Акустооптический фазометр-частотомер

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

И=СПжЛИН

as>SU an 1 5 (51)5 G 01 R 25/00!

1 ССУД АРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕ П=НИЯМ И ОТКРЫТИЯМ !!1РИ ГННТ ССа (2 1) 4441 858/24-21 (22) 15.06.88 (46) 07.08.90, Бюл, У 29 (72) С,Л.Афонин, А.A.Головков, С,В.Кузнецов, A,П,Осипов и Л.Н.Швецов (53) 62!.317 (088.8) (!56) Авторское свидетельство СССР

Ф 12?0716, кл. G 01 R 23/17, 1986, Авторское свидетельство СССР

И - 1334093, кл, G 01 R 25/00, 1987, (54) АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ФАЗОМЕТР-ЧАСTDTONEP (7) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения фазы и частрты радиосигналов. Цель изобретения — повышение точности измерений, У тройство содержит последовательнооптически соединенные лазер I,блок 2 дфления луча на два, электрооптичес— ко модулятор 3 с подключенным к нему генер атор ом 4 управляюще го напряелой f жения, двухканальную аку Tèческую ячейку 5. пьезопреобраэс. атал; 6 и 7 которой подключе|п.. к в о,-,,а;..:с гройства, линзу 8, гребенчатый пространственный фильтр 9, фотоприемнпк JO,содержащий метр ицу 11 Лотодиодсв, сумматор 15 и автоматический перек:псчатель .16, с подключенным к нему Лазометром IS. Цель изобретения достигается введением второго электроопти" ческого модулятора 9, подключенного к генератору 4 через фазоврашатель

20, включением между фотоприемником

10 и фазометром 18 полосового Лильт— ра 17, а в фо опрпемнпке 10 между матрицей 11 фотодиодав и сумматором

15 вычитающих элементов 14, входы которых соединены с соеднHE".1øûìï по парно фотодиодами матрнпы 11, При этом пространственный гребенчатый фильтр 9 выполнен с шагом, равным половине периода интерференционной картины. 2 ил.

1583866

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения фазы и частоты радиосигналов в ВЧ- и СВЧдиапазонах, 5

Цель изобретения — повышение точности измерений, На фиг.1 приведена схема акустооптического фазометра-частотомера; на 1О фиг.2 - график распределения интенсивности света интерференционной картины (a) и расположение относительно него пространственных гребенчатых фильтров в известием (б) и 15 предлагаемом (в) фазометрах-частотомерах.

Акустооптический фазометр-частотомер состоит иэ последовательно оптически соединенных-лазера 1, блока 2 20 деления луча лазера на два, первого электрооптического модулятора З,раслоложенного на пути прохождения одного из раздельных световых лучей, а подключенным к нему гармоническим 25 генератором 4 управляющего напряжения, двухканальную акустооптическую ячейку 5 с пьезопреобразователями

6 и 7, подключенными к входам устройства, линзу 8, гребенчатый простран 30 ственный фильтр 9, расположенный в фокальной плоскости линзы 8, фотоприемник 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, 10 выход которого является выходом AQToприемника 10, соединен с полосовым фильтром 17, подключенным к фазометру 18. Второй электрический модулятор 19 расположен на пути прохожде" ния второго иэ раздельных световых лучей между блоком 2 деления луча лазера на два и двухканальной акустооптической ячейкой 5 и подключен через фазовращатель 20 на ((/2 к гене- 50 ратору 4 управляющего напряжения.

Акустооптический фазометр-частотомер работает следующим образом.

Луч лазера поступает на блок 2 деления светового луча на два, В каждый из раздельных световых лучей помещается IIQ 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 Т(/2.

Таким образом, световые лучи на выходах электрооптических модуляторов

3 и 19 модулируются по фазе синусоидальными сигналами, сдвинутыми по фазе на 1(/2. Фаза оптической несущей на выходе ЭОМ 3 и 19 изменяется в соответствии с приложенным напряжением от управляющего генератора 4 по закону

/( а»

К cosgt1

Т 1, . Е 1 гп — r.ï — - U sinQ t =

= К згпЩ, ( где Л длина волны излучения лазера; электрооптическая постоянная; показатель преломления для необыкновенного луча; длина кристалла ЭОМ вдо3гь распространения светового. луча; толщина кристалла; амплитуда прикладываемого синусоидального напряжения; частота управляемого напряжения; коэффициент пропорциональности. и

При подаче на входы акустооптичес- . кой ячейки 5 исследуемого и опорного радиосигналов в ней с помощью пьеэопреобразователей 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 фотопри" емник 10, Недифрагировавшие в двухканальной и акустооптической ячейке 5 пер5 1583866 вый и второй световые лучи в плоскости линзы описываются соотношениями разонателей pact стояния между ними, пространствен5 ной частоты интерференционной картины и фокальной плоскости линзы 8; (Alps — кругоная частота света;

Мс — частота сигнала, подаваемого на пьезопреобразователи

6и7; с — сдвиг фаз между сигналами на пьеэопреобразователях

15 би7, 1f í = Ig sin(Cuс, t + К, sin йt);Ô

12н I„sin (v t + К сон Я t) у а дифрагировавшие снетовые лучи— соотношениями

i29 = I sin(Cu t + всt + К singt); с8

ig9 = I9 s. n(ä + ос t + qс +

+ К совЯ t) н " 9

Интенсивность интерференционной картины в плоскости гребенчатого

2О фильтра 9 и фотоприемника 10 от недифрагированших в двухканальнгй акустооптической ячейке 5 перного и второго световых лучей описывается выра, жением гд.е интенсивности недифрагировавших и дифрагировавших световых лучей,зависящие от I (амплитуда интенсивности света), размерон пьезопреоб25 к=а

Кй

+ sinpd „ Iq (— ) + 2Хн sin pJ"о, т

cos ((2К +. 1) (gt — — — )) +

КЕ2 (! д (-- — -) cos j 2K(gt — — — )g к

Соответственно интенсивность интерференционной картины от диАрагировавших в двухканальной акустооптической ячейке 5 светоных лучей описывается соотношением

i = 2I cos p d .Е (1) (- — — )cos ((2К+1) (gt — — — + - -)1 +

К Г2 !!

2 4 2

Кй .. К/2 ñ

+ I sinpcP J (- — — ) + 2I sin pd . (-----)cos(2K(Qt — — — + ----Д

9 3 2 9 Р) 2к 2 4 2 где 8„и У9 - разность хода первого второго дифрагиронанших световых и второго недиАрагиро- лучей вдоль вертикальной оси, а новавших и диАрагировав- мер ряда фотоэлементов матрицы 11 Аоших световых лучей от 5 тодиодон, на котором появляется фодвухканальной акусто- .,тоэлектрический сигнал, соответствует оптической ячейки 5 значению частоты принятого сигнала, до фокальной плоскости Фазовый сдвиг между сигналами, линзы 8, в которой pac- подаваемыми на пьезопреобраэонатели положены гребенчатый. 50 6 и 7, определяется как разность Ааз пространственный фильтр между сигналом биений от недифраги9 и фотоприемник 10; рованших световых лучей (опорный кар — несущественный здесь нал) и сигналом биений от дифрагирокоэффициент; вавших световых лучей, Ааза которого

Ji — функции Бесселя перво- 55 зависит от разности фаз входного ðàro рода i-порядка. дно си гн an a.

Изменение частоты принимаемых ра- Как видно из выражения для i u н ,диосигналон приводит к смещению интер- i, сигналы биений диАрагиронанших, ференпи - ой картины от первого и и недифрагированших световых лучей.1583866 содержат гармоники частоть Д ген:-ратора А управляющего сигнала, причем биения дифрагировавших сигналов сдви" нуты по фазе на величину разности

5 фаз сигналов g, поступающих на пьезопр еобр аз ователи 6 и 7. Подбором глубины модуляции фазы в модулятоК 1 2 рах 3 и 19, т.е. величины --" —, до"

1О биваются максимальной амплитуды одной из гармоник биений, например nep" вой. При этом по свойствам функции

Бесселя остальные будут незначительНЫМИ. f5

Полосовой фильтр 17 выделяет,например, первые гармоники этих сигналов и с его выхода они поступают на вход фазометра 18. Измерение разности фаз в фазометре 18 осуществля- 2О ется методом преобразования разности фаз в фазометре во временной интер. вал с последующим его измерением, что на частоте управляющего генератора ч может быть выполнено достаточ- >5 но точно.

Точность измерения определяется интенсивностью интерференционной кар-" тины. Выходной сигнал каждого фотодиода матрицы 11 фотодиодов пропор- 3Q ционален интенсивности интерференционной картины, Численные оценки показывают, что при выполнении гребенчатого пространственного фильтра 9 с шагом„ 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- 40 нию с известным фазометром-частотоме" ром, в котором пространственный фильтр выполнен с периодом интерфе- ренционной картины (фиг,2б), Введение в схему фазометра-часто- 45 томера второго электрооптического модулятора 19, подключенного через фазовращатель 20 на Г/2 к генератору .w÷ управляющего сигнала, дает возможность использовать в качестве генератора 4 управляющего,сигнала генератор гармонического напряжения, что позволяет повысить по сравнению с известным точность измерения раз" ности фаз сигналов gc, поданных на пьеэопреобразователи 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 реализащ я самого генератора управляющего сигнала с частотой Я, 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 сравнении 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 пипообразного напряжения заменен на генератор синусоидально"

ro 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, электрооптический модулятор, расположенный на пути прохождения одного из разделенных световых лучей, с подключенным к нему генератором управляющего напряжения, двухканальную акустооптическую ячейку, пьезопреобразователи каналов которой подключены †. 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 автомати" ческий переключатель, и фазометр, о т л и ч а ю,шийся тем,что, с целью повышения точности измерений, введен второй электрооптичес1583866

Составитель И.Коновалов

Техред Л.Сердюкова

Редактор А. Козориз

Корректор С. Черни

Заказ 2252

Тираж 553

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина, 101 кий модулятор, расположенный на пути прохождения второго из разделен" ных световых лучей между блоком деления луча лазера на два и двухканальной акустооптической ячейкой, с подключенным к нему генератором управляющего напряжения через фазовращатель на II/2, генератор управляющего напряжения выполнен в виде генератора синусоидального напряжения, гребенчатый пространственный 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, 10 расположенных в одном горизонталь" ном ряду, попарно подключены к входам вычитающих элементов.