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 СВЧ-радиосигналов (Белокурова О.И., Петрунькина В.Ю., Щербакова О.В. А.С. №1354128, опубликовано 23.11.1987 г. в бюллетене №43), в состав которого входят последовательно по свету включенные лазер 1, коллиматор 2, образующий оптический каскад перехода от лазерного пучка к плоской световой волне заданной апертуры, АО дефлектор 3, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу 4, осуществляющую Фурье-преобразование, в фокальной плоскости которой расположено регистрирующее устройство 5.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предполагаемой полезной модели, являются последовательно включенные по свету лазер, коллиматор, АО дефлектор, интегрирующая линза (оптическая система в заявляемом устройстве) и регистрирующее устройство.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является ограниченная величина фокусного расстояния одиночной интегрирующей линзы при неизменных габаритах системы.
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., опубликованный 27.11.99 г. в бюллетене №33, который содержит последовательно по свету расположенные источник лазерного излучения 1 с амплитудным модулятором и первым источником модулирующего напряжения, коллиматор 2 и АО дефлектор 3 с интегрирующей линзой 4, второй источник
модулирующего напряжения, нагруженный на позиционно-чувствительный фотоприемник 5 с набором усилителей разностной частоты (см. фиг.2).
Признаками аналога, совпадающими с признаками предполагаемой полезной модели, являются последовательно включенные по свету источник лазерного излучения, коллиматор, АО дефлектор, интегрирующая линза (оптическая система в заявляемом устройстве) и позиционно-чувствительный фотоприемник (регистрирующее устройство в заявляемом устройстве).
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является ограниченная величина фокусного расстояния одиночной Фурье-линзы при неизменных габаритах системы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство - прототип: акустооптический 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).
Устройство-прототип (см. фиг.3) содержит в своем составе последовательно по свету расположенные лазер 1, коллиматор 2, АО дефлектор 3, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу 4 и регистрирующее устройство 5.
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 (оптическая система в заявляемом устройстве) и регистрирующее устройство.
Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является ограниченная величина фокусного расстояния одиночной интегрирующей линзы при неизменных габаритах системы.
Первостепенной задачей при выборе интегрирующей оптической
системы в схеме измерителя параметров радиосигналов является согласование линейных размеров многоэлементного регистрирующего устройства в плоскости дифракции с рабочим диапазоном частот. При этом размеры многоэлементного регистрирующего устройства (количество задействованных его элементов) определяют точность измерения частоты радиосигналов, для увеличения которой необходимо применение регистрирующего устройства с большим количеством элементов, что в свою очередь требует увеличения фокусного расстояния одиночной интегрирующей линзы (однокомпонентной оптической системы), которое определяет габариты всей системы. Так что в такой схеме необходимость достижения требуемой компактности измерителя накладывает ограничения на величину точности измерения частоты.
Задачей, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель, является снятие ограничений на величину фокусного расстояния оптической системы при сохранении компактности акустооптического измерителя параметров радиосигналов.
F
F
F
F
F
F
d
2d
экв
1
2
экв
1
2
Технический результат достигается тем, что по направлению дифрагированного лазерного излучения между акустооптическим дефлектором и регистрирующим устройством вместо однокомпонентной интегрирующей оптической системы включена двухкомпонентная оптическая система, характеризуемая эквивалентным фокусом  и состоящая из последовательно по свету расположенных на расстоянии d друг от друга положительной линзы с фокусом  и отрицательной линзы с фокусом , причем величины , ,  и  связаны соотношениями:  а регистрирующее устройство расположено относительно положительной линзы на расстоянии, равном .
Для достижения технического результата в акустооптическом измерителе параметров радиосигналов, содержащем последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический
F
d
F
F
F
F
F
d
2d
F
F
d
экв
1
2
экв
1
2
экв
1
2
вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую оптическую систему и регистрирующее устройство, по направлению дифрагированного лазерного излучения между АО дефлектором и регистрирующим устройством вместо однокомпонентной интегрирующей оптической системы включена двухкомпонентная оптическая система, характеризуемая эквивалентным фокусом  и состоящая из последовательно по свету расположенных на расстоянии  друг от друга положительной линзы с фокусом  и отрицательной линзы с фокусом , причем величины , ,  и  связаны соотношениями: , а регистрирующее устройство расположено относительно положительной линзы на расстоянии, равном , где F - эквивалентный фокус оптической системы,  - фокус положительной линзы,  - фокус отрицательной линзы,  - расстояние между положительной и отрицательной линзами.
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, коллиматор 2, АО дефлектор 3, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, двухкомпонентную интегрирующую оптическую систему, состоящую из положительной линзы 4
1
2
0
d
F
с фокусным расстоянием F и расположенной на расстоянии  от нее отрицательной линзы 5 с фокусным расстоянием , установленную между АО дефлектором 3 и регистрирующим устройством 6, которое расположено относительно положительной линзы 4 на расстоянии Z.
F
=F
F
/(F
+F
-d).
Z
=F
-F
(F
/F
+F
/F
-2)
экв
1
2
1
2
0
1
2
экв
1
1
экв
Из геометрической теории оптических систем известно, что эквивалентное фокусное расстояние двухкомпонентной оптической системы определяется соотношением  При этом изображение такой системой строится на гораздо меньшем, чем у одиночной линзы с таким же фокусом, расстоянии и, если отсчитывать это расстояние от положительной линзы 4 до регистрирующего устройства 6, то оно определится выражением .
(Z
/d)
F
F
F
δ(Z
/d)/δ(F
)=0
0
1
2
1,
0
1
Графики зависимости безразмерной величины  от фокусного расстояния  при различных  представлены на фиг.5, из которой видно, что кривые имеют минимум, равный двум при некотором (оптимальном) значении  которое можно определить из условия : . Для этого оптимального случая, когда измеритель имеет максимальную компактность, можно получить выражение для расстояния между линзами 4 и 5: .
Предлагаемый акустооптический измеритель параметров радиосигналов работает следующим образом. Измеряемый радиосигнал поступает на вход АО дефлектора 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 светозвукопроводе. В результате акустооптического взаимодействия, согласно известным законам дифракции, на выходе АО дефлектора 3 дифрагированный пучок отклоняется от прошедшего на определенный угол.
F
F
F
=LV/λ
Δf
L
V
λ
Δf
2d
F
F
d
1
2
экв
0
0
экв
экв
Этот угол изменяется при изменении частоты поданного на АО дефлектор 3 радиосигнала. В рабочем диапазоне частот дифрагированный пучок сканирует по углу и перекрывает заданную область на регистрирующем устройстве 6. Согласование перемещения дифрагированного пучка при угловом сканировании на выходе из АО дефлектора 3 с заданной областью на регистрирующем устройстве 6 обеспечивается двухкомпонентной оптической системой, состоящей из положительной линзы 4 с фокусным расстоянием  и отрицательной линзы 5 с фокусным расстоянием . За счет включения между АО дефлектором 3 и регистрирующим устройством 6 такой двухкомпонентной системы с общим (эквивалентным) фокусным расстоянием  ( - протяженность активной области регистрирующего устройства,  - скорость ультразвука в кристалле АО дефлектора,  - долина волны излучения лазера, -полоса рабочих частот АО измерителя), фокусом положительной линзы  и расстоянием между компонентами  происходит сокращение габаритов АО измерителя, определяемых расстоянием () от линзы 4 до регистрирующего устройства 6, которое по сравнению со схемой измерителя, содержащего однокомпонентную интегрирующую оптическую систему с фокусом равным , сокращается в 0,5/ раз. Информация о распределении интенсивности излучения на регистрирующем устройстве выводится для последующей обработки (см. фиг.4).
Δf
L
V
λ
F
LV/λ
Δf=546
F
0
экв
0
экв
Рассмотрим пример. Допустим, для достижения заданной точности измерения частоты в полосе =500 МГц требуется регистрирующее устройство с размерами фотоприемников (в плоскости дифракции) 10 мкм и количеством 5000, так что =50 мм. При использовании АО дефлектора с =3590 м/с и лазера с =657 нм получаем, что оптическая система должна иметь фокусное расстояние = мм. По известному , задаваясь фокусом отрицательной линзы двухкомпонентной системы
F
2
=-20 мм, находим, что фокус положительной линзы равен  мм, а расстояние между линзами  мм.
F
d
экв
Для приведенного примера при использовании двухкомпонентной интегрирующей оптической системы расстояние между оптической системой и регистрирующим устройством получается в 0,5/=3,16 раза меньше, чем при использовании однокомпонентной интегрирующей оптической системы.
Таким образом, схема предлагаемого акустооптического измерителя параметров радиосигналов с двухкомпонентной интегрирующей оптической системой, установленной между АО дефлектором и регистрирующим устройством, обеспечивает лучшую компактность при той же точности измерения частоты или напротив, лучшую точность измерения частоты при той же компактности, чем схема акустооптического измерителя параметров радиосигналов с однокомпонентной интегрирующей оптической системой.