АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ

Предполагаемая полезная модель относится к акустооптическим устройствам для оптической обработки информации и может быть использована в акустооптических измерителях параметров радиосигналов с высоким разрешением.
N
Известен многоканальный анализатор спектра радиосигналов (В.Н.Парыгин, В.И.Балакший. Оптическая обработка информации. Изд. Московского ун-та, 1987, с.119) с увеличенной разрешающей способностью (фиг.1), содержащий последовательно по свету расположенные источник излучения 1, коллиматор 2, многоканальный модулятор с N каналами 3, на первый канал которого через преобразователь подается измеряемый радиосигнал S(ƒ) и через линию задержки ЛЗ 4 подается на преобразователи других каналов, и интегрирующую оптическую систему 5 и экран 6. Время задержки сигнала S(ƒ) в каждой ЛЗ равно постоянной ячейки τ, поэтому вся ячейка заполняется акустическим сигналом за время τ=Nτ, т.е. за время анализа возрастает в N раз. Такой анализатор подобен одноканальному с апертурой Nα при апертуре одного канала α.
0
л
0
0
л
л
л
л
Проходя через ячейку свет независимо дифрагирует в каждом из каналов и поэтому в выходной плоскости анализатора световое пятно является суперпозицией полей, созданных отдельными каналами. При этом распределиние по оси x имеет характер одноканального устройства, а по оси y оно представляет собой картину дифракции Фраунгофера на амплитудной решетке, состоящей из N отверстий с размером b, расположенных с периодом d. Центр главного дифракционного максимума находится в точке с координатами x=F(θ+πƒ/νk), у=2πτF/kd, при ширине Δx=2πF/αk и Δy=2πF/k Nd, где F - фокусное расстояние линзы, а ƒ - частота радиосигнала. При изренении ƒ
x
y
максимум смещается одновременно по осям x и у. При этом для его перемещения в соседнее разрешимое положение по оси x необходимо изменить частоту на δƒ=1/τ, а по оси y на δƒ=1/Nτ. Следовательно, устройство позволяет измерять частоту по оси y с точностью в N раз большей, чем по оси х.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемой полезной модели, являются расположенные последовательно по свету источник излучения, коллиматор, многоканальный модулятор (он же дефлектор в заявляемой полезной модели), интегрирующая оптическая система.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является то, что определить частоту радиосигнала по одной координате y невозможно и поэтому для грубого, с точностью до 1/τ, отсчета частоты используется ось x, а уточнение производится по оси y.
Известен акустооптический анализатор спектра радиосигнала (авт. свид. №1354128 от 05.08.1986 г. авторов Белокурова О.И., Петрунькина В.Ю., Щербакова А.С.) содержащий последовательно по свету расположенные (фиг.2) источник излучения 1, коллиматор 2, модулятор с двумя входами 3, на первый из которых подается измеряемый радиосигнал S(ƒ), а на второй - сигнал от источника монохроматического сигнала 4 с частотой, совпадающей с одной из крайних частот полосы анализа, интегрирующую линзу 5 и регистрирующее устройство 6. В модуляторе 3 возбуждаются две продольные упругие волны, распространяющиеся в одном направлении, в результате чего в звукопроводе генерируются продольные упругие волны разностных частот, распространяющиеся в том же направлении. Амплитуда последних пропорциональна амплитудам спектральных составляющих анализируемого радиосигнала S(ƒ). При смещении частоты волны разностных частот в сторону уменьшения частоты наблюдается уменьшение потерь в модуляторе 3 за счет
затухания, что приводит к повышению разрешающей способности всего устройства.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемой полезной модели являются расположенные последовательно по свету источник излучения, коллиматор, модулятор (он же дефлектор в заявляемой полезной модели), интегрирующая линза и регистрирующее устройство.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является то, что уменьшение потерь в модуляторе за счет затухания и несущественное при том повышение частотной разрешающей способности требует снижения разностной частоты и, как следствие, обужение полосы рабочих частот.
1
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип (фиг.3) (В.Н.Балакший, В.И.Парыгин Синтез апертуры в устройствах пространственного управления световым лучом. Квантовая электроника вып.7, №4 стр.829-834), содержащее последовательно по свету расположенные лазерный источник излучения 1 с длиной волны λ, коллиматор 2, дифракционную решетку 3, отклоняющую ячейку 4, вторую дифракционную решетку 5, интегрирующую линзу 6 и экран 7. Коллимированный пучок света попадает на первую дифракционную решетку 3, расположенную на расстоянии Z от отклоняющей ячейки 4. Падающая световая волна дифрагирует на дифракционной решетке 3 и через апертуру отклоняющей ячейки 4 проходит в виде дифракционных порядков света от разных участков волнового фронта падающей волны. Информация о разных участках волнового фронта будет содержаться в фокальной плоскости интегрирующей линзы 6 на экране 7 в пространственно разделенных дифракционных максимумах, каждый из которых будет по прежнему иметь ширину δх, определяемую выражением λх=λF/α, где α - апертура отклоняющей ячейки 4, F - фокусное расстояние интегрирующей линзы 6,
λ - длина волны света. Поэтому после отклоняющей ячейки 4 ставят вторую дифракционную решетку 5, которая восстанавливает исходное направление световых лучей. Интерференция световых волн, испытавших дифракцию на обеих решетках 5-6, дает на экране 7 световое пятно с увеличенным разрешением.
1
2
0
0
2
2
2
Если расстояние между решетками 3 и 5 Z+Z=2Р/λƒ , где Р -натуральное число, a ƒ - средняя частота радиосигнала, то все продифрагированные волны будут падать на интегрирующую линзу 6 синфазно, образуя единый волновой фронт. Без дифракционных решеток, когда глубина фазовой модуляции Δφ=0, распределение света представлено на кривой 1 фиг.4. При установке дифракционных решеток сканирующее световое пятно разбивается на ряд узких максимумов (кривые 2), расположенных эквидистантно с интервалом Δx=Fd/Z, где d - период решеток. Если расстояние Z=αd/λ, то в пределах контура кривой 1 останется только один центральный максимум с полушириной
0
и тогда выигрыш по разрешению будет равен R=δx/δx. При этом наибольший выигрыш можно получить при Δφ=π.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками предполагаемой полезной модели, являются расположенные последовательно по свету лазерный источник излучения с длиной волны λ, коллиматор, отклоняющая ячейка или акустооптический дефлектор со световой апертурой α в заявляемой полезной модели, интегрирующая линза с фокусным расстоянием F и две дифракционные решетки.
Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического решения, является то, что не с любой отклоняющей ячейкой такая схема может работать. Например, при использовании дифракции Брэгга, после первой дифракционной решетки из дифракционных
порядков света через отклоняющую ячейку пройдет только один порядок и тогда не будет реализован синтез апертур, который обеспечивает высокое частотное разрешение устройства.
Задачей, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель, является достижение синтеза апертур и простоты конструкции устройства анализа радиосигналов с высоким частотным разрешением.
1
1
Технический результат достигается за счет того, что дифракционные решетки выполнены как фазовые синусоидальные с одинаковым периодом штрихов d и расстоянием между решетками Z и установлены между акустооптическим дефлектором и интегрирующей линзой, а в фокальной плоскости интегрирующей линзы установлена линейка фотоприемников с периодом размещения фоточувствительных площадок, равном протяженности чувствительных площадок b, причем размер апертуры α акустооптического дефлектора, периоды d и b связаны условием n·bZ=Fd, где n берется как ближайшее целое от λF/bα, а глубина фазовой модуляции находится как
1
Для достижения технического результата в акустооптический измеритель параметров радиосигналов, содержащий последовательно по свету расположенные лазерный источник излучения с длиной волны λ, коллиматор, акустооптический дефлектор со световой апертурой α, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу с фокусным расстоянием F, а также две дифракционные решетки, которые выполнены как фазовые синусоидальные с одинаковым периодом штрихов d и расстоянием между решетками Z и установлены между акустооптическим дефлектором и интегрирующей линзой, а в фокальной плоскости интегрирующей линзы установлена линейка фотоприемников с периодом размещения фоточувствительных площадок, равном протяженности чувствительных площадок b, причем размер апертуры α акустооптического дефлектора,
1
периоды d и b связаны условием n·bZ=Fd, где n берется как ближайшее целое от λF/bα, а глубина фазовой модуляции находится как
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проведя 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 результатам рассмотрим принцип работы предлагаемого акустооптического измерителя параметров радиосигналов и сопоставим его работу с работой прототипа и аналогов.
Сущность предлагаемой полезной модели, а также работы заявляемого акустооптического измерителя параметров радиосигналов поясняется на фиг.5. Устройство имеет в своем составе лазерный источник излучения 1, коллиматор 2, акустооптический дефлектор 3, на вход которого подается измеряемый радиосигнал S(ƒ), две фазовые синусоидальные дифракционные решетки 4 и 5, интегрирующую линзу 6 и линейку фотоприемников 7.
Б
Предлагаемый акустооптический измеритель параметров радиосигналов работает следующим образом. Лазерное излучение источника излучения 1 коллимируется коллиматором 2 и под углом Брэгга θ направляется на переднюю грань акустооптического дефлектора 3, в котором дифрагирует на акустической волне, созданной в кристалле дефлектора измеряемым радиосигналом S(ƒ), поданном на вход преобразователя дефлектора. Дифрагированный световой пучок после дефлектора направляется на первую дифракционную решетку 4 и
разлагается ею на дифракционные порядки, которые второй дифракционной решеткой 5 восстанавливаются и по исходному направлению преобразуются интегрирующей линзой 6 в горизонтальной и вертикальной плоскостях для организации интерференции пучков в плоскости линейки фотоприемников 7, размеры линейных площадок которых согласованы с размером светового пятна, сформированного в их плоскости. Размер второй дифракционной решетки и расстояние между решетками должно быть такими, чтобы обеспечивать прохождение не менее девяти порядков дифракционного разложения после первой решетки, для обеспечения синтеза апертур с целью получения высокого частного разрешения в плоскости фотоприемников. Кроме того, расстояние между решетками должно быть таким, чтобы пространственный период синтезируемых максимумов был кратен периодичности расположения фотоприемников в линейке.
По материалам заявки изготовлен опытный образец акустооптического измерителя параметров радиосигналов с двумя фазовыми синусоидальными решетками, который был исследован. В результате экспериментальных исследований получено частотное разрешение, превышающее частотное разрешение применяемых в настоящее время акустооптических измерителей в 8 раз.