АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА

Предлагаемая полезная модель относится к акустооптическим устройствам обработки сигналов и может быть использована для анализа спектра мощности сигналов в системах радиомониторинга, связи и радиолокации.
Известна конструкция акустооптического анализатора спектра (см. Терпин Т.М. Спектральный анализ сигналов оптическими методами. - ТИИЭР-1981, - т. 69, - №1, - с. 92-108), состоящего из акустооптического модулятора на объемных акустических волнах (АОМ), освещаемого параллельным когерентным пучком света, линзы, осуществляющей преобразование Фурье и линейки фотоприемников.
Недостатком этого анализатора спектра являются, потери мощности светового сигнала, регистрируемого фотоприемниками, связанные, с одной стороны, необходимостью уменьшения ширины акустического пучка в АОМ для увеличения эффективности дифракции и соответствующего увеличения выходного сигнала и, с другой стороны, большой дифракционной расходимостью светового пучка на узком акустическом пучке в направлении, перпендикулярном акустическому пучку, что приводит к перехвату линейкой фотоприемников только части светового пучка и соответствующему уменьшению выходного сигнала.
Используемые в широкополосных АОМ ширина и длина акустического пучка составляют соответственно величины около 0,1 и 10 мм, что требует применения линейки фотоприемников с соотношением сторон элемента фотоприемника порядка 100/1 для перехвата большей части мощности оптического сигнала. Такие линейки фотоприемников не выпускаются промышленностью.
Известна конструкция многоканального оптического анализатора спектра с использованием астигматической оптической системы, которая осуществляет преобразование Фурье нескольких сигналов, вводимых в устройство многоканальным АОМ, для получения в выходной плоскости оптической системы их спектров мощности и формирование изображения каналов по ортогональной координате, тем самым обеспечивая независимую обработку сигналов, подаваемых на входы многоканального АОМ, и отсутствие потерь света при регистрации сигналов в каналах фотоприемника (см. К. Престон. Когерентные оптические вычислительные машины. М., «Мир», 1974 г„ 384 с, с. 24-26.).
Недостатком этого анализатора спектра является значительный уровень оптического шума в каналах на выходе оптической системы, поскольку распределение интенсивности света в них в направлении, ортогональном каналам, является изображением каналов на входе и собирает в выходных каналах устройства весь оптический шум каналов входного АОМ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: акустооптический спектроанализатор, работающий в реальном масштабе времени, который описан в работе: G.V. Anderson., B.D. Guenther, J.A. Hynecek, R.J. Keyes, and A. VanderLugt. Role of photodetectors in optical signal processing. - Applied optics, - Vol. 27, - No. 14, - p. 2871-2885.
Устройство-прототип в своем составе содержит фокусирующую цилиндрическую линзу, АОМ, астигматическую систему линз и линейный фотоприемник.
Недостатком данного устройства является большой уровень шумового фона на выходе системы вследствие того, что вся мощность шума из входной плоскости, где расположен АОМ, собирается на фотоприемнике. Отмеченный недостаток прототипа является следствием особенностей построения его оптической системы.
Проблема, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение отношения сигнал-шум на выходе оптической системы анализатора спектра и связанные с этим увеличением повышение отношения сигнал-шум и динамического диапазона акустооптического анализатора спектра.
0
0
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигается за счет того, что АОМ в ней расположен со смещением по оптической оси в сторону цилиндрической линзы относительно плоскости фокусировки света этой линзой на величину f, удовлетворяющую условию: f=H/α, где H - ширина акустического пучка, α - угол схождения оптического пучка после цилиндрической линзы.
Отсюда следует, что предлагаемое устройство по сравнению с прототипом содержит новый признак, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, видно, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», т.к. в аналогах не обнаружен предъявляемый новый признак.
Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявляемым признаком и достигаемым техническим результатом рассмотрим принцип работы предлагаемого устройства и сопоставим его с работой прототипа.
Сущность предлагаемой полезной модели, а также работа акустооптического анализатора спектра поясняется чертежами. На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, где позиции на чертеже обозначают: 1 - цилиндрическая линза, 2 - АОМ, 3 и 4 - астигматическая система линз, 5 - линейка фотоприемников, показано новое расположение АОМ. На фиг. 2 поясняется работа заявляемого устройства.
Отличие работы заявляемого устройства от прототипа и обеспечиваемый им технический эффект заключается в том, что за счет смещения АОМ из плоскости фокусировки освещающего пучка в сторону цилиндрической линзы, в плоскости фокусировки по координате у формируется не изображение входного оптического шума (которое затем переносится на выход системы), а его спектр, который распределен на большей площади, чем изображение, формируемое в прототипе. При этом в предлагаемом устройстве средняя интенсивность шума снижается, что и приводит к заявляемому техническому эффекту - увеличению отношения сигнал-шум.
Для сравнения с прототипом отношения сигнал-шум, следует найти максимальную интенсивность сигнала и среднюю интенсивность шумового фона в выходной плоскости оптической системы предлагаемого устройства. Величина интенсивности сигнала в предлагаемом устройстве остается такой же, как в прототипе. Действительно, поскольку независимо от положения АОМ, он не влияет на распределение проходящего светового пучка по оси у, то оно остается прежним и на выходе системы. При формировании преобразования Фурье по оси x входного оптического сигнала, которое осуществляется сферической линзой, в формируемом спектре из-за смещения АОМ появляется добавочный квадратичный множитель (см. Дж. Гудмен. Введение в Фурье-оптику. М. «Мир», 1970, 364), однако в интенсивности этот фазовый множитель сокращается и распределение интенсивности сигнала выходе предлагаемого устройства совпадает с прототипом.
x
y
0
Мощность шумового сигнала на выходе АОМ находим из следующих соображений. Нетрудно показать, что амплитуда освещающей волны для смещенного АОМ в  раз меньше, чем в плоскости фокусировки освещающего пучка, где расположен АОМ прототипа, здесь W, W - поперечные размеры параллельного светового пучка, освещающего фокусирующую цилиндрическую линзу, λ - длина волны света, f - фокусное расстояние цилиндрической линзы (см. Дж. Гудмен. Введение в Фурье-оптику. М. «Мир», 1970, 364). Следовательно, амплитуда оптического шума - тоже. Площадь светового пятна, освещающего АОМ в предлагаемом устройстве - в  раз больше. Отсюда получаем, что общая мощность входного шума в предлагаемом устройстве и прототипе совпадают. Преобразование Фурье входного шума по координате х, которое формирует на выходе астигматическая система линз, из-за смещения модулятора отличается от формируемого в прототипе, как и для сигнала, наличием квадратичного фазового множителя. Этот множитель не влияет на распределение интенсивности размер распределения по соответствующей координате выходной плоскости системы, поэтому размер распределения шума на выходе по этой координате совпадает у предлагаемого устройства и прототипа. По ортогональной координате выходной плоскости формируется изображение шумового сигнала, формируемое в плоскости фокусировки освещающего светового пучка. Это распределение в предлагаемом устройстве является преобразованием Фурье (с соответствующим фазовым множителем) по координате у входного шумового сигнала (на выходе модулятора). Данное преобразование Фурье формируется освещающим АОМ сходящимся световым пучком. Оно имеет размер как в фокусе линзы с фокусным расстоянием f, равным смещению модулятора из плоскости фокусировки (см. Дж. Гудмен. Введение в Фурье-оптику. М. «Мир», 1970, 364). Размер распределения по данной координате в предлагаемом устройстве равен , где Δy - ширина корреляционной функции входного шума по координате y. В прототипе размер распределения шума в плоскости фокусировки и на выходе системы по данной координате равен размеру освещающего пучка. Учитывая равенство мощности шума и ширины распределений по координате, параллельной оси x, на выходах прототипа и предлагаемого устройства, получаем, что интенсивность оптического фона в предлагаемом устройстве уменьшена по сравнению с прототипом в  раз (пропорционально увеличению площади распределения фона). Легко показать (см. Дж. Гудмен. Введение в Фурье-оптику. М. «Мир», 1970, 364), что . Учитывая равенство интенсивности полезного сигнала на выходах обеих систем, получаем, что во столько же раз увеличивается отношение сигнал-шум в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом. Будет наблюдаться и соответствующее увеличение динамического диапазона, связанное с увеличением отношения сигнал-шум.
Предлагаемое устройство было экспериментально исследовано с использованием АОМ на ниобате лития, имеющего полосу пропускания 1000 МГц, с шириной и длиной акустического пучка 0,2 и 7 мм соответственно. Основным источником оптического шума были просветляющие покрытия на входной и выходной гранях АОМ. Фокусное расстояние фокусирующей цилиндрической линзы составляло 80 мм. Величина смещения модулятора -15 мм. Увеличение отношения сигнал-шум в схеме со смещением превысило это отношение в схеме без смещения на 15 дБ и составило величину 48 дБ. Указываемые в литературе обычные значения отношения сигнал-шум аналогичных анализаторов спектра (без смещения АОМ) - 35-40 дБ.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого устройства, заключается в увеличении отношения сигнал-шум на выходе оптической системы анализатора спектра и связанные с этим увеличением повышение отношения сигнал-шум и динамического диапазона акустооптического анализатора спектра в целом.