АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР
ACOUSTO-OPTICAL INTERFEROMETER

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиоастрономии и электромагнитном мониторинге эфира, при котором определяются направление на источник излучения и частота, на которой он излучает.
Известен акустооптический интерферометр (U.S. Patent 4297704, Marom et. al.), состоящий из пары ненаправленных приемных элементов электромагнитного излучения и акустооптического анализатора спектра (АОС) в интегральном исполнении. Характерной особенностью АОС является наличие двух встречно-штыревых возбудителей параллельных сонаправленных пучков поверхностных акустических волн, причем каждый встречно-штыревой возбудитель соединен со "своим" приемным элементом. Оптическая схема АОС содержит источник когерентного света, коллимирующую и Фурье - геодезические линзы и линейку фотодетекторов, сигналы с которой поступают в цифровой процессор для дальнейшей обработки.
1
2
1
2
В результате брегговской дифракции когерентного светового потока на паре акустических пучков образуются два коллинеарных световых пучка одинаковой частоты, имеющие взаимный фазовый сдвиг; эти пучки после геодезической Фурье-линзы интерферируют в плоскости расположения линейки фотодетекторов. В результирующем распределении интенсивности света на фотоприемнике выделяются три пика: главный, положение которого вдоль линейки однозначно связано с несущей частотой принятого радиоизлучения и два боковых, соотношение между амплитудами которых позволяет определить направление на источник излучения. Эти операции выполняет цифровой процессор, получающий электрический сигнал с линейки фотодетекторов. Достоинством данного акустооптического интерферометра является простота конструкции, а недостаток заключается в неоднозначности определения угла прихода радиоизлучения: не различаются углы прихода θ и θ, для которых выполняется соотношение θ+θ=π. Однозначность обеспечивается лишь в диапазоне углов прихода -0.5π≤θ≤0.5π, т.е. в полупространстве.
m
0
0
0
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является акустооптический интерферометр, описанный в статье А.В. Пуговкина "Акустооптические интерферометры" (Фотоника и оптоэлектроника, №4, 1993, с.84-95). Он содержит пару ненаправленных приемных элементов электромагнитного излучения и установленные на одной оптической оси: источник когерентного излучения, коллиматор, акустооптический модулятор, возбуждаемый парой пьезопреобразователей, присоединенными к приемным элементам, Фурье-линзу и фотоприемник, соединенный с цифровым процессором. Этот интерферометр позволяет одновременно определять как направление на источник электромагнитного излучения, так и его частоту. Схема этого интерферометра включает в себя два приемных элемента, сигналы с которых поступают в акустооптическую систему, состоящую из источника оптического когерентного излучения (чаще всего это полупроводниковый лазер), коллиматора, акустооптического модулятора (АОМ) с двумя пьезовозбудителями, Фурье-линзы, матричного фотоприемника на основе приборов с зарядовой связью и цифрового процессора. Выходы приемных элементов соединены с пьезовозбудителями, которые возбуждают в звукопроводе АОМ два акустических пучка, сдвинутых во времени на величину dsinθ/с (d - расстояние между приемными элементами, c - скорость света, θ - угол прихода принятого излучения). Лучи когерентного света, дифрагировавшие на акустических пучках, интерферируют в фокальной плоскости (ξ, η) Фурье-линзы и формируют световое распределение, которое считывается матричным фотоприемником. Интенсивность светового распределения вдоль пространственной координаты ξ, зависит от спектрального состава принятого излучения и локализована вокруг ξ=λFf/V (λ - длина волны света, F - фокусное расстояние Фурье-линзы, V - скорость акустических волн в АОМ, f - несущая частота принятого радиоизлучения). Интенсивность вдоль координаты η представляет собой совокупность интерференционных полос, параллельных оси 0ξ с пространственным периодом λF/H (H - расстояние между акустическими пучками), начальное положение которых зависит от сдвига фаз принятых сигналов ψ=2πfdsinθ/c.
m
Таким образом, измеряя координату ξ "центра тяжести" распределения интенсивности света вдоль оси 0ξ, можно определить несущую частоту принятого радиоизлучения, а измеряя фазу пространственной несущей светового распределения вдоль оси 0η, определить угол прихода радиоизлучения. Достоинством акустооптического интерферометра является то, что он осуществляет параллельный анализ всей частотной полосы, в которой работает АОМ (до 1…1.5 ГГц).
1
2
1
2
Недостаток, присущий устройству, состоит в неоднозначности определения угла прихода радиоизлучения: не различаются углы прихода θ и θ, для которых выполняется соотношение θ+θ=π. Однозначность обеспечивается лишь в диапазоне углов прихода -0.5π≤θ≤0.5π, т.е. в полупространстве.
Технической задачей, решаемой изобретением, является создание акустооптического интерферометра, позволяющего увеличить сектор однозначного определения угла прихода радиоизлучения до 360 градусов.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый интерферометр также, как и известный, содержит первую пару ненаправленных приемных элементов электромагнитного излучения и установленные на одной оптической оси: источник когерентного излучения, коллиматор, акустооптический модулятор, возбуждаемый первой парой пьезопреобразователей, присоединенными к приемным элементам, Фурье-линзу и фотоприемник, соединенный с цифровым процессором. Но, в отличие от известного, в предлагаемый интерферометр дополнительно введена вторая пара ненаправленных приемных элементов, установленных на прямой, перпендикулярной линии расположения первой пары приемных элементов и соединенные со входами фазовращателей на 90 градусов, причем выходы последних соединены с дополнительной парой пьезопреобразователей акустооптического модулятора.
Достигаемый технический результат-увеличение сектора углов, в котором однозначно определяется направление угла прихода радиоизлучения, до 360 градусов.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема предлагаемого акустооптического интерферометра, на фиг.2 приведены кривые распределения интенсивности света в плоскости матричного фотоприемника вдоль одной из координат для различных углов прихода радиоизлучения, на фиг.3 изображена схема прототипа.
0
Схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Антенная решетка (АР) состоит из четырех ненаправленных приемных элементов 1, 2, 3 и 4, расположенных в одной плоскости в углах квадрата с диагональю d. Акустооптическая часть содержит последовательно расположенные источник когерентного излучения 5, коллиматор 6, акустооптический модулятор (АОМ) 7, с четырьмя пьезовозбудителями 8, 9, 10 и 11, Фурье-линзы 12, матричного фотоприемника 13 и цифрового процессора 14. Выходы приемных элементов 1 и 2 АР соединены с парой центральных пьезовозбудителей 8 и 9 непосредственно, а выходы приемных элементов 3 и 4 соединены со второй парой пьезовозбудителей 10 и 11 через фазовращатели на 90 15 и 16 соответственно.
m
0
0
0
Устройство, которое можно условно назвать двухплечным акустооптическим интерферометром, работает следующим образом. Сигналы, принятые антенной решеткой, возбуждают в звукопроводе АОМ 7 четыре параллельных со направленных акустических пучка одинаковой частоты, но с различными фазами. На этих пучках независимым образом происходит дифракция когерентного светового потока, формируемого источником света 5 и коллиматором 6, что приводит к образованию в "выходной" плоскости АОМ четырех коллинеарных световых пучков одинаковой частоты с разными фазами. Сферическая линза 12 осуществляет двумерное пространственное преобразование Фурье этих пучков, в результате чего в плоскости матричного фотоприемника возникает интерференционная картина светового распределения. Характер этого распределения следующий. Вдоль координатной оси 0ξ разворачивается энергетический спектр принятого радиоизлучения, центрированный вокруг координаты ξ=λFf/V, где по-прежнему f - несущая частота принятого радиоизлучения. Вдоль координатной оси 0η вследствие интерференции четырех коллинеарных световых пучков одинаковой частоты с разными фазами (которые зависят от угла прихода θ радиоизлучения) формируется распределение света, представление о котором дает фиг.2. На фиг.2 показаны кривые распределения интенсивности света вдоль нормированной координаты Y=hη/λF (h - ширина акустического пучка) для различных углов прихода θ радиоизлучения, который изменяется в пределах от -180° до +180° с шагом 36. Соответствующие кривые промаркированы М0…М10. Видно, что при изменении угла прихода принятого излучения меняется количество максимумов, их величина и пространственное расположение вдоль нормированной координаты Y. Характер поведения кривых позволяет сделать вывод о чувствительности интерференционной картины к углу прихода радиоизлучения во всем круговом секторе обзора (360°). Фотоприемник 13 преобразует интенсивность света в электрический сигнал, поступающий в цифровой процессор 14, в котором осуществляется вычисление центральной частоты принятого радиоизлучения и однозначное направление его прихода во всем круговом секторе обзора (360°).