Акустооптический анализатор спектра

 

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<SB POS="POST">см</SB> =F<SB POS="POST">ср.1</SB>F<SB POS="POST">2</SB>λ/V, где F<SB POS="POST">ср.1</SB> -средняя частота спектре ЛЧМ-генератора 19

F<SB POS="POST">2</SB> -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<SB POS="POST">ср.2</SB>λF<SB POS="POST">2</SB>/VF<SB POS="POST">1</SB>(N-1), где F<SB POS="POST">ср.2</SB> - средняя частота в спектре ЛЧМ-генератора 20

F<SB POS="POST">1</SB>- 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<SB POS="POST">см</SB>=αF<SB POS="POST">1</SB>. АОМ 10,12 наклонены к задней фокальной плоскости линзы 9 в противоположные стороны на угол θ= αF<SB POS="POST">1</SB>/2 F<SB POS="POST">2</SB>. ПП 11,13 расположены на противоположных гранях звукопроводов. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

ÄÄSUÄÄ 1499262 (511 4 С 01 R 23/17

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

0 10

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4389104/24-21 (22) 26.01,88 (46) 07.08.89. Бюл. Р 29 (7l) Ленинградский электротехнический институт им.В.И. Ульянова (Ленина) (72) А.И. Елисеев и С. В. Грачев (53) 621. 317. 757 (088, 8) (56) Родес У.Т. Акустооптическая обработка сигналов. ТИИЭР, 1981, У l, с. 89.

Авторское свидетельство СССР

9 1129545, кл. G 01 R 23/16, 1984. (54) АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР

СПЕКТРА (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для использования в спектральном анализе. Бель изобретения — повышение частотного разрешения. Акустооптический анализатор спектра со держит последовательно расположенные, оптически связанные источник 1 коге2 рентного света, коллиматор 2, цилиндрическую линзу 4, акустооптические модуляторы (A011) 5,7 с пьезо-, преобразователями (ПП), соответственно 6,8, расположенными на противоположных гранях звукопроводов, сферическую линзу 9, в задней фокальной плоскости которой расположены АОИ

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-ге" нератор 20 и синхронизатор 21. АОУ.

10,12 повернуты на 90 вокруг оптической оси относительно АОИ 5,7 и смещены вдоль оси, перпендикулярной плоскости ПП 6,8, в противоположные от оптической оси стороны на расстояние Уся = ср F<$/, где асср(- сред— няя частота в спектре ЛЧМ-генератора 19; Fg — *окусное расстояние линзы 9; Я вЂ” длина волны света; V — ско3 1499262 рость звуковых волн в материале АОМ.

Бель изобретения достигается введением в анализатор треугольной призмы 3 между коллиматором 2 и линзой

4 с углом между основанием и боковыми гранями о(= Х lFq/VF<(n 1), где f ip g- средняя частота в спектре

JI&f-генератора 20; F< — фокусное расстояние линзы 4; и — показатель 10 преломления материала призмы 3, причем основание призмы перпендикулярно оптической оси, а ребра параллельны АОМ, диафрагмы 15 в задней фокальной плоскости линзы 14 с прямоуголь- 15 ным отверстием, центр которого рас-! положен на оптической оси, а края параллельны AOY 5 и 10, и цилиндрической линзы 16 между диафрагмой 15 и фотоприемником 17, а также амплитудного модулятора 18, AOY. 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 расстоянии Хсм = МГ<.

АОМ 10,12 наклонены к задней фокальной плоскости линзы 9 в противоположные стороны на угол 6 = g F< /2F .

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 — повышение частотного разрешения анализатора спектра.

На чертеже представлена структур- 30 но-функциональная схема устройства.

Акустооптический 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- 40 ческий модулятор .(АОМ) 5 с пьезопреобразователем (ПП) 6 и второй AOY 7, ПП 8 которого расположен на противоположной грани звукопровода по отношению к ПП 6. Далее расположена пер- 45 вая сферическая линза 9, в задней фокальной плоскости которой расположены третий АОМ 10 с ПП 11 и четвертый АОМ 12 с ПП 13, который расположен на противоположной гранй звуко0 провода по отношению к ПП ll. AOY. 10 и АОМ 12 повернуты на 90 вокруг оптической оси относительно AOY 5 и

АОМ 7. Далее расположены вторая сферическая линза 14, диафрагма 15 и в: 55 ее задней фокальной плоскости, вторая цилиндрическая линза 16 и двумерный фотоприемник 17, выход которого является выходоч устройства. Кроме того,.анализатор спектра содержит амплитудный модулятор 18, первый вход которого является входом устрой ства, а выход соединен с ПП 6, первый генератор линейно-частотномодули",. рованного (ЛЧМ) сигнала 19, выход которого соединен с вторым входом модулятора 18 и с ПП 8, второй генератор, ЛЧМ сигнала 20, выход которого соеди нен с ПП 11 и 13, а также синхронизатор 21, выход которого соединен с управляющими входами генераторов 19 и 20 и фотоприемника 17, а вход с первым входом модулятора 18. Угол между основанием .и боковыми гранями призмы 3 где f pq — средняя частота в спектре

JPIM-генератора 20;

F — фокусное расстояние линзы 4;

Р— фокусное расстояние линзы 9;

v — скорость распространения акустических волн в материале АОМ;

n — показатель преломления материала призмы 3;

3 — длина волны света.

АОМ 5 и АОМ 7 смещены вдоль оси, перпендикулярной плоскости ПП ll u

ПП 13, в противоположные от оптической оси стороны на расстояниях Х „-"

= dF которое определяется положением сфокусированных наклонных пучков света после призмы 3. АОМ 10 и

45

55 задержка во второй паре AOM, М5 149

12 наклонены к задней фокальной плоскости линзы 9 под углом & =о F,/2Fg в противоположные стороны и смещены вдоль оси, перпендикулярной плоскости ПП 6 и ПП 8, в противоположные от оптической оси стороны на расстоя ние .Y g = f gp< Fy jl/v, где fpg — средняя частота в спектре ЛЧМ-генератора

19, которое определяется положением

+1-х. световых дифракционных порядков после AON. 5 и АОМ 7. Диафрагма

15 имеет прямоугольное отверстие, центр которого расположен на опти" ческой оси, а края. отверстия параллельны AOM 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-сигнал со скоростью изменения частоты ,g = gf/Т, где Qf - полоса анализа;

Т вЂ” время анализа, и длительность

Т, который поступает с выхода генератора 19 на второй вход амплитудного модулятора 18 и на ПП 8. Генератор 20 формирует периодической JI сигнал со скоростью изменения частоты <, где Т вЂ” период ЛЧМ сигнала, который поступает на ПЕ 11 и 13, а фотоприемник 17 производит накопление заряда. Анализируемый сигнал П(с) поступает на первый вход амплитудного модулятора 18. С выхода модулятора 18 ЛЧИ-сигнал от генератора 19, промодулированный по амплитуде анализируемым сигналом П(t) поступает на ПП 6. ПП 6,8,11.,13 преобразуют поступающие на них электрические сигналы в акустические волны соответственно в АОИ 5,7,10,12. 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 диЬ".. рагирует на акустических волнах в

АОМ 5 и 7. Линза 9 осуществляет прост. .ранственное преобразование Фурье над световым распределением в выходной плоскости AOM 5 и 7 и фокусирует световые пучки +1-х дифракционных порядков после AOM 5 на апертуре

AOM 10 и после AOM 7 на апертуре

АОМ 12. Затем свет дифрагирует на

9262 6 акустических волнах в AOM 10 и AOM 12.

Наличие двух наклонных пучков света после призмы 3 обеспечивает коллинеарность распространения +l-х дифракционных порядков в плоскости, проходящей по координате v и таким образом устраняет пространственную несущую по координате х в световом распределении на плоскости фотоприемника. Линза 14 осуществляет преобразование Фурье над световым распределением в выходной плоскости AOY 10 и

12. Фокальная диафрагма 15 пропускает световые пучки +1-х дифракционных порядков после AOM 10 и 12, которые в результате действия призмы

5 распространяются параллельно оптической оси устройства. Линза 16 восстанавливает в плоскости фотоприемника 17 выходные плоскости AOM 5,7,10, 12. Фотоприемник 17 осуществляет накопление - заряда пропорционально интенсивности падающего на него светового поля. В результате накопления на фотоприемнике 17 образуется двумерное распределение заряда, имеющее форму растра, строки в котором ориентированы вдоль оси Y Анализ работы устройства показывает, что структура распределения заряда представляет собой пространственную не.— сущую по оси У, промодулированную по амплитуде амплитудным спектром, а по фазе — фазовым спектром анализируемого сигнала u(t). В результате считывания распределение заряда преобразуется в электрический сигнал на выходе фотоприемника 17.

Разрешение по частоте в анализаторе спектра АГ = 1/Т,, где T — время анализа. Время анализа ограничено временем накопления заряда на фотоприемнике, Для фотоприемников без охлаждения время накопления заряда достигает 100 мс. Следовательно, разрешение по частоте в анализаторе достигает 10 Гц. Разрешение по частоте в известном устройстве, в котором плоскость регистрации спектра совпада. ет с плоскостью, являющейся плос-. костью спектров для второй пары АОМ, ЬР 1/ТзМ, где Тэ — максимальная число элементов разрешения по частоте в строке анализатора спектра. Максимальная задержка в АОМ Т -Ь/v, где L — длина звукопровода, ограйи1499262 чена конструкцией AOY и может достигать 50 мкс.

При считывании распределения заряда с фотоприемника необходимо воспроизвести пространственную несущую, поэтому на каждый период пространственной .несущей должно приходиться нЕ менее четырех фоточувствительных элементов фотоприемника. На каждый эле- 1р 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- 15 топриемника. Максимальное число элементов фотоприемника в строке равно

512, а значит максимальное число элементов разрешения в строке анализатора спектра Y = 64. Следовательно, 2р в известном устройстве максимальное разрешение по частоте йР = 312 Гц.

Таким образом частотное разрешение в предлагаемом акустооптическом анализаторе спектра более чем в 30 раз пре-25 вьппает разрешение по частоте в известном устройстве.

Фо р мул а и з о б р ет ения

Акустооптический анализатор спекФра, содержащий последовательно распо- ... ложенные, оптически. связ анные источник когерентного света, коллиматор, первую цилиндрическую линзу, первый 35 и второй акустооптические модуляторы, пьеэоире образ оват ели. которых расположены на противоположных гранях эвукопроводов, первую сферическую линзу, а задней фокальной плоскости которой 4р расположены третий и четвертый акустические модуляторы, вторую сферическую линзу, двумерный фотоприемник, выход которого соединен с выходом анализатора спектра, а также первый генератор 45 сигнала с линейной частотной. модуляцией, выход которого соединен с пьезопреобраэователем второго акустооптического модулятора, второй генератор с линейной частотной модуляцией сигнала, выход которого соединен с пьезопреобразователем третьего акустооптического модулятора, и синхронизатор, первый выход которого соединен с управляющими входами первого и второго генераторов с линейной частотой модуляции сигнала, второй выход соединен с управляющим входом фотоприемника, причем третий и четвертый акустооптические модуляторы повернуты на 90 вокруг оптической оси относительно первого и второго акустооптических модуляторов и смещеа ны вдоль оси, перпендикулярной плоскости пьезопреобразователей первого и второго акустооптических модуляторов, в противоположные от оптической оси стороны на расстояние Y g

fop). РД где f p - средняя часточ та в спектре (линейно-частотно-модулированного) сигнала первого генератора; Р— фокусное расстояние первой сферической линзы; я — длина волны света; v — скорость распространения акустических волн в акустооптических модуляторах, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения частотного разрешения, в анализатор введены треугольная призма, расположенная между койлиматором и первой цилиндрической линзой, с углом между основанием и боковыми грай ср а «3 F <» нями е(= -- — — — —, где f ðä- средvF< (n-1)

Г» няя частота в спектре линейно-частотно-модулированного сигнала второго генератора; F< — фокусное расстояние первой цилиндрической линзы; и — 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 акустооптическим 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 выхбдом первого генератора ЛЧМ-сигнала, а выход — с пьезопреобраэователем 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 модуля10

1499262

Составитель И. Коновалов

Редактор С. Патрушева Техред А.Крввчук Корректор И. Муска

Заказ 4686/43 Тираж 713 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101

9 торов, в противоположные от оптической оси стороны на расстояние Х

e(F, третий и четвертый акустооптнческие модуляторы наклонены к задней фокапьной плоскости первой cheрической линзы в противоположные

dF стороны на угол Q = —, льезопреобра2Fy эователи третьего и четвертого акусто" оптических модуляторов расположены на противоположных гранях эвукопроводов, а пьезопреобраэователь четвертого акустооптического модулятора соединен с выходом второго генератора ли" нейно-частотно-модулированного сигнала.