Акустооптический приемник-частотомер

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокочастотного измерителя параметров радиосигналов. Технический результат: повышение разрешающей способности по частоте, сущность изобретения заключается в том, что в акустооптическом частотомере, содержащем последовательно расположенные по свету лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, первую интегрирующую линзу с фокусным расстоянием F₂, линейку фотодиодов с периодом их расположения р и длиной каждого фотодиода l дополнительно между коллиматором и акустооптическим дефлектором включены узел формирования лазерного излучения с прямоугольным распределением интенсивности протяженности d и вторая интегрирующая линза с фокусным расстоянием F₁, которая размещена на расстоянии F₁ как от устройства формирования лазерного излучения, так и от акустооптического дефлектора, причем геометрические параметры приемника - частотомера F₁, F₂, d, l и р взаимосвязаны соотношением 4 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя параметров радиосигналов, работающего в автоматическом режиме.

Известен акустооптический (АО) анализатор спектра с пространственным интегрированием (опубл. в кн.: Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени / О.Б. Гусев, С.В. Кулаков, Б.П. Разживин, Д.В. Тигин: Под ред. Кулакова С. В. - М.: Радио и связь,1989, с.48), в состав которого входят последовательно включенные по свету лазер, конденсор и коллиматор, образующие оптический каскад перехода от лазерного пучка к плоской световой волне заданной апертуры, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, Фурье-линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкая разрешающая способность устройства по частоте при приеме (измерении) несущих частот двух или более одновременно поступающих на его вход радиосигналов. Кроме того, разрешающая способность по частоте данного устройства изменяется в динамическом диапазоне уровней входных радиосигналов.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются последовательно включенные по свету лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, Фурье-линза, осуществляющая Фурье- преобразование светового сигнала, находящегося в плоскости дефлектора, и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.

Известен также акустооптический частотомер, работающий в автоматическом режиме (опубл. в статье Роздобудько В.В. "Акустооптический СВЧ частотомер на основе аномальной дифракции в LiNbO₃."/ Радиоэлектроника, 1992, N 9, с. 75), предназначенный для работы в широком диапазоне рабочих частот. Частотомер содержит последовательно включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, регистрирующее устройство, реализованное в виде линейки фотодиодов, выходы которых через набор видеоусилителей и пороговых устройств нагружены на шифратор, осуществляющий преобразование позиционного кода, несущего информацию о координате центра дифрагированного пятна света, в код частоты.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является низкая разрешающая способность устройства по частоте при приеме нескольких одновременно поступающих на вход частотомера радиосигналов. В данном устройстве разрешающая способность по частоте уменьшается с возрастанием уровня входных радиосигналов.

Признаками, общими с заявленным изобретением, являются последовательно включенные по свету лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, интегрирующая линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников, в качестве которого в аналоге используется линейка фотодиодов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: акустооптический частотомер (а.с. СССР N 1265636, МКИ 4 G 01 R 23/16. Акустооптический частотомер. Вернигоров Н.С., Задорин А. С. , Шарангович С.Н., опубл. 23 октября 1986 г., БИ N 39, с.162). Устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, линзу и позиционно-чувствительный приемник, причем между коллиматором и дефлектором на половине световой апертуры расположено устройство сдвига частоты излучения лазера, а к выходам позиционно-чувствительного фотоприемника подключены фазометры, первые входы которых нагружены на соответствующие выходы фотоприемников, а вторые входы подключены к фотоприемнику, расположенному на оптической оси частотомера.

Признаками прототипа, общими с заявляемым техническим решением, являются последовательно включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, линза, интегрирующая линза, выполняющая роль линзы в прототипе и линейка фотодиодов, выполняющая функции регистрирующего устройства, в качестве которого в прототипе используется позиционно-чувствительный фотоприемник.

Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является зависимость его разрешающей способности по частоте от уровней входных радиосигналов. Разрешающая способность вышеописанных аналогов и прототипа при их работе в автоматическом режиме, когда информация о координатах дифрагированных пятен света считывается не оператором, а обрабатывается соответствующим вычислительным устройством, определяется формой распределения интенсивности дифрагированного пятна света в плоскости регистрирующего устройства - линейки фотодиодов и используемым алгоритмом регистрации упомянутого распределения интенсивности.

Поясним данный недостаток устройства-прототипа, для чего рассмотрим распределение интенсивностей в дифрагированном пятне света в плоскости фотоприемника в случае наличия на входе частотомера двух близких по частоте и уровню радиосигналов (см. фиг. 1). В предположении, что в качестве лазерного источника в приемнике-частотомере используется одномодовый лазер с гауссовским распределением интенсивности по апертуре дефлектора - Д, распределение интенсивности в выходной плоскости фотоприемника также будет гауссовским, причем ее абсолютное значение будет определяться соответствующими уровнями действующих на входе приемника радиосигналов.

Из рассмотрения фиг. 1 следует, что для возможности разрешения по частоте (измерения несущих частот) двух синхронных сигналов в устройстве-прототипе с фиксированным пороговым уровнем чувствительности ("срабатывания") позиционно-чувствительных элементов (роль которых в заявляемом устройстве выполняют фотодиоды из линейки фотодиодов), в линейке фотоприемных устройств частотный разнос между сигналами должен быть таким, чтобы между двумя дифрагированными световыми пятнами имел место как минимум один "несработавший" элемент позиционно-чувствительного фотоприемника (фотодиода). Последнее и показано на фиг. 1а, где фотодиоды, уровень сигнала на которых превышает чувствительность, обозначены черным цветом, между двумя группами "засвеченных" фотодиодов имеется один, уровень светового сигнала на котором не превышает уровень его чувствительности. Ясно, что при увеличении амплитуды одного из радиосигналов (как это показано на фиг. 1а пунктирной линией) несработавший фотодиод срабатывает, а два световых распределения, соответствующие двум входным радиосигналам, будут восприниматься приемником-частотомером как световое распределение, соответствующее одному сигналу, причем с частотой, близкой к частоте радиосигнала, большего по уровню. Недостаток известных акустооптических приемников-частотомеров заключается в том, что их разрешающая способность, во-первых, зависит от уровня входных радиосигналов и уменьшается с увеличением уровня входных сигналов. Во-вторых, разрешающая способность известных АО приемников частотомеров значительно превышает частотное разрешение, задаваемое критерием Релея где U - скорость ультразвука в теле АО дефлектора, Д - апертура АО дефлектора по свету.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение разрешающей способности устройства по частоте и уменьшение ее зависимости в динамическом диапазоне уровней входных радиосигналов.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в увеличении разрешающей способности устройства по частоте примерно на порядок. Дополнительным положительным эффектом является уменьшение зависимости разрешающей способности по частоте заявляемого устройства от динамического диапазона входных сигналов. (Например, при динамическом диапазоне входных сигналов около 20 дБ - ожидается постоянство разрешающей способности устройства по частоте.) Технический результат достигается за счет дополнительного последовательного включения по свету между коллиматором и акустооптическим дефлектором узла формирования прямоугольного распределения интенсивности лазерного излучения и второй интегрирующей линзы, за счет которых форма распределения интенсивности света в плоскости линейки фотодиодов становится близкой к прямоугольной, причем геометрические параметры линейки фотодиодов выбраны таким образом, что прямоугольная протяженность дифрагированного света в плоскости линейки фотодиодов соответствует минимальному числу элементов линейки фотодиодов, а именно - двум фотодиодам (см. фиг. 1,б).

Для достижения технического результата в АО приемнике-частотомере, содержащем последовательно включенные по свету лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, первую интегрирующую линзу с фокусным расстоянием F₂, линейку фотодиодов с периодом расположения элементов линейки фотодиодов p и длиной каждого фотодиода l, дополнительно между коллиматором и акустооптическим дефлектором включены узел формирования лазерного излучения с прямоугольным распределением интенсивности протяженности d и вторая интегрирующая линза с фокусным расстоянием F₁, которая размещена на расстоянии F₁ как от устройства формирования лазерного излучения, так и от акустооптического дефлектора, причем геометрические параметры приемника-частотомера F₁, F₂, d, l и p взаимосвязаны посредством соотношения Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатам рассмотрим фиг. 1.б, где поясняется выбор части геометрических параметров заявляемого устройства, при которых обеспечивается постоянство его разрешающей способности по частоте. Как следует из рассмотрения фиг. 1.б, если в плоскости линейки фотодиодов сформировать прямоугольное распределение интенсивности лазерного излучения с протяженностью, равной p+l, где p-период расположения фотодиодов в линейке фотодиодов, а l - длина каждого из фотодиодов, то разрешение по частоте будет оставаться постоянным при изменении уровней входных сигналов, причем это постоянство будет обеспечиваться в пределах частотной дискреты приемника-частотомера, равной Δf/2N, , где Δf - полоса рабочих частот приемника, N- число фотодиодов в линейке фотодиодов. В данном случае принципиальным является то, что линейный размер дифрагированного пятна света выбран протяженностью, которая соответствует протяженности только двух фотодиодов (элементов) линейки фотодиодов. При большей длине p+l (т.е. большем числе засвеченных фотодиодов) разрешение по частоте приемника-частотомера будет заведомо меньшим, а при меньшей длине, например, для одного засвеченного фотодиода, возможен пропуск приемником-частотомером входного сигнала, как то следует из фиг. 1.б.

Отметим, что засвечивать большее число (больше двух) фотодиодов линейки фотодиодов невыгодно также и с энергетической точки зрения. Таким образом, сформировав в плоскости линейки фотодиодов прямоугольное распределение интенсивности с протяженностью p+l, можно обеспечить постоянство разрешающей способности приемника-частотомера по частоте.

На фиг. 2 узел формирования лазерного излучения с прямоугольным распределением интенсивности протяженности d выполнено на основе диафрагмы, плоскость x₁ - соответствует плоскости размещения акустооптического дефлектора, в плоскости x₂ - размещена линейка фотодиодов.

Запишем соотношение для прямоугольного распределения интенсивности лазерного излучения протяженности ± d/2 в плоскости x в виде Введенная в приемник-частотомер линза с фокусным расстоянием F₂ осуществляет Фурье-преобразование (1), которое с точностью до постоянного множителя можно записать в виде где f_x1 = x₁/λF₂ - пространственная частота в плоскости размещения АО дефлектора.

Линза с А₂ формирует в плоскости x₁ в пределах апертуры АО дефлектора Д световое распределение вида которое для второй линзы является входным.

Так как функция sin с(X) является четной относительно X, то ее спектр в выходной плоскости второй линзы с фокусным расстоянием F₁ определяется косинус-преобразованием Фурье - (2), которое также с точностью до постоянного множителя можно записать в виде где f_x2 = x₂/λF₁ - пространственная частота в плоскости размещения линейки фотодиодов.

Вводя обозначения интеграл (3) представим в форме

для которой можно воспользоваться известным решением:

записав его в виде

где
Таким образом, в плоскости размещения линейки фотодиодов (или любого другого фотоприемного устройства) будет сформировано прямоугольное распределение интенсивности с протяженностью
равной p + l.

Следовательно, фактически в предлагаемом устройстве за счет введения узла формирования прямоугольного распределения интенсивности лазерного излучения и второй интегрирующей линзы, осуществляющей дополнительное (обратное) Фурье-преобразование светового сигнала, получают форму распределения интенсивности пятна света в плоскости фотодиодов, близкую к прямоугольной, которая позволяет, как увеличить, так и уменьшить ее зависимость в динамическом диапазоне уровней входных сигналов.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлено распределение интенсивности дифрагированного света в плоскости линейки фотодиодов для прототипа (фиг.1 а) и для заявляемого устройства (фиг. 1 б). На фиг. 2 показан способ формирования необходимой формы распределения интенсивности. На фиг. 3 представлена структурная схема заявляемого устройства в целом.

Заявляемое устройство содержит последовательно расположенные по свету лазер 1, коллиматор 2, узел формирования прямоугольного распределения лазерного излучения 3 протяженности d и вторую интегрирующую линзу 4 с фокусным расстоянием F₁, акустооптический дефлектор 5, имеющий электрический вход S(t) и оптический вход и выход, интегрирующую линзу 6 с фокусным расстоянием F₂, линейку фотодиодов 7 с периодом расположения p и длиной каждого элемента l, причем геометрические параметры приемника-частотомера F₁, F₂, d, l и p взаимосвязаны соотношением

Входом акустооптического приемника-частотомера является электрический вход акустооптического дефлектора 5, а выходом устройства являются параллельные выходы линейки фотодиодов 7.

Принцип работы заявляемого устройства и обеспечиваемый им технический результат заключается в следующем.

На электрический вход АО дефлектора 5 подается входной радиосигнал частоты f. В среде АО дефлектора 5 радиосигнал распространяется в виде своего акустооптического аналога. На оптический вход АО дефлектора 5 через узел формирования с прямоугольным распределением интенсивности протяженности d 3 и вторую интегрирующую линзу 4 с фокусным расстоянием F₁, от лазера 1 подаются монохроматические световые колебания. Коллиматор 2 и узел формирования лазерного излучения с прямоугольным распределением интенсивности 3 служат для формирования прямоугольной геометрии пучка света протяженности d. Луч света, проходя через вторую интегрирующую линзу 4, приобретает распределение интенсивности вида на расстоянии F₁, где располагается АО дефлектор 5. Внутри АО дефлектора 5 свет взаимодействует с акустическим аналогом радиосигнала, дифрагирует на угол, пропорциональный частоте входного радиосигнала. С оптического выхода АО дефлектора 5 свет проходит через интегрирующую линзу 6 и фокусируется на линейке фотодиодов 7. За счет того, что распределение интенсивности света, взаимодействующего с акустическим аналогом радиосигнала, имеет вид после прохождения интегрирующей линзы 6 оно приобретает прямоугольное распределение интенсивности света как то показано выше.

С линейки фотодиодов 7 информация о местоположении центра дифрагированного пятна света передается потребителю. Координата центра дифрагированного пятна света соответствует значению несущей частоты радиосигнала, находящегося в апертуре АО дефлектора 5. В заявляемом АО приемнике-частотомере увеличение разрешающей способности по частоте и ее стабилизация в диапазоне амплитуд входных сигналов достигается путем добавления в оптическую схему между коллиматором 2 и акустооптическим дефлектором 5 узла формирования лазерного излучения с прямоугольным распределением интенсивности и второй интегрирующей линзы 4.

Проведем в предлагаемом приемнике-частотомере количественную оценку значения динамического диапазона уровней входных сигналов, в пределах которого можно считать его разрешающую способность по частоте - постоянной. Из факторов, препятствующих формированию прямоугольного распределения интенсивности дифрагированного света в плоскости линейки фотодиодов и соответственно ограничивающих динамический диапазон, отметим следующее: неидеальность геометрии лазерного пучка света, формируемого устройством 3; погрешности, связанные с неточностью Фурье-преобразования и конечными размерами апертуры применяемых линз; изменяющийся с частотой входного сигнала угол падения дифрагированного пятна света на линейку фотодиодов; конечная апертура по свету акустооптического дефлектора - 5. Из перечисленных факторов наиболее значимым является последний. Оценим динамический диапазон следующим образом. Учтем конечность апертуры АО дефлектора - 5 и рассчитаем долю интенсивности света, приходящуюся в этом случае на крылья прямоугольного распределения в плоскости линейки фотодиодов. Отношение энергии, приходящейся на весь дифрагированный пучок света к энергии, приходящейся на крылья, и будет характеризовать динамический диапазон приемника-частотомера, в котором будет иметь место постоянство его разрешающей способности по частоте.

Проведем расчет формируемого линзой 6 распределения S(x₂) полагая, что АО дефлектор 5 имеет конечную апертуру по свету, равную Д, и соответственно пределы интегрирования в расчетной формуле (4) будут не от 0 до +∞, а от до Из формулы (4)

где Si[O] - интегральный синус.

Численный расчет S(x₂) по формуле (6) для случая, когда Д выбрано таким, что в его пределах размещается центральный и четыре боковых лепестка функции sin c(X), дает значение относительного уровня интенсивности, находящейся вне размеров идеального прямоугольного пятна света порядка 2%. Таким образом, можно полагать, что значение динамического диапазона, в пределах которого в предлагаемом приемнике-частотомере будет сохраняться постоянство его разрешения по частоте, составляет ≈ 20 дБ.

Практическая реализация заявляемого приемника-частотомера сомнений не вызывает: все элементы, в него входящие, являются общими для указанных выше аналогов и прототипа. Конкретно он может быть выполнен на основе следующих элементов. Лазер 1 целесообразно использовать газовый He - Ne, например типов ЛГН - 219, ЛГН - 223, ЛГН - 208 и др. Акустооптический дефлектор - 5 для диапазона (500-3000) МГц может быть выполнен на основе таких материалов, как LiNbO₃ или PbMoO₄.

В качестве линейки фотодиодов в частотомере могут быть применены либо приборы с зарядовой связью, например линейки типов 1200 ЦЛ1, 1200 ЦЛ5 и др., либо фотодиодные матрицы типов ФПУ-14, МФ-14 и др.

В качестве устройства формирования лазерного излучения с прямоугольным распределением интенсивности может быть использована обыкновенная диафрагма; не исключено применение и специальных фокусаторов.

К оптическим элементам, входящим в частотомер, особых требований не предъявляется: и коллиматор 2, и интегрирующие линзы 4 и 6 могут быть выполнены по стандартной технологии, например из стекла марки К8. В качестве коллиматора 2 возможно применение стандартного объектива.

Формула изобретения

Акустооптический приемник-частотомер, содержащий последовательно расположенные по свету лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, первую интегрирующую линзу с фокусным расстоянием F₂, линейку фотодиодов с периодом расположения фотодиодов в линейке p и длиной каждого фотодиода l, отличающийся тем, что в нем дополнительно между коллиматором и акустооптическим дефлектором последовательно по свету размещены узел формирования лазерного излучения с прямоугольным распределением интенсивности протяженностью - d и вторая интегрирующая линза с фокусным расстоянием F₁, которая размещена на расстоянии F₁ как от устройства формирования лазерного излучения, так и от акустооптического дефлектора, причем геометрические параметры приемника - частотомера F₁, F₂, d, l и p взаимосвязаны посредством соотношения

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4