Акустооптический фазометр-частотомер

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения частоты и разности фаз радиосигналов . Цель изобретения - расширение , динамического диапазона и повышение точности измерения разности фаз. На акустооптическую ячейку 5 падают два световых луча с разными частотами и дифрагируют на ультразвуковых столбах. Одновременно на акустооптическую ячейку 5 поступает исследуемый радиосигнал,который посредством пьезопреобразователя Фиг. 2 6 и 7 возбуждает в ней бегущие ультразвуковые волны. В результате в выходной плоскости линзы 8 образуются две интерференционные картины , поступающие на мнргоэлементный фотоприемник 9. Изменение частоты радиосигналов приводит к смещению интерференционной картины вдоль оси X, а номер элемента фотоприемника 9, на котором появится фотоэлектрический сигнал, дает значение частоты принятого сигнала.Фазовый сдвиг между принимаемыми сигналами можно измерять как разность фаз между сигналом биений от недифрагмировавших световых лучей (опорный сигнал) и сигналом биений от дифрагмировавших световых лучей, фаза которого зависит от разности фаз входного радиосигнала.Введение устройства 2 деления луча лазера на два и электрооптического модулятора 3 позволяет получить световые лучи с. разными частотами, а наличие гребенчатого пространственного фильтра 11 увеличивает выходной сигнал фотоприемника 9 в 3,5 раза. В целом устройство позволяет увеличить динамический диапазон на 15-20 дБ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. л W 00 со о со со (.и fta 3

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 G 01 R 25/00 23 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ. (21) 3850987/24-21 (22) 05. 02. 85 (46) 30.08.87. Бюл. к- 32 (71) Томский институт автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) Н.С.Вернигоров, А.С.Задорин, С.В.Лукинский и Л.Я.Серебренников (53) 62 1.3 17.77(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 963383, кл. G 01 R 25/00, 1980.

Авторское свидетельство СССР

Р 555704, кл. G 01 R 23/16, 1976. (54) АКУСТООПТИЧЕСКИИ ФАЗОМЕТР-ЧАСТОТОМЕР (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения частоты и разности фаз радиосигналов.Пель изобретения — расилрение. динамического диапазона и повышение точности измерения разности фаз. На акустооптическую ячейку

-5 падают два световых луча с разными частотами и дифрагируют на ультразвуковых столбах. Одновременно на акустооптическую ячейку 5 поступает исследуемый радиосигнал, который посредством пьезопреобразователя

„„Я0„„133409 А1

6 и 7 возбуждает в ней бегущие ультразвуковые волны. В результате в выходной плоскости линзы 8 обраФ зуются две интерференционные картины, поступающие на мнргоэлементный фотоприемник 9. Изменение частоты радиосигналов приводит к смещению интерференционной картины вдоль оси Х, а номер элемента фотоприемника 9, на котором появится фотоэлектрический сигнал, дает значение частоты принятого сигнала. Фазовый сдвиг между принимаемыми сигналами можно измерять как разность фаз между сигналом биений от недифрагмировавших световых лучей (опорный сигнал) и сигналом биений от дифрагмировавщих световых лучей, фаза которого зависит от разности фаз входного радиосигнала. Введение устройства 2 деления луча лазера на два и электрооптического модулятора

3 позволяет получить световые лучи с, разными частотами, а наличие гребенчатого пространственного фильтра

11 увеличивает выходной сигнал фотоприемника 9 в 3 5 раза. В целом устройство позволяет увеличить динамический диапазон на 15-20 дБ.

1 з п. флы, 2 ил.

1334093

Изобретение относится к радиоизмерительным устройствам, в частности к фазометрам-частотомерам, и может быть применено для одновременного измерения частоты и разности фаз радиосигналов.

Цель изобретения — расширение динамического диапазона и повышение точности измерения разности фаз.

На фиг. 1 изображено устройство, общий вид; на фиг. 2 — то же, пример исполнения.

Устройство по фиг. 1 содержит следующие узлы: последовательно расположенные лазер 1,устройство 2 деления луча лазера на два, злектрооптический модулятор (ЭОМ) 3 с подключенным к нему генератором 4 управляющего напряжения, двухканальную акустооптическую ячейку 5 с нанесенными на ней пьезопреобразователями 6 и 7, линзу 8, многоэлементный фотоприемник 9 и подключенный к последнему автоматический переключатель с фазометром 10.

Устройство по фиг. 2 содержит те же узлы, расположенные в том же порядке, и дополнительно гребенчатый пространственный фильтр 11,расположенный в фокальной .плоскости линзы 8.

Акустооптический фазометр-частотомер работает следующим образом, Луч лазера 1 поступает на устройство 2 деления светового луча на два, которое может быть выполнено, например, в виде плоскопараллельной пластинки с нанесенными на ней с. одной стороны на половину размера. вдоль оси Y непрозрачным зеркалом и с другой стороны полупрозрачным зеркалом являющимся продолжением первого.

В один из разделенных лучей помещается электрооптический модулятор

3 с подключенным к нему генератором

4 управляющего напряжения. Если к

ЭОМ приложить пилообразное напряжение, то частота оптической несущей на выходе ЭОМ смещается на частоту Q,, определяемую выражением: и ь 1 U — rn о где — длина волны излучения лазера;

r — электрооптическая постоянная;

Выходной сигнал одного элемента фотоприемника, пропорциональный интенсивности интерференционной картины,в случае монохроматического входного сигнала определяется выраЗ5 жением

+ 2 U U2 cos (Я t 4 ц d + д< ) (2) где W размер пьезопреобразователей 6 и 7 в направ-, лении оси У; расстояниЕ между центрами пьезопреобраэователей; фазовый сдвиг между поданными сигналами; промежуточная частота, определяемая из (1); амплитуды дифрагировавших световых волн; пространственная частота интерференционной картины в фокальной плоскости линзы 8, определяемая выражением

n — показатель преломления для е необыкновенного луча;

1 — длина кристалла ЭОМ вдоль

5 распространения светового. луча;

1 — толщина кристалла;

Б — максимальная амплитуда прикладываемого пилообразного напряжения;

Т вЂ” период пилообразного напряжения.

В результате на двухканальную акустооптическую ячейку падает два световых луча с частотами я, и я, + A,, При подаче на входы акустооптической ячейки исследуемого радиосигнала 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 образуются две интерференционные картины от дифрагировавших и недифрагировавших световых лучей, поступающие на многоэлементный фотоприемник 9.

2 и

" = eF (3) nF .

2d (5) 35

2> F а = (6) 55 F

Р- Д (7) ционной картины где F - .фокусное расстояние линзы;

У вЂ” пространственный период интерференционной картины.

Выходной сигнал фотоприемника для недифрагировавших световых лучей имеет вид () (sin 0 5 МУ ) (Е Е + н и 05ма„

+ 2 Е<Е cos (Q t + У с1), (4) где Е,,E — амплитуды недифрагировавших световых волн.

Изменение частоты принимаемых радиосигналов приводит,к смещению интерференционной картины вдоль координаты Х (фиг. 1) а номер элемента фотоприемника,на котором появляется фотоэлектрический сигнал, соответствует значению частоты принятого сигнала.

Фазовый сдвиг между принимаемыми сигналами можно измерять как разность фаз между сигналом биений от недифрагировавших световых лучей (опорный канал) и сигналом биений от дифрагировавших световых лучей,фаза которого зависит от разности фаз входного радиосигнала.

В отличие от прототипа интенсивность интерференционной картины,а следовательно, и выходное напряжение фотодиодов зависит лишь от эффективности дифракции двухканальной акустооптической ячейки и,поскольку число оптических элементов в рассматриваемых устройствах одинаково, дополнительных потерь излучения, кроме указанных,не возникает.

Так как эффективность дифракции двухканальной акустооптической ячейки в прототипе и предлагаемом устройстве одинакова, поскольку могут применяться одни и те же ячейки, то предлагаемое устройство обеспечивает преимущество в интенсивности на порядок по сравнению с прототипом,что следует из приведенного анализа. Зто приводит к увеличению динамического диапазона по уровню входного сигнала.

Кроме того, значение промежуточной частоты, получаемое с помощью

ЗОН, может меняться в пределах от единиц килогерц до единиц мегагерц.

34093

Зто дает возможность применять серийно выпускаемую матрицу фотодиодов МФ-16, которая может работать

5 в однострочном режиме с параллельным съемом фотоэлектрического сигнала и выделять сигнал биений от единиц килогерц до 1 ИГц.

Измерение разности фаз между опорным и сигнальным каналами фотоприемников можно осуществить, например,известным методом преобразования разности фаз во временной интервал с последующим его измерением, 15 что на полученной низкой частоте позволяет достаточно точно измерять сдвиг фаз принимаемых высокочастотных радиосигналов.

Принцип работы акустооптического фазометра-частотомера по фиг. 2 гребенчатого пространственного фильтра такой же, как и акустооптического фазометра-частотомера по фиг. 1.

Действие гребенчатого пространствен25 ного фильтра заключается в следующем.

Выражение (2) для отклика фотоприемника справедливо в случае точечного фотоприемника. Поскольку фотоприемник имеет конечный размер, 30 то максимальная амплитула сигнала биений наблюдается при выполнении условия где 3Y — размер фотоприемника по

F оси Y.

Так,например, при = 0,63 мкм, 40 F SO cM, й=2мм, 3У =78,8мкмр т.е. размер элемента фотоприемника достаточно мал. В то же время размер интерференционной картины по оси

Y определяется огибающей здп Y/Y

45 в (2) и (4) и находится как

50 Пространственный период интерференционной картины определяется расстоянием между центрами пьезопреобразователей и определяется из выражения

Тогда число периодов интерферен1334093 а 26

Yð У вид

N/2

W Г

Ц вЂ” (п « — (и-1)

Й 2 х в п

M г и — (п — (n-1)—

d 2 р Y+ всу ), (9) х 1 + сов (Г1,t) + где и - 0 1921... уд — начальное — 20 ложение фотоприемника относительно интерференционной кар- 25 тины.

Из (9) очевидно увеличение амплитуды выходного сигнала фотоприемника. Например, при = 0,63 мкм, d - =2 мм, W - =1 мм, F = --50 см числе окон фильтра И 4 увеличение выходного сигнала фотоприемника составляет 3,5 раза. Еще большее преимущество наблюдается, если отношение 35

Й возрастает, так как возрастает

W число периодов.

Измерение разности фаэ принима- 40 емых сигналов осуществляется аналогично описанному для устройства по фиг, 1

Таким образом, изобретение позво-. ляет увеличить динамический диапазон на 15-20 дБ, повьппая точность измерения разности фаз принимаемых радиосигналов при изменении уровня входного сигнала.

Таким образом фотоприемник размером 3У выделяет всего лишь часть одного периода интерференционной картины, не используя остальную ее интенсивность. При использовании гребенчатого пространственного фильтра с размером окна 1

= 8Y и периодом P = Y отклик одного элемента фотоприемника имеет

Формула из обретения

1.Акустооптический фазометр-частотомер, содержащий расположенные на одной оптической оси и в одной плоскости лазер, последовательно соединенные оптически двухканальную акустооптическую ячейку, линзу, многоэлементный фотоприемник с подключенным к нему, фазометром, о т л ич а ю шийся тем,что, с целью расширения динамического диапазона и точности измерения разности фаз, между лазером и акустооптической ячейкой введены последовательно расположенные .блок деления луча лазера на два и электрооптический моду-. лятор с подключенным к нему генератором управляющего напряжения,причем через злектрооптический модулятор проходит один из разделенных световых лучей.

2. Фазометр-частотомер по п. 1, отличающийся тем,что, с целью расширения динамического диапазона и точности измерения разности фаз, между линзой и многоэлементным фотоприемником введен гребенчатый пространственный фильтр, расположенный в фокальной плоскости линзы.

1334093

Составитель В.Шубин

Техред И.Попович Корректор Л.Пилипенко

Редактор А.Огар

Заказ 3959/43 Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие„ r. Ужгород, ул. Проектная, 4