АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ

Предполагаемая полезная модель относится к радиоизмерительной технике и может быть использована в качестве высокоточного измерителя параметров радиосигналов в широкополосных системах связи, радиолокации и пеленгации.
Известен (см. фиг.1) акустооптический (АО) анализатор спектра с пространственным интегрированием (опубликованный в книге: 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 по свету расположенные лазер, конденсор и коллиматор, образующие оптический каскад перехода от лазерного пучка к плоской световой волне заданной апертуры, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, Фурье-линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является наличие энергетических потерь, связанных с неэффективностью преобразования дифрагированного светового пучка на выходе АОД, осуществляемого одной Фурье-линзой.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предполагаемой полезной модели, являются последовательно включенные по свету лазер, коллиматор, АО дефлектор, Фурье-линза, осуществляющая преобразование сигнала, находящегося в плоскости дефлектора, и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.
Известен также акустооптический приемник-частотомер, описанный в изобретении В.В.Роздобудько, В.А.Малышев, Г.Г.Червяков, патент РФ №2142140 с приоритетом от 30.01.98 г., опубликованного 27.11.99 г. в
бюллетене №33, который содержит последовательно по свету расположенные источник лазерного излучения с амплитудным модулятором и первым источником модулирующего напряжения, коллиматор и АО дефлектор с интегрирующей линзой, второй источник модулирующего напряжения, нагруженный на позиционно-чувствительный фотоприемник с набором усилителей разностной частоты (см. фиг.2).
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является наличие энергетических потерь, связанных с неэффективностью преобразования дифрагированного светового пучка на выходе АОД, осуществляемого одной Фурье-линзой.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предполагаемой полезной модели, являются последовательно включенные по свету источник лазерного излучения, коллиматор, АО дефлектор, интегрирующая линза и позиционно-чувствительный фотоприемник.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство - прототип: акустооптический анализатор спектра СВЧ-радиосигналов (Белокурова О.И., Петрунькина В.Ю., Щербакова А.С. №1354128, опубликованного 23.11.1987 г. в бюллетене №43).
Устройство-прототип (см. фиг.3) содержит в своем составе последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, осуществляющую Фурье-преобразование, в фокальной плоскости которой расположено регистрирующее устройство.
Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемой полезной моделью, являются последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза и регистрирующее устройство.
Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является наличие энергетических потерь,
связанных с неэффективностью преобразования дифрагированного светового пучка на выходе АОД, осуществляемого одной Фурье-линзой.
Неэффективность обусловлена следующим. Первостепенной задачей при выборе Фурье-линзы, в схеме измерителя параметров радиосигналов, является согласование линейных размеров фотоприемника, в плоскости дифракции, с рабочим диапазоном частот. В такой схеме отсутствует согласование размера дифрагированного пучка по оси, перпендикулярной плоскости дифракции, с линейным размером чувствительной области, по той же оси, фотоприемника. При этом только часть светового распределения попадает на чувствительную область фотоприемника, и, как следствие этого, снижается чувствительность акустооптического измерителя.
Задачей, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель, является повышение чувствительности акустооптического измерителя параметров радиосигналов.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемой полезной модели, заключается в увеличении чувствительности акустооптического измерителя параметров радиосигналов, и достигается тем, что между интегрирующей линзой 4 (см. фиг.4) и линейкой фотоприемников регистрирующего устройства 6 включена цилиндрическая линза 5, ось цилиндра которой параллельна оси расположения фотоприемников.
Для достижения технического результата в акустооптическом измерителе параметров радиосигналов, содержащем последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, в фокальной плоскости которой расположено регистрирующее устройство, по направлению дифрагированного лазерного излучения между интегрирующей линзой и линейкой фотоприемников регистрирующего устройства включена цилиндрическая линза, ось цилиндра которой параллельна оси расположения линейки фотоприемников.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, видно, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.
Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом рассмотрим принцип работы предлагаемого акустооптического измерителя параметров радиосигналов и сопоставим его с работой прототипа и аналога.
Сущность предлагаемой полезной модели, а также работа заявляемого акустооптического измерителя параметров радиосигналов поясняется на фиг.4. Устройство имеет в своем составе, последовательно по свету расположенные, лазер 1, коллиматора 2, АО дефлектор 3, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу 4 с фокусным расстоянием F1, цилиндрическую линзу 5 с фокусным расстоянием F2, установленную между интегрирующей линзой и линейкой фотоприемников регистрирующего устройства 6 так, что ось цилиндрической поверхности параллельна оси расположения линейки фотоприемников. А значение F2 выбирается из условия обеспечения равенства размера сфокусированного пучка дифрагированного излучения высоте светочувствительных площадок в линейке фотоприемников. За цилиндрической линзой 5 расположено регистрирующее устройство 6, которое состоит из линейки фотоприемников и устройства управления и обработки.
Предлагаемый акустооптический измеритель параметров радиосигналов работает следующим образом. Измеряемый радиосигнал подается на вход измерителя и поступает в АО дефлектор 3 (см. фиг.4), в светозвукопроводе которого за счет обратного пьезоэффекта создает внутренние периодические деформации среды (акустические волны). Оптическое излучение от лазера 1, пройдя коллиматор 2, под определенным
углом к фронту акустического поля, падает на периодическую структуру, распространяющуюся в светозвукороводе. В результате акустооптического взаимодействия, согласно известным законам дифракции, на выходе АО дефлектора дифрагированный луч отклоняется от прошедшего на определенный угол. Этот угол изменяется при изменении частоты поданного на АО дефлектор радиосигнала. В рабочем диапазоне частот дифрагированный луч сканирует по углу и перекрывает заданную область на линейке фотоприемников. Согласование перемещения дифрагированного луча при угловом сканировании, на выходе из АО дефлектора, с заданной областью на линейке обеспечивается интегрирующей линзой. За счет включения между интегрирующей линзой с фокусным расстоянием F1 и линейкой фотоприемников цилиндрической линзы с фокусным расстоянием F2, происходит дополнительное преобразование пучка дифрагированного излучения. Линза с меньшим фокусным расстоянием формирует в фокальной плоскости пятно с меньшим размером, и в этой же плоскости, внося свой вклад Фурье-преобразованием, создает новое световое распределение. Световое распределение в плоскости линейки фотоприемников и определяет уровень чувствительности и другие энергетические параметры акустооптического измерителя параметров радиосигналов. Ось цилиндрической поверхности второй линзы ориентирована параллельно линейке фотоприемников регистрирующего устройства. Фокусное расстояние F2 выбирается из условия обеспечения равенства размера сфокусированного линзой пучка дифрагированного излучения высоте светочувствительных площадок в линейке фотоприемников. Информация о распределении интенсивности излучения на линейке фотоприемников снимается и обрабатывается с помощью устройства управления и обработки. Далее информация о параметрах принимаемых сигналов передается для дальнейшего использования (см. фиг.4).
Эффективность использования дополнительной цилиндрической линзы в устройстве акустооптического измерителя параметров радиосигналов
определяется конкретным случаем, ситуацией использования измерителя. Так для акустооптического измерителя параметров радиосигналов, описанной конструкции, дополнительная линза с коротким фокусом значительно улучшает уровень чувствительности. Дело в том, что при большом угле сканирования дифрагированного излучения на выходе из АО дефлектора и при использовании протяженных линеек фотоприемников для высокого разрешения, интегрирующая линза, описанная в прототипе и аналогах, должна иметь большое фокусное расстояние, а это не обеспечивает малых размеров сфокусированного пятна и приводит к снижению уровню чувствительности измерителя. Устраняется этот недостаток конструкцией предполагаемой полезной модели.
2
2
2
2
2
Экспериментально была выполнена схема акустооптического измерителя параметров радиосигналов условно показанная на фиг.5, а. На фиг.5 не показан лазер и коллиматор, а первая цилиндрическая линза, используемая в схеме, имеет вспомогательный характер и не является обязательным элементом схемы. Устройство имеет следующие параметры: длина волны оптического излучения 0,65 мкм; сечение начального лазерного пучка 2×4 мм; расходимость лазерного пучка 0,7 мрад; угол сканирования дифрагированного лазерного пучка на выходе АОД, работающего в диапазоне 1500-2000 МГц, равен 90 мрад; размер линейки фотоприемников 10240×10 мкм. Для сравнения чувствительности со схемой, имеющей одну интегрирующую линзу (см. фиг.5, б), теоретически были рассчитаны размеры пятен (по уровню 1/е), сформированные в плоскости линейки фотоприемников регистрирующего устройства для обеих схем. Для схемы предлагаемого измерителя (фиг.5, а) размеры пятна составили ≈70×20 мкм, а для схемы с одной интегрирующей линзой, описанной, например, в прототипе, составило ≈70×2000 мкм (см. фиг.5, б). Как видно, одна интегрирующая линза не обеспечивает по вертикали (в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции) размера сфокусированного пятна согласованного с размерами чувствительных элементов линейки
2
фотоприемников (10×10 мкм). Это приводит к снижению чувствительности измерителя, т.к. большая часть светового пятна просто не попадает на элементы линейки фотоприемника. Для приведенного примера увеличение чувствительности измерителя за счет дополнительной цилиндрической линзы составило около 10 дБ. Таким образом, схема предлагаемого акустооптического измерителя параметров радиосигналов с цилиндрической линзой перед линейкой фотоприемников обеспечивает лучшее значение чувствительности, чем схема с одной интегрирующей линзой.