Акустооптический фазометр-частотомер Советский патент 1990 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к радио- измерительной технике и может быть использовано для измерения Лазы и частоты радиосигналов в ВЧ- и СВЧ- диапазонах.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг.1 приведена схема акусто- оптического фазометра-частотомера; на фиг.2 - график распределения интенсивности света интерференционной картины (а) и расположение относительно него пространственных гребенчатых фильтров в известном (б) и предлагаемом (в) фазометрах-частотомерах.

Акустооптический фазометр-частотомер состоит из последовательно оптически соединенных-лазера 1, блока 2 деления луча лазера на два, первого электрооптического модулятора 3,рас- лоложенного на пути прохождения одного из раздельных световых лучей, а подключенным к нему гармоническим генератором 4 управляющего напряжения, двухканалъную акустооптическую ячейку 5 с пьезопреобразователями 6 и 7, подключенными к входам устройства, линзу 8, гребенчатый простран- ственный фильтр 9, расположенный в фокальной плоскости линзы 8, Лото- приемник 10, содержащий матрицу 11 фотодиодов, причем выходы соседних фотодиодов 12 и 13, расположенных

в одном горизонтальном ряду, попарно подключены к входам вычитающих элементов 14, а выходы последних - к входам сумматора 15. Сумматор 15 через автоматический переключатель 16, выход которого является выходом Лото- приемника 10, соединен с полосовым фильтром 17, подключенным к фазоме Т- ру 18. Второй электрический модулятор 19 расположен на пути прохожде- ния второго из раздельных световых лучей между блоком 2 деления луча лазера на два и двухканальной акусто оптической ячейкой 5 и подключен через фазовращатель 20 на Т/2 к гене ратору 4 управляющего напряжения.

Акустооптический фазометр-частотомер работает следующим образом. Луч лазера поступает на блок 2 деления светового луча на два. Вкаждый из раздельных световых лучей помещается по электрооптическому модулятору 3 и 19, причем первый электрооптический модулятор 3 соединен с генератором 4 управляющего синусоидального напряжения непосредственно, а второй электрооптический модулятор 19 соединен с генератором 4 синусоидального управляющего напряжения через фазовращатель 20 на 7Г/2. Таким образом, световые лучи на выходах электрооптических модуляторов 3 и 19 модулируются по фазе синусоидальными сигналами, сдвинутыми по Лазе на Т/2. Фаза оптической несущей на выходе ЭОМ 3 и 14 изменяется в соответствии с приложенным напряжением от управляющего генератора 4 по закону

II

Г

п

-j- tlcosft t d m

К cosflt;

гтч,.

tft --- -r-nj -Г Umsinnt

де

- К sinftt,

А - длина волны излучения

лазера;

г - электрооптическая постоянная;п. - показатель преломления для

необыкновенного луча; 1 - длина кристалла ЭОМ вдоль распространения светового луча;

dj, - толщина кристалла;

м

Ј1

-амплитуда прикладываемого синусоидального напряжения;

-частота управляемого напряжения;

К - коэффициент пропорциональности.

При подаче на входы акустооптичес- кой ячейки 5 исследуемого и опорного радиосигналов в ней с помощью пьезопреобразователей 6 и 7 возбуждаются бегущие ультразвуковые волны, Падающие на ячейку световые лучи с разными частотами дифрагируют на ультразвуковых столбах и в выходной плоскости линзы 8 образуют две интерференционные картины от дифрагировавших и недифрагировавших световых лучей, поступающих через пространственный гребенчатый фильтр 9 на фотоприемник 10,

Недифрагировавшие в двухканальной и акустооптической ячейке 5 пер51583866

вый и второй световые лучи в плоскости линзы описываются соотношениями

Чн

IHsin(toC(,t + К sin.ftt:); IHsin(wcet + К-созД t),

а дифрагировавшие световые лучи - соотношениями

if I. sin(wcet + coct + K-sinflt);

4j - 4 1A cfl + К созЛ t),

I sin-Cti t +wc t +

0

разователей расстояния между ними, пространственной частоты интерференционной картины и фокальной плоскости линзы 8; Сисв - круговая частота света; Wc - частота сигнала, подаваемого на пьезопреобразователи 6 и 7;

Lfc - сдвиг фаз между .сигналами на пьезопреобразователях 6 и 7.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения фазы и частоты радиосигналов. Цель изобретения - повышение точности измерений. Устройство содержит последовательно-оптически соединенные лазер 1, блок 2 деления луча на два, электрооптический модулятор 3 с подключенным к нему генератором 4 управляющего напряжения, двухканальную акустическую ячейку 5, пьезопреобразователи 6, 7 которой подключены к входам устройства, линзу 8, гребенчатый пространственный фильтр 9, фотоприемник 10, содержащий матрицу 11 фотодиодов, сумматор 15 и автоматический переключатель 16, с подключенным к нему фазометром 18. Цель изобретения достигается введением второго электрооптического модулятора 19, подключенного к генератору 4 через фазовращатель 20, включением между фотоприемником 10 и фазометром 18 полосового фильтра 17, а в фотоприемнике 10 между матрицей 11 фотодиодов и сумматором 15 вычитающих элементов 14, входы которых соединены с соединенными попарно фотодиодами матрицы 11. При этом пространственный гребенчатый фильтр 9 выполнен с шагом, равным половине периода интерференционной картины. 2 ил.

где

ч,интенсивности не- Интенсивность интерференционной дифрагировавших картины в плоскости гребенчатого

и дифрагировавших20 фильтра 9 и фотоприемника 10 от несветовых лучей, за- дифрагировавших в двухканальнгй акус- висящиеот (ам- тооптической ячейке 5 первого и вто- плитуда интенсив- рого световых лучей описывается выра- ности света) , раз- .жением

меров пьезопреоб-25

КТ/2

kКМУ1Г

1нН21нсо8р нК-1) J2Kt,(2 ) COS(2K +. 0(flt - -|)

КгО

°°Tf

+ sinpcPMIe (--J-) + 21„81п/1 2 JaK(--f) (Qt - -i-) .

Соответственно интенсивность интерференционной картины от диЛраги- ровавших в двухканальной акустооптиК /2

ц ZLcosaA 2 (-l)KJjKf,(--5---)cos (2K+l)(at к-о

+ la 81П

/JJ1,

J.

(-KVL}

i т

2l sin/5 i JlK()cos 2KCSlt - - + )J.,

де

Рни

8

- разность хода первого и второго недигЬрагиро- вавших и диЛрагировав- ших световых лучей от двухканальной акусто- оптической ячейки 5 до фокальной плоскости линзы 8, в которой рас- положены гребенчатый пространственный фильтр 9 и фотоприемник 10; я - несущественный здесь

коэффициент;

Ji - функции Бесселя первого рода i-порядка. Изменение частоты принимаемых раиосигналов приводит к смещению интер- ерен11ип ч1ой картины от первого и

ческой ячейке 5 световых лучей описывается соотношением

(2K+l)(at

- +

)1 2 fi

5

0

5

второго дифрагировавших световых лучей вдоль вертикальной номер ряда фотоэлементов матрицы I 1 фотодиодов, на котором появляется фо- .тозлектрический сигнал, соответствует значению частоты принятого сигнала.

Фазовый сдвиг между сигналами, подаваемыми на пьезопреобраэователи 6 и 7, определяется как разность фаз между сигналом биений от недифрагировавших световых лучей (опорный канал) и сигналом биений от дифрагировавших световых лучей, Лаза которого зависит от разности фаз входного радиосигнала.

Как видно из выражения для i и iq, сигналы биений диДрагировавших и недифрагировивших световых лучей

содержат гармоники частоть { -ен.- ратора А управляющего сигнала,причем биения дифрагировавших сигналов сдвинуты по базе на величину разности фаз сигналов Lfc поступающих на пъг зопреобразователи 6 и 7, Подбором глубины модуляции фазы в модулятоК 2рах 3 и 19, т.е. величины -----, до

биваются максимальной амплитуды одной из гармоник биений, например пер вой. При этом по свойствам функции Бесселя остальные будут незначительными. ,

Полосовой фильтр 17 выделяет,например, первые гармоники этих сигналов и с его выхода они поступают на вход фазометра 18, Измерение ра знос- ти фаз в фазометре 18 осуществля ется методом преобразования разности фаз в фазометре во временной интервал с последующим его измерением, что на частоте управляющего генератора А может быть выполнено достаточ- но точно.

Точность измерения опредапяется интенсивностью интерференционной картины. Выходной сигнал каждого Лото- диода матрицы 1 фотодиодов пропор- ционален интенсивности интерференционной картины. Численные оценки показывают, что при выполнении гребенчатого пространственного фильтра 9 с шагом8 равным половине периода

(фиг,2в) интерференционной картины (фиг.2а), и вычитании сигналов в каждой паре соседних окон фильтра достигается выигрыш по амплитуде полезного сигнала в 1,8-2 раза по сравне- нию с известным фазометром-частотомером, в котором пространственный фильтр выполнен с периодом интерфе ренционной картины (фиг,26),

Введение в схему фазометра-часто- томера второго электрооптического модулятора 19, подключенного через фазовращатель 20 на Т/2 к генератору 4 управляющего сиг-нала, дает возможность использовать з качестве генератора 4 управляющего сигнала генератор гармонического напряжения, что позволяет повысить по сравнению с известным точность измерения разности фаз сигналов с, поданных на пьезопреобразователи 6 и 7, так как синусоидальный генератор может быть выполнен с очень высокой стабильностью. Кроме того, уменьшается шумовая составляющая ошибки измерения, обусловленная наличием обратного хода пилообразного напряжения в известном устройстве, упрощается реализация самого генератора управляющего сигнала с частотой 51 , которая должна быть достаточно высокой и составлять не менее половины ширины спектральной линии лазера.

В предлагаемом фазометре-частотомере отсутствуют также ошибки измерения фазы, обусловленные нелинейностью пилообразного управляющего напряжения в известном, так как синусоидальное напряжение сравнительно легко может быть сформировано близким к идеальному,

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемый Фазометр позволяет увеличить точность измерений за счет уменьшения шумовых и детерминированных составляющих погрешности измерения фазы и частоты,упрощения устройства управления сдвигом частоты света. К тому же дорогостоящий высококачественный генератор управляющего пилообразного напряжения заменен на генератор синусоидального колебания. Одновременно снижаются требования к электрооптическому модулятору по части рабочей полосы частот и, соответственно, к его конструкции

Формула изобретения

Акустооптический фазометр-частотомер, содержащий последовательно оптически соединенные лазер, блок деления луча лазера на два, электро- оптический модулятор, расположенный на пути прохождения одного из разделенных световых лучей, с подключенным- к нему генератором управляющего напряженияj двухканальную акустооп- тическую ячейку, пьезопреобразователи каналов которой подключены к входам фазометра-частотомера, а каждый канал оптически связан с одним из разделенных световых лучей, линзу, гребенчатый пространственный фильтр, расположенный в фокальной плоскости линзы, фотоприемник, содержащий матрицу фотодиодов, сумматор и автоматический переключатель, и фазометр, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измере- ний8 введен второй электрооптический модулятор, расположенный на пу- ти прохождения второго из разделенных световых лучей между блоком деления луча лазера на два и двухка- нальной акустооптической ячейкой, с подключенным к нему генератором управляющего напряжения через фазовращатель на if/2, генератор управляющего напряжения выполнен в виде генератора синусоидального напряжения, гребенчатый пространственный

Фиг. 2

Редактор А.Козориз

Составитель И.Коновалов

Техред Л.Сердюко ва Корректор С.Черни

Заказ 2252

Тираж 553

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР , 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

фильтр выполнен с шагом, равным половине периода интерференционной картины,между фотоприемником и фазометром введен полосовой фильтр, в фотоприемник между матрицей фотодиодов и сумматором введены вычитающие элементы, причем выходы соседних фотодиодов матрицы фотодиодов, расположенных в одном горизонтальном ряду, попарно подключены к входам вычитающих элементов.

Подписное