Оптический спектроанализатор Советский патент 1991 года по МПК G01R23/17 

N Ко „

2 2 Cos 4гг kn Cos Wcp (t - п Тд) + n o k oN

+s,« ifkni

Sin (t - n Тд) X

30

+ Hr-kAT- n Тд) е

J pO-nTA+ -h kn+f)

Изобретение касается оптической обработки информации и предназначено дяя анализа сигналов в реальном масштабе времени. Цель изобретения - повышение точности анализа, уменьшение требуемой оптической мощности и потребляемой энергии. Спектроанализатор содержит источник когерентного света 8, коллиматор 9, 10, цилиндрическую линзу 11, сферические линзы 13 и 17, акустооптические модуляторы 12 и 16, фотоприемник 18. Для достижения цели в него введены вторая цилиндрическая линза 14, оптический клин 15, генератор гармонического сигнала 10, балансные модуляторы 2 и 3, генераторы отсчетов 4 и 5, линия задержки 6, сумматор 7 и блок управления 19. 1 ил.

xf(t-kAT-nTA) Ј Z (tn 0 k 0

2я

- n тд) + kn f (t - k Д т - n Тд).

На выходе сумматора 7 сигнал представляет собой набор коротких (тп Та/К) радиоимпульсов одинаковой амплитуды, а фаза их высокочастотного заполнения меняется от импульса к импульсу. С выхода сумматора 7 этот сигнал поступает на электрический вход первого акустооптического модулятора 12 и используется для формирования опорного светового пучка.

На оптический вход акустооптического модулятора 12 от источника 8 когерентного света через коллиматор, выполненный на линзах 9 и 10, и фокусирующую первую цилиндрическую линзу 11 поступает последоN

вэтельность световых импульсов Ј 3(t п 0

-Та - п Тд). В акустооптическом модуляторе 12 осуществляется модуляция этих импульсов сигналом, поступающим с выхода сумр - размер апертуры акустооптического модулятора, Ф (х) характеризует сферический фазовый фронт опорной волны вдоль оси, радиус сферичности которого определяется второй цилиндрической линзой 14 и оптическим клином 15. Этот радиус должен быть таким, чтобы обеспечить в плоскости регистрации размер опорного пучка вдоль

оси х не меньше, чем Д х , где F2 фокусное расстояние второй сферической линзы 17. Такой размер опорного пучка достигается, еслифокусное расстояние второй цилиндрической линзы 14 удовлетворяет

соотношению Рц j , а угол при верши- л д ТА

не оптического клина 15 составляет

« агс

Sin

срЯ v

пс

Немодулированный световой пучок, соответствующий нулевому порядку дифракции от первого акустооптического модулятора 12, поступает через первую сферическуга линзу 13-на оптический вход второго акустооптического модулятора 16. На его электрический вход подается анализируемый сигнал U(t). Пусть U(t) представляет собой гармонический сигнал U(t) UcCos (УС t 4- рс) Uc, , рс амплитуда, частота и фаза). Тогда в плоскости регистрации х, у появляется световое поле в виде линии, параллельной оси у и удаленной от

нее на расстояние хс

v

10

Составляющие заряда Q(x,y), соо вующие первым двум слагаемым, ха ны для спектральных анализат временным интегрированием и мог легко отфильтрованы от информац третьей составляющей заряда, котор сывается осциллирующей функцией

Из выражения для Q(x,y) видно, симальный заряд формируется в

. Это световое ПЗС, имеющих координаты х

поле с точностью до несущественных множителей можно записать следующим образом:

Ес(х,уд) ис

4(--Т1)

(.-f)+

Фотоприемнйк 18, в качестве которого используется матрица приборов с зарядовой связью (ПЗС), регистрирует результат интерференции опорного и сигнального световых распределений. Интенсивность света, регистрируемого фотоприемником,

п(х,уд) I Еопп (х.УД) + Ec(x,y,t)l2 I Еопп(х-УД) Г+.l Ec(x,y,t)|2 +

+ 2Re Ес(х.уд) Еопп (х,УД) , где Eon - величина, комплексносопряжен- ная Eon. Заряд ПЗС О.(х,у) определяется интегрированием по времени интенсивности света на его светочувствительной поверхно сти. Заряд, накопленный по прошествии всех N+1 световых импульсов, определяется следующим образом:

Q (x,y) (N+1) i If )2 + k 0 v ii

-

((№-Т)

+

+ 2USinc( 2 f

i А Г2 / о

N +1

2Л,

kAT

2л

(Ьс Тд --jq-k )

xCos (ffltp - -ft) ;

где & (шс Тд - - k ) - ;

W -Ф(Х) + (ШС - ШСР) +рс-|.

0

Составляющие заряда Q(x,y), соответствующие первым двум слагаемым, характерны для спектральных анализаторов с временным интегрированием и могут быть легко отфильтрованы от информационной третьей составляющей заряда, которая описывается осциллирующей функцией.

Из выражения для Q(x,y) видно, что максимальный заряд формируется в ячейках

fcAF2

ПЗС, имеющих координаты х

y kATv-Ј При этом вдоль оси у частотный отклик может находиться в одной из К 15 частотных полос, шириной ATv каждая, Отклик спектроанализатора формируется в к-й частотной полосе, если частота входного

20

I/

сигнала fc тгт + I

25

30

35

40

45

50

55

J

V

где I -любое целое

число. Например, в полосе, соответствующей к 0, формируется максимум для сигналов с частотами fc -

I

в полосе, 1

соответствующей к 1. fc - + ..

Тд IM Тд

а в

К-й полосе fc - +

К

В то же время

Тд МТД вдоль оси х частотный отклик формируется

fcAF2

в точке х ,

v

Таким образом, вдоль оси х может производиться грубый отсчет частоты, а вдоль оси у - точный.

Блок 19 управления осуществляет управление работой генераторов 4 и 5 отсчетов, а также обеспечивает запуск источника 8 когерентного света. Сигналами для запуска блока 19 управления служат синхроимпульсы фотоприемника 18 (матрицы ПЗС).

В предлагаемом спектроанализаторе полностью исключено приводящее к понижению точности анализа изменение интенсивности интерферирующих световых пучков, характерное для известного устройства, что повышает точность анализа.

Кроме того, предлагаемый спектроана- лизатор содержит на два акустооптических модулятора меньше, чем известное устройство, что позволяет снизить потребление энергии и использовать источник когерентного света меньшей мощности.

Формула изобретения

Оптический спектроанализатор, содержащий последовательно оптически соединенные источник когерентного света, коллиматор, первую цилиндрическую линзу, первый акустооптический модулятор первую сферическую линзу, второй акустооптический модулятор, расположенный в задней

фокальной плоскости первой сферической линзы, электрический вход которого соединен с входом спектроанализатора, вторую сферическую линзу и фотоприемник, электрический выход которого соединен с выхо- дом спектроанализатора, отличаю щи й- с я тем, что, с целью повышения точности анализа, уменьшения требуемой мощности оптического излучения и потребляемой энергии, в него введены генератор гармони- ческого сигнала, два балансных модулятора, два генератора отсчетов, линия задержки, сумматор, блок управления, причем выход первого генератора отсчетов со- единен с первым входом первого балансного модулятора, выход второго генератора отсчетов соединен с первым входом второго балансного модулятора, второй вход первого балансного модулятора соединен с выходом генератора гармонического сигнала, а второй вход второго балансного модулятора соединен с выходом генератора гармонического сигнала через линию задержки, выходы первого и второго балансных модуляторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматоров, выход которого подключен к электрическому входу первого акустооптического модулятора, первый выход блока управления соединен с входами управления генераторов отсчетов, второй выход блока управления соединен с входом запуска источника когерентного света, а вход блока управления - с выходом синхроимпульсов фотоприемника,

а также вторая цилиндрическая линза и оптический клин, расположенные непосредственно друг за другом по ходу светового луча в задней фокальной плоскости первой сферической линзы, причем расстояние d-между их центрами и оптической осью удовлетворяет соотношению

где fcp - средняя частота полосы анализа;

Pi - фокусное расстояние первой сферической линзы;

А-длина волны света;

v - скорость распространения акустических волн в акустооптическом материале, (фокусное расстояние Рц второй цилиндрической линзы выбрано из соотношения

FU

V Р

AAfA

где fA - полоса анализа;

Р - размер апертуры акустооптического модулятора, а величина угла при вершине оптического клина выбрана из соотношения

а arcsin

Sin jcp A

пс J

где пс - коэффициент преломления материала, из которого выполнен оптический клин.