АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ

Предполагаемая полезная модель относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя частотных параметров радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и радиотехнической разведке.
Известен акустооптический (АО) анализатор спектра с пространственным интегрированием [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 (АОД), на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, Фурье-линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.
Причиной, препятствующей достижению аналогом технического результата, является его недостаточная полоса рабочих частот и незначительная чувствительность, являющаяся в диапазоне СВЧ следствием малой дифракционной эффективности входящего в состав анализатора спектра АОД.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предполагаемой полезной модели, являются последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, Фурье-линза, осуществляющая Фурье преобразование светового сигнала, находящегося в плоскости акустооптического дефлектора и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.
Известен также акустооптический частотомер [а.с. СССР №126636, МКИ 4 G01R 23/16. Акустооптический частотомер. Вернигоров Н.С., Задорин А.С., Шарангович С.Н.; опуб. 23.10.1986 г. в бюл. №39]. Устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, АОД, линзу и позиционно-чувствительный фотоприемник, причем между коллиматором и АОД 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.
Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является его сложность. В рассматриваемом аналоге, имеющем незначительную полосу рабочих частот, осуществляется междискретное уточнение частоты измеряемого сигнала путем уточнения местоположения дифрагированного пятна света с помощью ряда фазометров, число которых равно числу элементов (фотодиодов) в позиционно-чувствительном фотоприемнике. Необходимость использования большого числа фазометров обуславливает упомянутую сложность данного аналога.
Признаками, общими с заявляемой полезной моделью, являются последовательно включенные по свету лазер, коллиматор, АОД, линза, выполняющая роль интегрирующей линзы и линейка фотодиодов, в качестве которой в аналоге используется позиционно-чувствительный фотоприемник.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: акустооптический измеритель частотных параметров радиосигналов [Роздобудько В.В. Акустооптический измеритель частотных параметров радиосигналов с нелинейными законами ЧМ // Радиотехника. - 2000. - №3. - с.24-27.].
Устройство-прототип изображено на фиг.1.
Устройство-прототип содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер 1, коллиматор 2, АОД 3, на оптический вход которого лазерное излучение падает под углом Брэгга, а на его электрический вход через пьезопреобразователь подается измеряемый радиосигнал, причем, по направлению дифрагированного лазерного излучения последовательно включены интегрирующая линза 4 и линейка фотоприемных устройств 5, выходы которых через набор видеоусилителей 6 и набор пороговых устройств 7 соединены с входом шифратора 8, осуществляющего преобразование позиционного кода, несущего информацию о координате центра дифрагированного пятна света, в код частоты.
Признаками, общими с заявляемым предполагаемой полезной моделью, являются последовательно включенные лазер 1, коллиматор 2, АОД 3, на оптический вход которого лазерное излучение падает под углом Брэгга, а на электрический вход через его пьезопреобразователь подается измеряемый радиосигнал, причем по направлению дифрагированного лазерного излучения последовательно включены интегрирующая линза 4 и линейка фотоприемных устройств 5, выходы которых через набор видеоусилителей 6 и набор пороговых устройств 7, соединенных с входом шифратора 8.
Аналогичные по структурному составу, принципу работы и функциональному назначению акустооптические измерители описаны в работах [1) Роздобудько В.В.. Анализ динамических погрешностей в акустооптических измерителях мгновенной частоты радиолокационных сигналов // Радиоэлектроника. - 1997. - №12. - с.3-10; 2) Роздобудько В.В.. Широкополосные акустооптические измерители частотных и фазовых параметров радиосигналов // Радиотехника. - 2001. - №1. - с.79-92.].
Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является тот факт, что прототип обладает ограниченной полосой рабочих частот не превышающей октаву.
Задачей, на решение которой направлено предполагаемая полезная модель, является расширение полосы рабочих частот акустооптического измерителя параметров радиосигналов и повышение его чувствительности.
3
Σ1
Σ2
01
02
02
01
Σ1
Σ2
Σ1
Σ2
Технический результат в заявляемой полезной модели достигается, если между коллиматором и дефлектором разместить призму Кестерса, обеспечивающую падение света на оптический вход акустооптического дефлектора одновременно как под положительным, так и под отрицательным углом Брэгга, а сам акустооптический дефлектор должен быть выполнен на основе LiNbO с косым углом среза, равным β, и аномальной дифракцией, характеризуемой наличием двух одинаковых полос пропускания Δfи Δf вблизи отличающихся частот перегибав f и f, задаваемых соответствующей величиной угла β, и между собой взаимосвязанных посредством f-f≃Δf≃Δf, причем протяженность по свету пьезопреобразователя акустооптического дефлектора выбрана из условия совмещения полос Δfи Δf по заданному уровню неравномерности дифракционной эффективности.
3
Σ1
Σ2
01
02
01
02
Σ1
Σ2
Σ1
Σ2
Для достижения технического результата в акустооптический измеритель параметров радиосигналов, содержащий последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, на оптический вход которого лазерное излучение падает под углом Брэгга, а на электрический вход дефлектора через его пьезопреобразователь подается измеряемый радиосигнал, причем, по направлению дифрагированного лазерного излучения последовательно включены интегрирующая линза и линейка фотоприемных устройств, выходы которых через набор видеоусилителей и набор пороговых устройств соединены с входом шифратора, между коллиматором и дефлектором размещена призма Кестерса, обеспечивающая падение света на оптический вход акустооптического дефлектора одновременно как под положительным, так и под отрицательным углом Брэгга, а сам акустооптический дефлектор выполнен на основе LiNbO с косым углом среза, равным β, и аномальной дифракцией, характеризуемой наличием двух одинаковых полос пропускания Δfи Δf вблизи отличающихся частот перегиба f и f, задаваемых соответствующей величиной угла β, и между собой взаимосвязанных посредством f-f≅Δf≅Δf, причем протяженность по свету пьезопреобразователя акустооптического дефлектора выбрана из условия совмещения полос Δfи Δfпо заданному уровню неравномерности дифракционной эффективности.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
3
Как то известно, при использовании косых срезов в LiNbOакустооптическое взаимодействие для стоксовой и антистоксовой компонент дифракции имеет место вблизи существенно разнящихся частот [Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е.. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь. - 1985. - 280 с.].
n1
n2
д1
д2
01,
02
n1
01
n2
02
0
д1
д2
Σ1
Σ2
n1
01
n2
02
Σ1
Σ2
3
0
e
д
n1
n2
1
2
Σ1
Σ2
3
д1
д2
Векторная диаграмма рассматриваемого АО взаимодействия и частотные зависимости углов падения θ, θ и дифракции θ, θ приведены на фиг.2. На фиг.2, а обозначено f f- частоты перегиба, на которых имеют место минимум углов падения θ(f), θ(f); f - частота, на которой углы дифракции θ(f), θ(f) обращаются в нуль; Δfи Δf- полосы рабочих частот дефлектора - полосы акустооптического взаимодействия, формируемые при положительном - θ(f) и отрицательном - θ(f) углах Брэгга. Заметим, что полосы Δfи Δfв первую очередь определяются расходимостью ультразвука, т.е. протяженностью l пьезопреобразователя дефлектора. На фиг.2, б обозначено: β - угол среза LiNbO или угол между осью z и плоскостью распространения ультразвука; N и N - коэффициенты преломления; k, k, k - волновые вектора для дифрагированного и падающего света; К и К - волновые вектора ультразвука, относящиеся к полосам рабочих частот Δfи Δf. В данном случае возбуждаемая пьезопреобразователем акустическая волна распространяется в дефлекторе со скоростью ν под углом (π-β) к оптической оси кристалла LiNbO. Углы дифракции θ, θ падающего на ультразвуковой столб света обращаются в нуль на частоте
,
0
e
0
e
0
e
0
где N, N - показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн; (в ниобате лития N>N и N-N<<N).
01
02
n1
n2
Частоты f и f (частоты «перегиба»), в окрестности которых реализуется экстремальные - d(θ,θ)/df=0 значение углов падения,определяются как
,
.
01
02
При этом в окрестности частот f и f нормированные амплитудно-частотные характеристики дифракции - АЧХ могут быть представлены в виде
n1,n2
n1,n2
01,02
1,2
01,02
01,02
0
e
1,2
,02
a
2
2
где Θ=θ·2nν/(λf) нормированные углы падения; F=(f-f)/(f) - нормированные частоты; n=0,5·(N+N) -среднее значение показателя преломления; Q=(λ·l·)/(nν) - волновой параметр АО взаимодействия; ; l - длина пьезопреобразователя; P - звуковая мощность в среде АО взаимодействия; М - коэффициент АО качества.
01
02
01
02
01
02
01
02
Σ1
Σ2
Из анализа (1) следует, что при углах падения света, равных углу Брэгга для каждой из частот f и f, а именно  и  дефлектор имеет плоские АЧХ. При этом полосы пропускания дефлектора на частотах f и f по уровню неравномерности 3 дБ выражаются  - и не зависят от частотно f и f. При углах падения, равных  и допущении наличия 3 дБ провала на частотах f и fполосы пропускания Δfи Δf могут быть увеличены в  раз: .
0
Σ
Σ1
Σ2
Из рассматривания фиг.2. ясен принцип выбора как центральной частоты дефлектора f (и акустооптического измерителя в целом), так и его суммарной полосы рабочих частот Δf=Δf+Δf.
Σ1
Σ2
Σ
3
Σ1
Σ2
02
01
02
01
Поскольку Δf≃Δf, то при заданной Δfакустооптического измерителя необходимый угол косого среза в LiNbO может быть найден из условия Δf+Δf=2(f-f), при котором в дефлекторе обеспечивается требуемый разнос частот f и f;
.
Σ1
Σ2
01,02
В свою очередь, поскольку Δfи Δf не зависит от f, то протяженность пьезопреобразователя акустооптического дефлектора - l, при которой обеспечивается непрерывность суммарной полосы пропускания, может быть найдена из соотношения
3
Таким образом, наличие причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом определяются тем фактом, что в предполагаемом измерителе параметров радиосигналов дополнительно введена призма Кестерса, обеспечивающая падение на АОД под положительным и отрицательным углами падения света, а сам АОД выполнен на основе LiNbO с косым углом среза и аномальной дифракцией, характеризуемой наличием двух полос пропускания.
n
д
3
3
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приведена структурная схема устройства-прототипа. На фиг.2,а представлены зависимости углов падения θ и дифракции - θ света от частоты медленной сдвиговой волны, распространяющейся в плоскости Y0Z кристалла LiNbO, на основе которого предлагается выполнить акустооптический дефлектор, входящий в состав заявляемого устройства. На фиг.2, б представлена геометрия аномального широкополосного взаимодействия в плоскости Y0Z кристалла LiNbO, поясняющая факт наличия двух областей АО взаимодействия и их взаимосвязь с косым углом среза - β.
Структурная схема заявляемого устройства акустооптического измерителя параметров радиосигналов представлена на фиг.3.
Б1
Б1
Σ1
Σ2
Заявляемое устройство содержит последовательно по свету расположенные лазер - 1 с длиной волны λ, коллиматор - 2, выполненный как минимум из двух линз, призму Кестерса - 3, обеспечивающую деление падающего лазерного излучения на два пучка и последующее их падение на акустооптический дефлектор - 4 под разными углами, а именно: +θ и - θ. На электрический вход акустооптического дефлектора 4 через его пьезопреобразователь, протяженность которого - l, подается измеряемый радиосигнал; в дефлекторе - 4 он преобразуется в ультразвуковой аналог, на котором падающее лазерное излучение дифрагирует и отклоняется на угол, пропорциональный частоте входящего сигнала. Далее дифрагированное излучение с помощью интегрирующей линзы 5 фокусируется на линейку фотоприемников - 6 состоящую из двух частей, каждая из которых предназначена для работы в полосах рабочих частот Δfи Δf. Фотоприемником световые сигналы детектируются, усиливаются набором видеоусилителей - 7, приводятся к «логическому» виду набором пороговых устройств - 8 и подаются на шифратор - 9, в задачу которого входит определение центра дифрагированного пятна света, несущего информацию о частоте входящего радиосигнала.
Принципы работы заявляемого устройства и обеспечиваемый им технический результат заключается в следующем.
Σ1
Σ2
Σ1
Σ2
Генерируемое лазером - 1 световое излучение с помощью коллиматора - 2 расширяется до необходимой величины (в заявляемом устройстве ее диаметр будет определять частотное разрешение измерителя) и подается на призму Кестерса - 3, которая, как то поясняет фиг.3, обеспечивает деление на два падающего лазерного излучения по интенсивности в соотношении 1:1 и последующее падение на АОД - 4 одного из них под положительным углом, а второго под отрицательным углом Брэгга. Каждому из соответствующих направлений падения света соответствует (с.фиг.2) своя полоса рабочих частот. На акустическом аналоге подаваемого на пьезопреобразователь АОД входного радиосигнала лазерное излучение дифрагирует, отклоняясь на угол, пропорциональный частоте, причем по направлениям соответствующим «своим» полосам рабочих частот: Δfили Δf. С помощью интегрирующей линзы - 5 дифрагированное лазерное излучение фокусируется на линейку фотоприемников - 6, две одинаковые части которой приходятся на полосы Δfи Δf. Линейкой фотоприемников - 6 световой сигнал детектируется и усиливается набором видеоусилителей - 7. Затем группа видеосигналов, отображающая продифрагированный световой сигнал, подается на набор пороговых устройств - 8, с выходов которых снимается информация о координатах центра пятна света в виде соответствующего позиционного кода, который шифратором - 9 преобразуется в код частоты, необходимый потребителю.
Таким образом, как в аналогах и прототипе, так и в заявляемом устройстве частота входного радиосигнала измеряется путем его преобразования в акустический аналог, модуляции им вспомогательного светового сигнала по направлению (углу дифракции) и последующем преобразовании в световое пятно, искомая координата центра которого пропорциональна частоте входного радиосигнала; искомая координата оцифровывается в вид, задаваемый потребителем этой информации.
Оценим степень увеличения полосы рабочих частот и чувствительности, обеспечиваемые заявляемым устройством по сравнению с прототипом и аналогами, а также рассмотрим факторы, ограничивающие это увеличение.
Вне зависимости от первоначальных (исходных) полос пропускания аналога и прототипа в предлагаемом устройстве при одинаковых остальных условиях полоса рабочих частот будет, как минимум, в два раза большей, поскольку в применяемом в нем АОД полезно используются две полосы рабочих частот, которые путем выбора соответствующего угла среза β и протяженности преобразователя l совмещаются на заданном уровне неравномерности дифракционной эффективности. При этом, если относительное увеличение полосы составляет в два раза, то в абсолютном отношении ее увеличение не может превышать октавы.
Σ
При увеличении Δf сверх октавы в схеме фиг.3 в плоскости фотоприемника появятся нелинейные продукты (гармоники), наличие которых будет препятствовать правильному функционированию заявляемого устройства.
Что касается повышения чувствительности в заявляемом измерителе, то ее увеличение обусловлено зависимостью дифракционной эффективности АОД от длины преобразователя - l. Если зафиксировать полосы рабочих частот прототипа и заявляемого устройства, то в предлагаемом измерителе упомянутая полоса может быть реализована при значительно большей длине пьезопреобразователя, а, соответственно, и чувствительности последнего будет в два и более раз превышать чувствительность прототипа и аналогов.
Практическая реализация заявляемого акустооптического измерителя параметров радиосигналов сомнений не вызывает: практически все элементы и узлы в него входящие, являются общими для прототипа и аналогов.
Заявляемое устройство может быть выполнено на основе следующих элементов.
3
Акустооптический дефлектор - 4 для диапазона частот (0,5-3,0) ГГц может быть выполнен на основе LiNbO.
Известно описание такого дефлектора диапазона (1,5-2,5) на основе анизотропной дифракции: [Демидов А.Я., Задорин А.С.. Исследование аномального акустооптического взаимодействия в кристалле ниобата лития // Известия вузов. Физика. - 1981. - №7. - с.42-47.].
3
Оптические требования к качеству LiNbO дефлекторов описаны в статье [Роздобудько В.В., Бакарюк Т.В. Акустооптический СВЧ дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - №1. - с.74-76.].
К оптическим элементам, входящим в состав измерителя, особых требований не предъявляется. Пример описания призмы Кестерса содержится в статье [Ленкова Г.А.. Анализ и сравнение угловых сканирующих интерферометров // Автометрия. - 1981. - №1 - с.95-100.].
К элементам низкочастотной техники, входящих в заявляемое устройство в виде функциональных устройств, а именно набора видеоусилителей - 7, набора пороговых устройств - 8 и шифратора - 9, также не представляется специфических требований; все они могут быть выполнены на основе современных микросхем и ПЛИС технологий.