АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ

Предполагаемая полезная модель относится к акустооптическим измерителям параметров радиосигналов при различной ширине рабочих полос измеряемых частот и может быть использована в установках оптической обработки информации.
Известен «СВЧ - частотомер на основе акустооптического дефлектора с поверхностным возбуждением ультразвука» /авторов Роздобудько В.В. и Бакарюк Т.В., опублик. в ISSN 0021-3470. Радиоэлектроника. 2002 г. №6, стр. 51-54/, содержащий (фиг. 1) лазерный источник излучения с коллиматором 1, излучение которого направлено через левую грань на левый лепесток ультразвука, возбужденного в акустооптическом дефлекторе 2, измеряемым радиосигналом S(t) в виде двух, левого и правого, лепестков ультразвука, два плоских зеркала 3 и 4, которые переотражают непродифрагированное на акустической волне левого лепестка ультразвука акустооптического дефлектора лазерное излучение и направляют его на правый лепесток ультразвука дефлектора, имитируя таким образом второй лазерный источник излучения, две интегрирующие линзы 5 и 6, выполняющие Фурье-преобразования дифрагированных пучков лазерного излучения после дифракции их на левом и правом лепестках ультразвука соответственно, и двух линеек фотоприемников 7 и 8 (двух регистрирующих фотоприемных устройств с линейками фотоприемноков), установленных в плоскостях изображений интегрирующих линз 5 и 6 соответственно.
Признаками выбранного аналога, общими с заявляемым устройством, являются последовательно по свету установленные лазерный источник излучения с коллиматором, излучение которого направлено через левую грань акустооптического дефлектора на левый лепесток ультразвука, возбужденного измеряемым радиосигналом в акустооптическом дефлекторе, второй лазерный источник излучения в виде имитации с помощью переотражения непродифрагированного на левом лепестке ультразвука лазерного излучения с помощью двух плоских зеркал, которые направляют это излучение через правую грань на правый лепесток ультразвука акустооптического дефлектора (в заявляемом устройстве излучение от введенного в устройство второго лазерного источника излучения), две интегрирующие линзы, выполняющие Фурье-преобразование дифрагированных пучков света и две линейки фотоприемников, установленные в плоскостях изображений интегрирующих линз.
Причиной, препятствующей достижению аналогом требуемого технического результата, является наличие одного лазерного источника излучения с одной длиной волны излучения, что не позволяет расширить полосу рабочих частот измеряемого радиосигнала при использовании второго лепестка ультразвука акустооптического дефлектора, которая при применении таких схем обычно не превышает 500 МГц.
П1
П2
2
Σ
1
2
Известно устройство-аналог ”Широкополосный акустооптический измеритель параметров радиосигналов” (Фиг. 2) / Патент РФ №2367987 авторов Шибаева С.С., Новикова В.М., Роздобудько В.В., Дмитришина А.В., опубликован 20.09.2009 г. БИ №26 /, содержащий акустооптический дефлектор 2 с показателем преломления кристалла n и с противофазной системой преобразователей, имеющей электрический период d при протяженности L и скорости V ультразвука в двух его основных лепестках, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, а через левую рабочую грань акустооптического дефлектора под углом θ к ней на левый лепесток ультразвука подается излучение от первого лазерного источника излучения 1 с длиной волны λ1, которое после дифракции на акустической волне левого лепестка ультразвука направляется первой интегрирующей линзой 3 на первую линейку фотоприемников 4 (первое фотоприемное устройство с линейкой фотоприемников), установленную в плоскости изображения первой линзы, а через правую рабочую грань акустооптического дефлектора под углом θ к ней на правый лепесток ультразвука подается излучение, которое после дифракции на акустической волне правого лепестка ультразвука направляется второй интегрирующей линзой 6 на вторую линейку фотоприемников 7 (второе фотоприемное устройство с линейкой фотоприемников), установленную в плоскости изображения второй интегрирующей линзы, а излучение через правую грань на правый лепесток ультразвука акустооптического дефлектора подается от введенного в схему второго лазерного источника излучения 5 с длиной волны λ, при этом один акустооптический дефлектор с двумя лепестками ультразвука используется для двух оптических каналов, настроенных каждый на свой лепесток ультразвука, а суммарная полоса рабочих частот Δf связана с параметрами противофазной системы преобразователей d и L, длинами волн источников излучения λ и λ, скоростью ультразвука V, показателем преломления кристалла дефлектора n и параметром k выражением
,
где параметр k задает уровень неравномерности частотной характеристики.
Признаками выбранного аналога, общими с заявляемым устройством, являются последовательно по свету установленные лазерный источник излучения с коллиматором, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая оптическая система, регистрирующее фотоприемное устройство с линейкой фотоприемников, установленное в плоскости наилучшего изображения интегрирующей оптической системы. При этом один акустооптический дефлектор с двумя лепестками ультразвука используется для двух оптических каналов, настроенных каждый на свой лепесток ультразвука, а лазерные источники излучения имеют разные длины волн излучения, а длины волн излучения, суммарная полоса рабочих частот и параметры кристалла и противофазной системы преобразователей связаны между собой соответствующей формулой.
Причиной, препятствующей достижению аналогом требуемого технического результата, является наличие двух оптических систем, усложняющих конструкцию и требующую дополнительных усилий на наладку и юстировку, и специальных устройств для последующей стыковки результатов измерений в широкой полосе рабочих частот от двух регистрирующих фотоприемных устройств.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип ”Широкополосный акустооптический измеритель параметров радиосигналов” (Фиг. 3) / Патент РФ №119135 авторов Новикова В.М., Шибаева С.С, Роздобудько В.В., опубликован 10. 08. 2012 г. БИ №22 /, содержащий последовательно по свету установленные лазерный источник излучения 1, коллиматор 2, акустооптический дефлектор 3, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая оптическая система 4, регистрирующее фотоприемное устройство с линейкой фотопремников 5, установленной в плоскости изображения интегрирующей оптической системы. При этом, интегрирующая оптическая система установлена на минимальном расстоянии от выходной грани акустооптического дефлектора, что обеспечивает минимальную световую апертуру интегральной оптической системы, такую, при которой световой пучок нулевого порядка дифракции, выходящий также через выходную грань акустооптического лефлектора под углом Брэгга к ее поверхности, не попадал в рабочую зону световой апертуры интегрирующей оптической системы.
Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым устройством, являются последовательно по свету установленные лазерный источник излучения, коллиматор, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая оптическая система, регистрирующее фотоприемное устройство с линейкой фотоприемников, установленное в плоскости наилучшего изображения интегрирующей оптической системы. При этом интегрирующая оптическая система установлена на минимальном расстоянии от выходной грани акустооптического дефлектора, что обеспечивает минимальную рабочую световую апертуру интегрирующей оптической системы, такую, при которой световой пучок нулевого порядка дифракции, выходящий также через выходную грань акустооптического дефлектора под углом Брэгга к ее поверхности, не попадал в рабочую зону световой апертуры интегрирующей оптической системы.
В основу принципа работы прототипа положено явление дифракции Брэгга излучения лазера на акустической волне, которая возбуждается в светозвукопроводе из оптического кристалла акустооптического дефлектора измеряемым радиосигналом с помощью пьезопреобразователя.
min
min
min
Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является наличие расстояния R между интегрирующей оптической системой и выходной гранью акустооптического дефлектора, а вернее и его плоскостью дифракции, которая проходит по оси светозвукопровода. Это приводит к тому, что рабочая зона световой апертуры интегрирующей оптической системы Y все еще существенна (Фиг. 3), так как на оптическую систему падает расходящийся дифрагированный пучок света. Уменьшению расстояния R мешает выходящий из дефлектора параллельный пучок света нулевой дифракции, который не должен попадать в рабочую световую апертуру интегрирующей оптической системы. Эти причины приводят к наличию остаточных аберраций в изображении светового пятна, сформированного интегрирующей оптической системой на линейке фотопремников, которое будет изменять свой геометрический размер при перемещении по линейке фотоприемников от центра к ее краю.
Задачей, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель, является достижение минимально возможных аберраций в изображении светового пятна, сформированного интегрирующей оптической системой на линейке фотоприемников и сканирующего без изменения своих геометрических размеров по линейке в зависимости от изменения измеряемой частоты радиосигнала для рабочих полос частоты Δf различной ширины.
Технический результат в предполагаемой полезной модели достигается за счет того, что интегрирующая оптическая система изготовлена в качестве выходной грани светозвукопровода акустооптического дефлектора, а световое пятно параллельного пучка нулевого порядка дифракции формируется интегрирующей оптической системой вне линейки фотопремников.
Для достижения технического результата в акустооптическом измерителе параметров радиосигналов, состоящим из последовательно по свету расположенных лазерного источника излучения, коллиматора, акустооптического дефлектора, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующей оптической системы, регистрирующего фотоприемного устройства с линейкой фотоприемников, установленной в плоскости наилучшего изображения интегрирующей оптической системы, при этом интегрирующая оптическая система изготовлена в качестве выходной грани светозвукопровода акустооптического дефлектора, а световое пятно пучка нулевого порядка дифракции, выходящее также через выходную грань светозвукопровода, формируется интегрирующей оптической системой вне линейки фотоприемников.
Сравнивая предполагаемую полезную модель с прототипом, видно, что она содержит новые признаки, т е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, видно, что предполагаемая модель соответствует критерию ”существенные отличия”, так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявленными и достигаемыми техническими результатами заключается в расчетах указанных выше размеров расстояня от интегрирующей оптической системы до плоскости дифракции светового пучка на акустической волне в акустооптическом дефлекторе, величины рабочей зоны световой апертуры на выходной поверхности интегрирующей оптической системы при угловом сканировании дифрагированного пучка света, а также величин поперечных сферических аберраций в изображении светового пятна, сформированного интегрирующей оптической системой на линейке фотоприемников.
min
Для расчетов используем три величины ширины рабочих частотных полос акустооптических измерителей Δf: 200, 500 и 1200 МГц. Углы сканирования θ для указанных полос соответственно равны 2.13; 5.23 и 13.5 угловых градусов. Фокусные расстояния F интегрирующей оптической системы для указанных полос равны соответственно 273, 105 и 60 мм. В типовых акустооптических измерителях параметров радиосигналов с учетом конструкции R=45 мм, в прототипе это расстояние удалось уменьшить до 15 мм, а в предполагаемой полезной моделе - до 5 мм. Ширина пучка излучения лазера h=4 мм. Ширина светозвукопровода акустооптического дефлектора 10 мм, а плоскость дифракции находится в центре этого размера. Полученные расчетом указанные размеры и расчитанные величины поперечных аберраций ρ сведены в таблицу, состоящую из трех частей. В первой части представлены данные для типового измерителя, во второй - данные для прототипа, а в третьей - для предполагаемой полезной модели.
Сравнивая полученные величины, видим, что в предполагаемой полезной моделе эти величины наименьшие, а для широких рабочих полос величина поперечных сферических аберраций уменьшается на порядок.
Таблица
Типовой измеритель
NN пп
Δf, МГц
h, мм
θ, угл. град.
F, мм
R<sub>min</sub>, ММ
y<sub>min</sub>=R<sub>min</sub>sinθ+h мм
ρ=1,1(y<sub>min</sub>/2)<sup>3</sup>/F<sup>2 </sup>мм
1
200
4
2,13
273
45
5,64
0,00033
2
500
4
5,23
105
45
8,04
0,00648
3
1200
4
13,5
60
45
14,43
0,11467
Измеритель-прототип
1
200
4
2,13
273
15
4,54
0,00017
2
500
4
5,23
105
5,34
0,00190
3
1200
4
13,5
60
15
7,47
0,01589
Измеритель-полезная модель
1
200
4
2,13
273
5
4,18
0,00013
2
500
4
5,23
105
5
4,44
0,00109
3
1200
4
13,5
60
5
5,15
0,00520
min
min
Б
Таким образом, в предполагаемой полезной модели акустооптического измерителя параметров радиосигналов установка интегрирующей оптической системы вместо выходной грани акустооптического дефлектора приводит к сокращению габаритов измерителя (расстояние R уменьшается с 45 мм до 5 мм), к уменьшению размера рабочей зоны световой апертуры Y интегрирующей оптической системы и к ее работе в узких пучках при измерениях в широких рабочих полосах частот и к уменьшению поперечных аберраций в изображении светового пятна, сформированного интегрирующей оптической системой на линейке фотоприемников, и сохранению размеров пятна при перемещении по линейке в процессе измерений, а в конечном счете, к увеличению точности измерений параметров радиосигналов. Световое пятно параллельного пучка нулевого порядка дифракции, также выходящего через выходную грань светозвукопровода, формируется интегрирующей оптической системой вне линейки фотоприемников, так как угол Брэгга θ больше угла дифракции θ.
Сущность предполагаемой полезной модели, а также работа заявляемого устройства поясняется схемой на фиг. 4.
Б
Заявляемое устройство содержит последовательно по свету установленные лазерный источник излучения 1, коллиматор 2, акустооптический дефлектор 3, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал S(t), интегрирующую оптическую систему 3, регистрирующее фотоприемное устройство с линейкой фотоприемников 4, установленное в плоскости наилучшего изображения интегрирующей оптической системы. Излучение лазерного источника направляется на входную грань светозвукопровода под углом Брэгга θ к ней, формируется коллиматором на акустической волне светозвукопровода акустооптического дефлектора, возбуждаемой измеряемым радиосигналом с помощью пьезопреобразователя, дифрагирует на ней, в результате чего отклоняется на угол дифракции θ, пропорциональный частоте измеряемого радиосигнала, а далее формируется интегрирующей оптической системой в световое пятно заданного размера на линейке фотоприемников, которое сканирует по линейке также пропорционально измеряемой частоте.. Координата перемещения светового пятна по линейке фотоприемников определяет измеряемую частоту радиосигнала, а размер светового пятна определяет точность измерения частоты. При этом интегрирующая оптическая система изготовдена в качестве выходной грани светозвукопровода акустооптического дефлектора, и одновременно в качестве выходной поверхности интегрирующей оптической системы. Такое решение сокращает до минимально возможного расстояние между интегрирующей оптической системой и плоскостью дифракции света на акустической волне, уменьшает размер рабочей световой апертуры на выходной поверхности интегрирующей оптической системы, уменьшает аберрации в изображении светового пятна, сформированного интегрирующей оптической системой на линейке фотоприемников и сохраняет постоянным размер светового пятна при перемещении по линейке, тем самым повышает точность измерения параметров измеряемых радиосигналов. При этом световое пятно параллельного пучка света нулевого порядка дифракции выходящего также через выходную грань светозвукопровода, формируется интегрирующей оптической системой вне линейки фотоприемников, так как угол Брэгга больше угла дифракции. Совмещение интегрирующей оптической системы с выходной гранью светозвукопровода акустооптического дефлектора позволяет сократить габариты всей оптической системы и самого акустооптического измерителя.
Изготовить цилиндрическую поверхность в качестве выходной грани на светозвукопроводе акустооптического дефлектора технологически не вызывает никаких трудностей - ее можно изготовить на специальном станке для производства цилиндрической оптики.