Оптический спектроанализатор

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)S

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21)4626256/21 (22) 26.12.88 (46) 23.02.91. Бюл. ЬЬ 7 (71) Ленинградский электротехнический институт связи им. проф. М.А.Бонч-Бруевича . (72) А.С.Блок, А.Ф.Бухенский, А.П.Лонский, С.В.Морозов и В.И.Яковлев (53) 621.317.757(088.8) (56) Т.R. Bader Applied OPtics, 1979, ч, 18, И. 10, р. 1668-1672.

Авторское свидетельство СССР

ЬВ 1129545, кл. G 01 R 23/16, 1984. (54) ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР (57) Изобретение касается оптической обработки информации и предназначено для

„„ЯЦ„„1629872 А1 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.

1629872

55

Изобретение относится к оптической обработке информации и предназначено для использования в спектральном анализе сигналов в реальном масштабе времени.

Целью изобретения является повышение точности анализа, уменьшение требуемой мощности оптического излучения и потребляемой энергии, На чертеже приведена функциональная схема оптического спектроанализатора, Спектроанализатор содержит генератор 1 гармонического сигнала, первый 2 и второй 3 балансные модуляторы, первый 4 и второй 5 генераторы отсчетов, линию 6 задержки, сумматор 7, источник 8 когерентного света, коллиматор 9, 10, превую цилиндрическую линзу 11, первый акустооптический модулятор 12, первую сферическую линзу 13, вторую цилиндрическую линзу 14, оптический клин 15, второй акустооптический модулятор 16, вторую сферическую линзу 17, фотоприемник 18 и блок 19 управления, Генератор 1 гармонического сигнала связан с вторым входом балансного модулятора 2 и через линию 6 задержки с вторым входом балансного модулятора 3, Первые входы балансных модуляторов 2 и 3 связаны с выходами первого 4 и второго 5 генераторов отсчетов соответственно. Входы сумматора 7 связаны с выходами балансных модуляторов 2 и 3, а его выход связан с электрическим входом первого акустооптического модулятора 12. Источник 8 когерентного света, коллиматор 9, 10, первая цилиндрическая линза 11, первый акустооптический модулятор 12, первая сферическая линза 13, вторая цилиндрическая линза 14,.оптический клин 15, второй акустооптический модулятор 16, вторая сферическая линза 17 и фотоприемник 18 связаны оптически. При этом вторая цилиндрическая линза 14 и оптический клин 15 расположены непосредственно друг за другом в задней фокальной плоскости первой сферической линзы 13, а их положение относительно оптической оси определяется положением первого дифракционного порядка первого акустооптического модулятора 12, т.е. расстояние от оптической оси до центров второй цилиндрической линзы 14 и оптического клина 15 удовлетворяет соотношению

1ср F1

2ч где fop — средняя частота полосы анализа

4 + fn (ср -, тв и fH — верхняя и нижняя

2 ., частоты спектра анализируемого сигнала соответственно);

F> — фокусное расстояние первой сферической линзы;

А — длина волны света; ч — скорость распространения акустических волн.

В этой же плоскости, но на оптической оси расположен второй акустооптический модулятор 16, электрический вход которого является входом спектроанализатора. Выходом последнего является электрический выход фотоприемника 18. Первый выход блока 19 управления связан с входами управления генераторов 4 и 5 отсчетов, второй выход — с входом запуска источника 8 когерентного света, а его вход — с выходом синхроимпульсов фотоприемника 18.

Спектроанализатор работает следующим образом.

Генераторы 4 и 5 отсчетов генерируют последовательности дискретных сигналов соответственно

2л ,! С0$ knf (с — k ЛТ вЂ” n Тд); к=on=o

g Sln knf (t — k ЛТ вЂ” л Тд);

2л

k=On — — О где N — число дискретных отсчетов анализируемого сигнала; п —.номер дискретного отсчета анализируемого сигнала;

К- число дискретных отсчетов базисных функций; к — номер дискретного отсчета базисных функций;

Л Т вЂ” период дискретизации базисных функций;

Тд — период дискретизации анализируе1 мого сигнала (Тд а—

2- fâ

f(t) — форма функции, амплитуда которой пропорциональна дискретным отсчетамбазисных функций (f(t) — это импульс длительТв ностью тн —, где Т, — апертурное время

К акустооптического модулятора).

Эти последовательности импульсов с

2л 2 7г амплитудами Cos kn u Sin kn поступают от генераторов 4 и 5 отсчетов на первые входы балансных модуляторов 2 и 3 соответственно. На второй вход балансного модулятора 2 от генератора 1 гармонического сигнала подается колебание Сов вср (t—

-n Тд), Таким образом, на выходе балансноо модулятора 2 формируется сигнал

1629872

Cos knf (t — k ЛТ—

2л

n=Ok=O п Тд) соз c0cp (t и Тд) .

На второй вход балансного модулятора 3 сигнал от генератора 1 гармонического сигнала подается через линию 6 задержки, л обеспечивающую сдвиг фазы на —, что при2 водит к появлению на входе балансного модулятора 3 высокочастотного колебания

Sin вср (t — п Тд). При этом на выходе балансного модулятора 3 формируется сигнал

ln knf (t — k AÒ—

2л л=Ok=O и Тд) sin жср (t и Тд) .

С выходов балансных модуляторов 2 и 3 соответствующие сигналы подаются на входы сумматора 7. Сигнал на выходе сумматора 7 может быть записан следующим образом:

2л (Соз kn Cos жср (t n Тд) +

n =Ok =0

2л 2_#_

+$!и kn kn . Sing,p(t и Тд)) Х

xf(t khT — пТ )= g S

n=0k=O — n T„)+ kn) f (t — МАТ- Тд).

На выходе сумматора 7 сигнал представляет собой набор коротких (tn 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 вательность световых импульсов,), д (t—

n=0 — Та- п Тд). В акустооптическом модуляторе

12 осуществляется модуляция этих импульсов сигналом, поступающим с выхода сум1Ф(х) к

Ео„n (X, у, t) = e, f (t +

k=O т., ДТ

JOIcp(! — пТд + У вЂ” + — kn + — ) Та 2Л Л

v 2 N2

30 — и Тд) е р — размер апертуры акустооптического

35 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

40 быть таким, чтобы обеспечить в плоскости регистрации размер опорного пучка вдоль

АЕ2 ЛfA

ОС И Х НЕ МЕНЬШЕ, ЧЕМ Л Х вЂ”, ГДЕ F2—

v фокусное расстояние второй сферической

45 линзы 17. Такой размер опорного пучка достигается, еслифокусное расстояние второй цилиндрической линзы 14 удовлетворяет соотношению Рц — —, а угол при вершиу р 7д

50 не оптического клина 15 составляет

Sin - f, А а =агс пс

Немодулированный световой пучок, соответствующий нулевому порядку дифракции от первого акустооптического модулятора 12, поступает через первую сфематора 7. Световой поток, соответствующий первому порядку дифракции, проходит через первую сферическую линзу 13, вторую цилиндрическую линзу 14, оптический клин

5 15, вторую сферическую линзу 17 и попадает на светочувствительную поверхность фотоприемника 18, создавая опорный пучок.

Пусть на электрический вход первого акустооптического модулятора 12 подается

10 и-й сигнал из последовательности сигналов, формируемых на выходе сумматора 7. Этот сигнал имеет вид

К

Un= f(t nТд- ЛТ)х

15 =о

x Sin (oIcp(t и Тд)+ kn).

2л

Тогда при освещении апертуры акустического модулятора 12 и-м световым импульсом от источника 8 когерентного света в плоскости фотоприемника 18 создается световое поле, которое с точностью до несущественных постоянных множителей может быть записано следующим образом:

1629872 рическую линзу 13.на оптический вход второго акустооптическаго модулятора 16. На его электрический вход подается анализируемый сигнал U(t). Пусть Ll(t) представляет собой гармонический сигнал U(t) = 5

UcCos (мс t+ pc) Uc вс, pc — амплитуда, частота и фаза). Тогда в плоскости регистрации х, у появляется световое поле в виде линии, параллельной аси у и удаленной от !2)с 10 нее на расстояние хс = . Зто световое ч поле с точностью до несущественных множителей можно записать следующим образам:

Ec(x,óä) = U

l (в. (г- —, ) +(ff

)k5 I A — Ьс—

Фотоприемник 18, в качестве которого используется матрица приборов с зарядовой связью (ПЗС), регистрирует результат интерференции опорного и сигнального световых распределений. Интенсивность света, регистрируемого фотоприемником, lï(x,y,f) = 1E„„(x,y,f) + E,(õ,y f))

= l EoI-In(X,УД) l +.l Eс(Х,УД) l +

+ 2Re (E,(х,уд) Е,„* (x,уд) ), где Еоп — величина, комплексносопряженная Ео)1, Заряд ПЗС Q(x,у) определяется интегрированием по времени интенсивности света на ега светочувствительной паверхно- 35 сти. Заряд, накопленный по прошествии всех N+1 световых импульсов, определяется следующим образам:

0 (x,)-(Е)-1) т. If (— + — -kykT) I

a=о к

+ U,x (N - 1) g Sin cx — (ге Г " ) +

+2LXSinc — (гес "), f x !2 к=о +"

v 1 - 2z

Sin Е (Гдс Tn — -х,- k) х Сое yn), — — Чг-ех), у

° p

2л N, где Sk = (гес Тд — — k ) —, N 2

Ч = -Ф (Х) + (CUc — Оср) — + фс — — . г ((2 2

Составляющие заряда Q(x,у), 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,у) видно, что максимальный заряд формируется в ячейках

fcl F2

ПЗС, имеющих координаты х = ч у = k ЬТ ч —, При этом вдольасиучастот2 ный отклик может находиться в одной из К частотных полос, шириной ЛТч каждая, Отклик спектроанализатара формируется в к-й частотной полосе, если частота входного

К 1 сигнала fc = — +1 —, где — любое целое

N T„ число, Например, в полосе, соответствующей к = О, формируется максимум для сигна-! лов с частотами fc = —, в полосе, Т ! 1 соответствующей к = 1. fc = — +, а в

Т„ИТ ! К

К-й полосе fc = — + . В то же время

Т„!! Т вдоль оси х частотный отклик формируется

fcyl, F2 в точке х =

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, чта повышает точность анализа, Кроме того, предлагаемый спектроанализатар содержит на два акустооптических модулятора меньше, чем известное устройства, 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

1629872 фокальной пЛоскости первой сферической линзы, электрический вход которого соединен с входом спектроанализатора, вторую сферическую линзу и фотоприемник, электрический выход которого соединен с выхо- 5 дом спектроанализатора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности анализа, уменьшения требуемой мощности оптического излучения и потребляемой энергии, в него введены генератор гармони- 10 ческого сигнала, два балансных модулятора, два генератора отсчетов, линия задержки, сумматор, блок управления, причем выход первого генератора отсчетов соединен с первым входом первого 15 балансного модулятора, выход второго генератора отсчетов соединен с первым входом второго балансного модулятора, второй вход первого балансного модулятора соеди. нен с выходом генератора гармоничесКого 20 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 25 первому и второму входам сумматоров, выход которого подключен к электрическому входу первого акустооптического модулятора, первый выход блока управления соединен с входами управления генераторов 30 отсчетов, второй выход блока управления соединен с входом запуска источника когерентного света, а вход блока управления — с выходом синхроимпульсов фотоприемника, 35 а также вторая цилиндрическая линза и оптический клин, расположенные непосредственноо 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

Гу Р Я

2ч где fop — средняя частота полосы анализа;

Р1 — фокусное расстояние первой сферической линзы;

А — длина волны света; ч — скорость распространения акустических волн в акустооптическом материале, (фокусное расстояние Ец второй цилиндрической линзы выбрано из соотношения чР

XAf где fa — полоса анализа;

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

Яп), А а = arcsin где п — коэффициент преломления материала, из которого выполнен оптический клин, Составитель И.Коновалов

Техред M. Ìîðãåíòàë Корректор М.Шароши

Редактор И,Шмакова

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

Заказ 437 Тираж 421 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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