Анализатор спектра

 

1. АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий оптически связанные источник когерентного света, коллиматор, фокусир5Пощую линзу, первый и второй акустооптические модуляторы, пьезопреобразователи которых соединены с выходом первого генератора линейно частотно-модулированного сигнала первую сферическую линзу, третий акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом второго генератора линёйно-частотно-модулированного сигнала, четвертый акустооптический модулятор , пьезопреобразователь которого . соединен с выходом коммутатора, вторую сферическую линзу, за которой расположен фотоприемник, причем третий и четвертый акустооптический модуляторы расположены в задней фокальной плоскости -первой сферической ,линзы и в передней фокальной плоскости второй сферичеркой линзы . н развернуты вокруг оптической оси на 90°по отношению к первому и вто рому акустооптическим модуляторам а также синхронизатор, вход которого соединен с входом коммутатора, первьй выход синхронизатора подсоединен ,к входам первого и второго генераторов линейно-частотно-модулированных сигналов, а второй - с запускающим входом фртоприемникаи управляющим входом коммутатора, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с цепью повышения точности, злементы анализатора размещены в одном оптическом канале причем первый и второй акустооптические модуляторы объединены в пару, при этом их пьезопреобразователи расположены на противоположных гранях акустооптических модуляторов, а центры третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположены на оси,перпендикулярной к плоскости пьезопреобразователей , первого и второго акустооптических модуляторов в проти воположные от оптической оси сторо : : ны, расстояние между которыми удовсо сд летворяет соотношению S - f - « см V СП где fjjp - средняя частота в полосе частот первого линейночастотно-модулированного сигнала; Fj - фокусное расстояние первой сферической линзы; Я - длина волны света; V - скорость ультразвуковых волн в первом и втором акустооптических модуляторах .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (д) G 01 R 23/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР .

ПО ДЕЛАМ ИЗОБЧ-ТЕНИЙ И ОТНРЫТИй

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3589202/24-21 (22). 06.05.83 (46) 15.12.84. Бюл. У- 46 (72) А.И.Елисеев и С.В.Грачев (71) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (53) 621.317.361(088.8) (56) 1. Sprague R.À. Acoustooptic

Snapshot PROM: А Reaf-time Optiса0-signaf Spectrum, An a(yzer.

Applied Optics v. 17, У 1 7, 1978, рр. 2762-2768.

2. Bader Т.R. Acoustaoptic

Spectrum Analysis: А High Perforтапсе Hybrid. Technigue. — Applied

Optics, v. 18, 8 10, 1979, рр ° 1668-1672 (прототип) . (54) (57) 1. АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий оптически связанные источник когерентного света, коллиматор, фокусирующую линзу, первый и второй акустооптические модуляторы, пьезопреобразователи которых соединены с выходом первого генератора линейно-частотно-модулированного сигнала, первую сферическую линзу, третий акустооптический модулятор, пьезопреобраэователь которого соединен с выходом второго генератора линейно-частотно-модулированного сигнала, четвертый акустооптический модулятор, пьезопреобраэователь которого соединен с выходом коммутатора, вторую сферическую линзу, за которой расположен фотоприемник, причем третий и четвертый акустооптический модуляторы расположены в задней фокальной плоскости -первой сферической,линзы и в передней фокальной

„SU„„ I I 29545 А плоскости второй сферической линзы и развернуты вокруг оптической оси на 90 по отношению к первому и второму акустооптическим модуляторам а также синхронизатор, вход которого соединен с входом коммутатора, первый выход синхронизатора подсоединен .к входам первого и второго генераторов линейно-частотно-модулированных сигналов, а второй — с запускающим входом фотоприемника и управляющим входом коммутатора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, элементы анализатора размещены в одном оптическом канале, причем первый и второй акустооптичес.. I кие модуляторы объединены в пару., при этом их пьеэопреобразователи расположены на противоположных гранях акустооптических модуляторов, а центры третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположенййа И оси,перпендикулярной к плоскости лье эопреобраэователей,первого и второго акустооптических модуляторов в проти I воположные от оптической оси сторо ны, расстояние между которыми. удовлетворяет соотношению

"см ср г q где с — средняя частота в полосе частот первого линейночастотно-модулированного сигнала;

F — фокусное расстояние первой сферической линзы; — длина волны света;

Ч вЂ” скорость ультразвуковых воли в первом и втором акустооптических модулято. рах, 129545

1 причем пьеэопреобразователи третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположены на их одноименных гранях.

2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что синхронизатор содержит элемент дифференцирования, вход которого является входом синхронизатора, а выход соединен с входом первого ждущего мультивибратора, выход которого является первым выходом синхронизатора, и через второй ждущий мультивибраторс входом третьего ждущего мультивибратора, выход которого является вторым выходом синхронизатора.

Изобретение относится к измери. тельной технике и может быть использовано для определения спектров сигналов в радиосистемах в реальном масштабе времени. 5

Известен двумерный акустооптический анализатор спектра с пространственным интегрированием, содержащий источник когерентного света, коллиматор, фокусирующую линзу, акустооптический модулятор, линзу прямого преобразования Фурье, дефлектор, линзу обратного преобразования Фурье, пространственно-временной модулятор света типа РВОМ, источник считывающего светового пучка, сферическую линзу, фотоприемник (1 ).

Недостатками известного устройства являются большие трудности при построении системы адресации светово- 2О го пучка и отсутствие достаточно качественного и доступного двумерного пространственно-временного модуля-. тора света.

Наиболее близким к предлагаемому является анализатор спектра, содержащий источник когерентного света, светоделитель, зеркала и линзы для образования двух коллимированных световых пучков., соответствующих двум оптическим каналам. Один оптический канал включает первую фокусирующую линзу, первый акустооптичес. кий модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом первого генератора ЛЧИ сигнала; первую сферическую линзу . второй акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соедйнеи с выходом второго 4О генератора линейно-частотно-модулиро. ванного сигнала, вторую сферическую линзу, а другой — вторую фокусирующую линзу, третий акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом входного коммутатора, третью сферическую линзу, четвертый акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом первого генератора линейно-частотно-модулированного сигнала, четвертую и пятую сферические линзы, расположенные последовательно, а также синхронизатор, причем световые пучки первого и второго каналов сходятся на фото-, приемнике (21.

Недостатком данного спектроанализатора является то, что его схема построена по принципу регистрации голограмм с внеосевым опорным пучком и вследствие этого недостаточная точность из-за увеличенного отношения сигнал/шум.

Цель изобретения — повышение точности, Цель изобретения достигается тем, что в анализаторе спектра, содержащем оптически связанные источник когерентного света„ коллиматор, фокусирующую линзу, первый и второй акустооптические модуляторы, пьезопреобразователи которых соединены с выходом первого генератора линейночастотно-модулированного сигнала, первую сферическую линзу, третий акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом второго генератора линейно-частотно-модулированного сигнала, четвертый акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом коммутатора, вторую сферическую линзу, за которой расположен фотоприемник, причем третий и четвеэтый акустооптический модуля1

3 11295 торы расположены в задней фокальной плоскости первой сферической линзы и в передней фокальной плоскости второй сферической линзы и развернуты вокруг оптической оси на 90 по

5 отношению к первому и второму акчстооптическим модуляторам, а также синхронизатор, вход которого соединен с входом коммутатора, первый выход синхронизатора подсоединен к входам

1О первого и второго генераторов линейно-частотно-модулированных сигналов, а второй — с запускающим входом фотоприемника и управляющим входом коммутатора, элементы анализатора размещены в одном оптическом канале, 15 причем первый и второй акустооптические модуляторы объединены в пару, при этом их пьезопреобразователи расположены на противоположных гранях акустооптических модуляторов, а центры третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположены на оси, перпендикулярной к .плоскости пьезопреобразователей первого и вто25 рого акустооптических модуляторов в противоположные от оптической оси стЬроны, расстояние между которыми удовлетворяет. соотношению

Л

F усм сР 2 тр 30 положению плюс первого и минус нервого дифракционных порядков от акустооптических модуляторов 4 и 5. Кроме того, третий и четвертый модуляторы 10 и 11 развернуты вокруг оптической оси устройства на 90 по отношению к модуляторам 4 и .5, а их пьезопреобразователи 12 и 13 соответственно размещены на одноименных гранях акустооптических модуляторов. Пьезопреобразователь 12 третьего модулятора 10 соединен с выходом второго генератора 14 линейно-частотно-модулированного сигнала, а пьезопреобразователь 13 чертвертого модулятора 11 соединен с выходом коммутатора 15.

После модуляторов 10 и 11 на оптической оси устройства последовательно расположены вторая сферическая линза 16 с фокусным расстоянием Р и фотоприемник 17. Выход фотоприемника служит выходом спектроанализатора.

Кроме того, анализатор спектра имеетсинхронизатор 18, вход которого соединен с сигнальным входом коммутатора 15, первый выход — с запускающими входами первого и второго генераторов 8 и 14.линейно-частотно-модулированных сигналов, второй выход — с запускающим входом фотоприемника 17 и управляющим входом коммутатора 15.

Синхронизатор 18 (фиг. 2) содержит элемент дифференцирования 19, вход которого является входом синхронизатора 18, а выход соединен с входами где f — средняя частота в полосе частот первого линейночастотно-модулированного сигнала;

F — фокусное расстояние первой .45 сферической линзы; — длина волны света;

V — скорость ультразвуковых волн в первом и втором акустооптических модулято- 4О рах, причем пьезопреобразователи третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположены на их одноименных гранях. 45

Кроме того, синхронизатор содержит элемент дифференцирования, вход которого является входом синхронизатора, а выход соединен с входом первого ждущего мультивибратора, выход 50 которого является первым выходом синхронизатора, и через второй ждущий мультивибратор — с входом третьего ждущего мультивибратора, выход которого является вторым выходом синхро- 55 низатора.

На фиг. 1 представлена схема анализатора спектра; на фиг. 2 — блок45 4 схема синхронизатора; на фиг ° 3— временные диаграммы, поясняющие временной режим работы анализатора.

Анализатор спектра содержит (фиг. 1) оптически связанные источники когерентного света 1, коллиматор 2, фокусирующую линзу 3 с фокусным расстоянием F первый и второй акустические модуляторы 4 и 5, объединенные в пару так, что их пьезопреобразователи 6 и 7 соответственно расположены на противоположных гранях и соединены с выходом первого генератора 8 линейно-частотномодулированного сигнала, первую сферическую линзу 9 с фокусным расстоянием F, третий и четвертый акустооптические модуляторы 10 и 11, причем центры последних смещены вдоль оси у в противоположные от оптической оси стороны на расстояние

h у =Šà —, которое соответствует

1129545 первого и второго ждущих мультивиораторов 20 и 21. Выход первого ждущего мультивибратора 20 является первым выходом синхронизатора, а выход второго ждущего мультивибратора 21 соединен с входом третьего ждущего мультивибратора 22, выход которого является вторым выходом синхронизатора..

Устройство работает следующим образом.

Пусть в момейт времени t=O на вход анализатора спектра поступает анализируемый сигнал 23 (фиг. 3)

u(t) a(t)cos(uzt+Y(t)), о)о2я йо;

f,, a(t), Ч(й) — несущая частота, законы амплитудной и фазовой модуляции сигнала 23 соответ- 20 ственно..

При этом сигнал 23 поступает на вход коммутатора 15, который не пропускает сигнал 23 на пьезопреобразова тель 13. Одновременно сигнал 23 поступает на вход синхронизатора 18, в котором элемент дифференцирования 19 формирует сигнал 24, соответствующий переднему фронту анализируе-ЗО мого сигнала 23. Сигнал 24 запускает ждущие мультивибраторы 20 и 21.

Мультивибратор 20 формирует сигнал 25 длительностью T+4L/V, где Т - длительность анализируемой выборки сигнала, 2L — размер апертуры модулятора.

Сигнал 25 поступает с первого выхода синхронизатора 18 на запускающие входы первого и второго генератоpos 8, 14 линейно-частотно-модулиро-ванных сигналов. Генераторы 8 и 14 работают в ждущем режиме и, пока на их запускающие входы поступает сигнал 25, генерируют сигналы. При этом

45 с выхода первого генератора 8 на пьезопреобразователь 6 модулятора 4 и на пьезопреобразователь ? модулятора 5 поступает сигнал со скоростью изменения частоты г„ а с вы50 хода второго генератора 14 иа пьезопреобразователь 12.модулятора 10 поступает периодический линейно-частотно-модулированный сигнал с периодом 2L/V и скоростью изменения частоты у . Пьезопреобразователи 6, 7 и 12 преобразуют электрические сигналы в акустические волны, распро-, страняющиеся в модуляторах 4,5 и 10 соответственно. Мультивибратор 21 формирует импульс 26 длительностью

2L/V, по заднему фронту-которого запускается мультивибратор 22. К моменту времени 2L/V апертуры модуляторов 4,5 и 10 полностью заполнены акустическими волнами и готовы к выполнению алгоритма преобразования

Фурье., Мультивибратор 22 формирует сигнал 27 длительностью Т, который со второго выхода синхронизатора 18 поступает на управляющий вход коммутатора 15 и на запускающий вход фотоприемника 17. При этом в течение времени Т коммутатор 15 пропускает сигнал. 23 на пьезопреобразователь 13, который преобразует его в акустическую волну, распространяющуюся в модуляторе 11, а фотоприемник 17 осуществляет накопление до момента времени Т+4Е/V,. Световой пучок от источника 1 расширяется коллиматором 2 и фокусируется линзой 3 на апертуру модуляторов 4 и 5. Свет дифрагирует на акустических волнах в модуляторах 4 и 5. Линза 9 осуществляет пространственное преобразование Фурье над световым распределением в выходной плоскости модуляторов 5 и фокусирует его на апертуры модуляторов 10 и 11, которые помещены в областях расположения первых дифракционных порядков от модуляторов 4 и 5 ° Далее свет дифрагирует на акустических волнах в модуляторах 10 и 11. Линза 16 осуществляет пространственное преобразование Фурье над световым распределением в выходной плоскости модуляторов 10 и 11 и фокусирует первый дифракционный порядок.от модуляторов 10 и 11 на апертуру фотоприемника 17. Фотоприемник 17 осуществляет накопление заряда в соответствии с распределением интенсивности света, падающего на его апертуру. С момента времени Т+2Е/V окончания действия сигнала 27 на управляющий вход коммутатора 15 последний не пропускает сигнал 23 на пьезопреобразователь 13.

В момент времени T+4L/V сигнал 25 перестает воздействовать на генераторы 8 и 14 и линейно-частотно-модулированные сигналы более не генерируются. С момента времени T+4L/V до момента t(T+4L/V)+T С„1, где Т:ц — время считывания заряда фотоприемника,.с фотоприемника 17 выводится сигнал 28 Пью„(), содержащий радиочастотную составляющую, 1129545 промодулированную по амплитуде амплитудным, а по фазе — фаэовым спект рами сигнала 23 u(e).

Изобретение позволяет увеличить отношение сигнал/помеха в выходном сигнале акустооптического анализатора спектра с пространственным и временным интегрированием и упрощает оптическую часть его схемы. Вибрации оптических элементов схемы приводят к появлению множителя:

П Вкэ где g — произведение по индексу"к", В„ — ухудшение видности (глубины модуляции) полезной сос .тавляющей в распределении заряда, определяемое вибрацией к-ro элемента оптической схемы; к=1,2,3,....

Амплитуда полезной составляющей заряда в схеме прототипа по сравнению с предлагаемой схемой иэ-за наличия зеркал в первой из них значительно меньше. Для практической реа" лизации схемы с двумя оптическими путями необходимо 4-6 зеркал. Возьмем минимальное число 4. Для к-r o зеркала В„ имеет вид:

Вк= Хо(а2Л где Ip(z) — функция Бесселя нулевого порядка; а — постоянный коэффициент (04ac2);

Ь вЂ” амплитуда колебаний.

Производят вычисления для b A/8, .а=2, к=4, получим:

П и 0,063. Таким образом полезная составляющая накопленного на фотоприемннке заряда для схемы прототипа в 16 раз

10 меньше, чем для схемы анализатора спектра по изобретению. При этом не учитывалось влияние вибрации линз, которых у схемы прототипа в 2 раза больше, а также уменьшение амплиту15 ды полезной составляющей заряда за счет возможного наличия разности хода световых пучков в двух оптических каналах. Так как помеховая составляющая заряда в обеих схемах оди20 иакова, то, следовательно, отношеНие сигнал/помеха в выходном сигнале предлагаемого анализатора спектра более чем,в 16 раз выше, чем в схеме анализатора-прототипа.

25 Предлагаемый анализатор спектра, сочетая широкую полосу анализа и вы- сокое разрешение по частоте, является наиболее перспективным в классе акустооптических анализаторов спектра и позволяет эффективно решать задачу широкополосного спектрального анализа сигналов в реальном времени с высоким разрешением.

1129545

1!29545 ! 1! ! I

У ч еа"а i! l(J т, /

Фие 3

ВНИИПК Заказ 9444/35 Тираж 710 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проентная,4