7, ПП 8 которого расположен на противоположной грани звукопровода по отношению к ШТ 6. Далее расположена пер- вая сферическая линза 9, в задней фокальной плоскости которой расположены третий АОМ 10 с ПП И и четвертый АОМ 12 с ПП 13, который расположен на противоположной грани звуко- провода по отношению к ПП 11. АОМ 10 и АОМ 12 повернуты на 90 вокруг оптческой оси относительно АОМ 5 и АОМ 7. Далее расположены вторая сферическая линза 14, диафрагма 15 и в- ее задней фокальной плоскос- и, вторая цилиндрическая линза 16 и двумерный фотоприемник 17, выход которого является выходом устройства. Кроме того, .анализатор спектра содержит амплитудный модулятор 18, первый вход которого является входом устрой - ства, а выход соединен с Щ1 6, пер- вый генератор линeйнo-чacтoтнoмoдyпиf рованного (Л) сигнала 19, выход ко- торого соединен с вторым входом модуг лятора 18 и с ПП 8, второй генератор ЛЧМ сигнала 20, выход которого соеди- нен с ПП 11 и 13, а также синхрони затор 21, выход которого соединен с управлякяцими входами генераторов 19 и 20 и фотоприемника 17, а вход с первым входом модулятора 18. Угол между основанием и боковыми гранями призмы 3

0(

Isei-ASs-.

vF (n-1)

где fopг - средняя частота в спектре

ЛШ-г нератора 20; F4 - фокусное расстояние линзы 4;

F(2 - фокусное расстояние линзы 9;

V - скорость pacпpoctpaнeния акустических волн в материале АОК; п - показатель преломления

материала призмы 3; Я - длина волны света. АОМ 5 и АОМ 7 смещены вдоль оси, перпендикулярной плоскости Ш1 I1 и ПП 13, в противоположные от оптической оси стороны на расстояниях Х,- o(.F4, которое определяется положением сфокусированных наклонных пучков света после призмы 3. АОМ 10 и

12 наклонены к задней фокальной плоскости линзы 9 под углом & (i в противоположные стороны и смещены вдоль оси, перпендикулярной плоскости ПП 6 и ПП 8, в противоположные от оптической оси стороны на расстоя :ние :Ус(ч fcp,- , где средняя частота в спектре ЛЧМ-генератора 19, которое определяется положением +1-Х светойых дифракционных порядков после АОМ 5 и АОМ 7. Диафрагма 15 имеет прямоугольное отверстие, центр которого расположен на оптической оси, а края отверстия параллельны АОМ 5 и АОМ 10.

Устройство работает следующим образом.

В момент поступления сигнала на вход анализатора с выхода синхронизатора 21 поступает импульс на управляющие входы генераторов 19 и 20 и фотоприемника 17. В результате чего генератор 19 формирует ЛЧМ-сиг- нал со скоростью изменения частоты y - , где uf - полоса анализа 1 - время анализа, и длительность 1. , который поступает с выхода генератора 19 на второй вход амппитудно- го модулятора 18 и на ПП 8. Генератор 20 формирует периодической ЛЧМ- сигнал со скоростью изменения частоты jp/i , где Тг - период ЛЧМ сигнала, который поступает на ПБ 11 и 13, а

фотоприемник 17 производит накопление -g по фазе - фазовым спектром анализиру

заряда. Анализируемый сигнал ll(t) поступает на первый вход амплитудного модулятора 18. С выхода модулятора 18 ЛЧМ-сигнал от генератора 19, промодулированный по амплитуде Q анализируемым сигналом U(t) поступает на ПП 6. ПП 6,8,11,13 преобразуют поступающие на них электрические сигналы в акустические волны соответственно в АОМ 5,7, Ю, 12. Световой пучок от источника 1 расширяется коллиматором 2, делится треугольной призмой 3 на два наклонных пучка и фокусируется линзой 4 на апертурах АОМ 5 и 7. Далее световой пучок диф-; рагирует на акустических волнах в АОМ 5 и 7. Линза 9 осуществляет пространственное преобразование Фурье над световым распределением в выходемого сигнала U(t). В результате считывания распределение заряда преобразуется в электрический сигнал на выходе фотоприемника 17.

Разрешение по частоте в анализаторе спектра uF 1/Т,, где Т, - время анализа. Время анализа ограничено временем накопления заряда на

45 фотоприемнике, Дпя фотоприемников без охлаждения время накопления заряда достигает 100 мс. Следовательно, разрешение по частоте в анализаторе достигает 10 Гц. Разрешение по частоcQ те в известном устройстве, в котором плоскость регистрации спект а совпада ет с плоскостью, являющейся плос- ;. костью спектров для второй пары АОМ, uF 1/TjM, где Tj - максимальная

ной плоскости АОМ 5 и 7 и фокусируетgg задержка во второй паре АОМ; М - световые пучки +1-х дифракционных число элементов разрешения по Частоте порядков после АОМ 5 на апертуре в строке анализатора спектра. МакАОМ 10 и после АОМ 7 на апертуре симальная задержка в АОМ T«,-L/v, АОМ 12. Затем свет дифрагирует на . где L - длина звукопровода, оградиакустических волнах в AOF 10 и АОМ 12. Наличие двух наклонных пучков света после призмы 3 обеспечивает коллинеарность распространения +1-Х дифракционных порядков в плоскости, проходящей по координате х и таким образом устраняет пространственную несущую по Координате х в световом распQ ределении на плоскости фотоприемника. Линза 14 осуществляет преобразование Фурье над световым распределе нием в выходной плоскости АОМ IО и 12. Фокальная диафрагма 15 пропуска5 ет св етовые пучки +1-х дифракционных порядков после АОМ 10 и 12, которые в результате действия призмы 5 распространяются параллельно оптической оси устройства. Линза 16 вос0 станавливает в плоскости сЬотоприемни- ка 17 выходные плоскости АОМ 5,7,10, 12. Фртоприемник 17 осуществляет накопление - заряда пропорционально интенсивности падающего на него све5 тового поля. В результате накопления на фотоприемнике 17 образуется двумерное распределение заряда, имеющее форму растра, строки в котором ориентированы вдоль оси Y. Анализ

0 работы устройства показывает, что структура распределения заряда представляет собой пространственную нег сущую по оси Y, промодулированную по амплитуде амплитудным спектром, а

по фазе - фазовым спектром анализиру

емого сигнала U(t). В результате считывания распределение заряда преобразуется в электрический сигнал на выходе фотоприемника 17.

Q

Разрешение по частоте в анализаторе спектра uF 1/Т,, где Т, - время анализа. Время анализа ограничено временем накопления заряда на

45 фотоприемнике, Дпя фотоприемников без охлаждения время накопления заряда достигает 100 мс. Следовательно, разрешение по частоте в анализаторе достигает 10 Гц. Разрешение по частоcQ те в известном устройстве, в котором плоскость регистрации спект а совпадает с плоскостью, являющейся плос- ;. костью спектров для второй пары АОМ, uF 1/TjM, где Tj - максимальная

чена конструкцией АОМ и может достигать 50 МКС.

При считывании распределения заряда с фотоприемника необходимо воспро- извести пространственную несущую, поэтому на каждый период пространственной, несущей должно приходиться не менее четырех фоточувствительных элементов фотоприемника, ha каждый эле- мент разрешения по частоте приходится 2-3 периода пространственной несущей. Таким образом, на каждый элемент разрешения по частоте должно приходиться не менее 8 элементов фо- топрибмника. Максимальное число элементов фотоприемника в строке равно 512, а значит максимальное число элементов разреп1ения в строке анали- затора спектра М 64. Следовательно в известном устройстве максимальное разрешение по частоте ДР 312 Гц.

Таким образом частотное разрешени в предлагаемом акустооптическом анализаторе спектра более чем в 30 раз пр вьгошет разрешение по частоте в известном устройстве.

Формула изобр е т е н и я

Акустооптический анализатор cneicf- ра, содержащий последовательно распо- ложенные, оптически связанные источ ник когерентного света, коллиматор, первую цилиндрическую линзу, первый и второй акустооп /ические модуляторы, пьбзопреобразователи. которых расположены на противоположных гранях зву- копроводов, первую сферическую линзу, а задней фокальной плоскости которой расположены третий и четвертый акустические модуляторы, вторую сферическую линзу, двумерный фотоприемник, выход которого соединен с выходом анализатора спектра, а также первый генератор сигнала с линейной частотной модуляцией, выход которого соединен с пьезо преобразователем второго акустоопти- ческого модулятора, второй генератор с линейной частотной модуляцией сиг- нала, выход которого соединен с пьезопреобразователем третьего акус тооптического модулятора, и синхронизатор, первый выход которого соединен с управляющими входами первого и второго генераторов с линейной частотой модуляции сигн-ала, второй выход соединен с управляющим входом фотоприемника, причем третий и четQ 5 0

5

нями Ы 7п-Т) ° .® сред0

.. 5 0 5 Q 5

вертый акустооптические модуляторы повернуты на 90 вокруг оптической оси относительно первого и второго акустооптических модуляторов и смещены вдоль оси,° перпендикулярной плоскости пьезопреобразователей первого и второго акустооптических модуляторов, в противоположные от оптической оси стороны на расстояние си

fcprF),:

, где Гср - средняя частота в спектре (линейно-частотно-мо- ду.Г1ированного) сигнала первого генератора; FQ - фокусное расстояние первой сферической линзы; - длина волны света; v - скорость распространения, акустических волн в акустоопти- ческих модуляторах, отличающийся тем, что, с целью повьше- ния частотного разрешения, в анализатор введены треугольная призма, расположенная между коЛпиматором и первой цилиндрической линзой, с углом между основанием и боковьми гра- f itlllFl. vF«

няя частота в спектре линейно-частотно-модулированного сигнала второго генератора; F - фокусное расстояние первой цилиндрической линзы; п - показатель преломления материала призмы, причем основание призмы перпендикулярно оптической оси, а ребра параллельны первому акустооптическому модулятору, диафрагма, расположенная в задней фокальной плоскости второй сферической линзы, с прямоугольным отверстием, центр которого расположен на оптической оси, а края прямоугольного отверстия параллельны первому и третьему акустооптичес- ким модуляторам, вторая цилиндрическая линза, расположенная между диафрагмой и фотоприемником, и амплитудный модулятор, первый вход которого соединен с входами анализатора спектра и синхронизатора, второй вход модулятора соединен с выходом первого генератора ЛЧМ-сигнапа, а выход - с пьезопреобразователем первого акустооптическогО модулятора, причем первый и второй акустооптические модуляторы расположены в задней фокальной плоскости первой цилиндрической линзы и смещены вдоль оси, перпендикулярной плоскости пьезопреобразователей третьего и четвертого акустооптических модуля91499262 О

торов, в противоположные ot оптичес зователи третьего и четвертого акустокой оси стороны на расстояние X cw оптических модуляторов расположены на

eCF,, третий и четвертый акустооп- .противоположных гранях звукопроводов,

тические модуляторы наклонены к зад- га пьезопреобразователь четвертого

ней фокальной плоскости первой сте-акустооптического модулятора соедирической линзы в противоположныенен с выходом второго генератора листороны наугол О |i-. пьезопреобра-нейно-частотно-модулнрованного сигz,v .нэлз