ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ

Предлагаемая полезная модель относится к акустооптическим измерителям параметров радиосигналов в широкой полосе частот и может быть использована в установках оптической обработки информации.
Известен акустооптический спектроанализатор (фиг.1) /авт. свид. №1250978 от 20.04.1984 г. автор Елисеев А.И. опубликован 15.08.1986 г. БИ №30/, содержащий лазерный источник излучения 1, коллиматор 2, преобразующую линзу 3, акустооптические модуляторы с преобразователями 4, 5, 7, 8, сферические линзы 6, 9, фокальную диафрагму 10, цилиндрическую линзу 11 и двумерный фотоприемник 12 (регистрирующее фотоприемное устройство с двумя линейками фотоприемников), а также генератор синусоидальных сигналов 13 и генератор линейных частотно-модулированных (ЛЧМ) - сигналов 14. В устройстве требуется обеспечение специального положения и ориентация акустооптических генераторов при определенном соотношении длин звукопроводов модуляторов, что позволяет в несколько раз увеличить число элементов разрешения по частоте и соответственно увеличить диапазон анализируемых частот анализатора при определенном алгоритме работы устройства.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемой полезной модели, являются: наличие последовательно по свету расположенных лазерного источника излучения, коллиматора, акустооптических модуляторов (акустооптического дефлектора в заявляемой модели), цилиндрической линзы (интегрирующей оптической системы в заявляемой полезной модели) и фотоприемника.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического решения, является то, что в устройстве используется двумерная организация структуры анализатора и двумерный фотоприемник, что усложняет конструкцию и обработку полученного с двумерного фотоприемника результирующего сигнала.
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.2) лазерный источник излучения 1, излучение которого направлено через левую грань на левый лепесток ультразвука, возбужденного в акустооптическом дефлекторе 2, измеряемым радиосигналом S(t) в 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, 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
1
П2
2
∑
1
2
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип "Широкополосный акустооптический измеритель параметров радиосигналов" (Фиг.3) /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 c 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 λ, 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 прототипа, 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.
В основу принципа работы прототипа положено явление дифракции Брэгга излучения лазера на акустической волне акустооптического дефлектора, которая возбуждается в виде двух лепестков ультразвука, распространяющихся под углами φ к нормали поверхности преобразователя, расположенного на одной из граней акустооптического дефлектора, при подаче на его электрический вход измеряемого радиосигнала. Типовые измерители параметров радиосигналов обычно работают на одном лепестке ультразвука акустооптического дефлектора, используя таким образом только половину ультразвуковой мощности.
Причиной, препятствующей достижению прототипом 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.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является достижение широкой полосы измеряемых рабочих частот акустооптического измерителя параметров радиосигналов при наличии одного источника лазерного излучения с одной длиной волны излучения при одной оптической системе формирования световых пятен взаимодействия оптического излучения с акустической волной ультразвука и в плоскости регистрирующего фотоприемного устройства.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигается за счет того, что интегрирующая оптическая система установлена на минимальном расстоянии от выходной грани акустооптического дефлектора и имеет минимальную световую апертуру, 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.
Для достижения технического результата в широкополосном акустооптическом измерителе параметров радиосигналов, состоящим из последовательно по свету расположенных лазерного источника излучения с коллиматором, 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 установлена на минимальном расстоянии от выходной грани акустооптического дефлектора и имеет минимальную световую апертуру, такую, чтобы световой пучок нулевого порядка дифракции, выходящий через выходную грань акустооптического дефлектора под углом Брэгга к ее поверхности, не попадал в рабочую зону световой апертуры интегрирующей оптической системы.
Сравнивая предлагаемую полезную модель с прототипом, видно, что она содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, видно, что предлагаемая полезная модель соответствует критерию ″существенные отличия″, так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.
Перечень фигур: на фиг.1 изображена оптическая схема первого аналога предлагаемой модели - широкополосный акустооптический спектроанализатор; на фиг.2 изображена оптическая схема второго аналога - СВЧ частотомера на основе акустооптического дефлектора с поверхностным возбуждением ультразвука; на фиг.3 изображена оптическая схема прототипа - широкополосного акустооптического измерителя параметров радиосигналов; на фиг.4 изображена оптическая схема типового акустооптического измерителя параметров радиосигналов, работающего в полосе рабочих частот Δf=500 МГц, на безе которого проведены поясняющие расчеты для доказательства преимущества предлагаемой полезной модели, построенной по такому же типу, но с новыми размещениями двух элементов оптической схемы; на фиг.5 изображена оптическая схема предлагаемой полезной модели широкополосного акустооптического измерителя параметров радиосигналов.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в расчете основных параметров акустооптического измерителя с расширенной рабочей полосой частот радиосигналов, превышающей в три раза рабочую полосу измеряемых частот при использовании простейшей конструкции типового измерителя.
Сущность предлагаемой полезной модели, а также работа заявляемого устройства поясняется схемой заявляемого устройства, изображенного на фиг.5.
ск
min
Б
min
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 4, регистрирующее фотоприемное устройство с линейкой фотоприемников 5. Излучение лазера 1 формируется коллиматором 2 на акустической волне в кристалле акустооптического дефлектора 3, возбуждаемой при подаче на электрический вход акустооптического дефлектора измеряемого радиосигнала S(t), а дифрагированный на акустической волне световой пучок на выходе из акустооптического дефлектора 3 сканирует на угол θ, пропорциональный широкой полосе измеряемых частот Δf радиосигнала. Интегрирующаяая оптическая система 4 фокусирует дифрагированный световой пучок в пятно заданного размера на линейку фотоприемников регистрирующего фотоприемного устройства 5. Интегрирующая оптическая система 4 устанавливается на минимальном расстоянии R от выходной грани акустооптического дефлектора 3, таком, при котором световой пучок нулевого порядка дифракции 0, выходящий также через выходную грань акустооптического дефлектора 3 под углом Брэгга θ к ней, не попадал в рабочую зону световой апертуры Y интегрирующей оптической системы 4, что позволяет уменьшить размер световой апертуры сомой интегрирующей оптической системы 4 и таким образом уменьшить величину поперечной сферической аберрации интегрирующей оптической системы 4 для крайних световых пучков, формирующих световые пятна на краях линейки фотоприемников регистрирующего фотоприемного устройства 5. В результате световое пятно сохраняет свой заданный размер при сканировании по линейке фотоприемников и это позволяет при измерении параметров радиосигналов в расширенной полосе рабочих частот сохранять одинаковую точность во всем частотном диапазоне измерений.
зв
В типовом акустооптическом измерителе параметров радиосигналов расположение интегрирующей оптической системы относительно акустооптического дефлектора определяется конструкцией держателей акустооптического дефлектора и интегрирующей оптической системы, и не является критичным. Это расстояние порядка R=40 мм. Для полосы рабочих частот Δf=500 МГц типового акустооптического измерителя угол сканирования дифрагированного пучка лучей на выходе из дефлектора при длине волны лазерного излучения λ=0,65 мкм, скорости звука V=3590 м/с определяется как
cк 500
зв
θ=λ·Δf/V=0,0905 рад. или 5,2 угловых градуса.
Чтобы организовать сканирование сфокусированного интегрирующей оптической системой светового пятна по линейке фотоприемников в плоскости регистрирующего фотоприемного устройства, имеющей длину L=10 мм, рассчитаем фокусное расстояние интегрирующей оптической системы
ск 500
ск 500
F=L/θ=110 мм.
При угловом сканировании дифрагированного луча из выходной грани акустооптического дефлектора зона засвечивания на передней поверхности интегрирующей оптической системы имеет размер
500
ск 500
Y=40·θ=3,62 мм,
т.е. крайний световой луч при угловом сканировании будет пересекаться с первой поверхностью интегрирующей оптической системы на расстоянии 1,81 мм от оптической оси. И если сфокусированное световое пятно в плоскости линейки фотоприемников на оптической оси не будет иметь аберраций, то на краях линейки размер светового пятна характеризуется радиусом кружка рассеяния - поперечной сферической аберрацией, который для плоско-выпуклой линзы определяется как
500
500
ск 500
3
2
ρ=1,1·(Y/2)/(F)=0,00054 мм.
Следовательно, на краю линейки фотоприемников размер светового пятна будет практически мало отличаться от размера пятна на оптической оси.
Для широкой рабочей полосы измерителя Δf=1500 МГц проведем такой же расчет. Угол сканирования
ск 1500
зв
θ=λ·Δf/V=0,2715 рад. или 15,68 угловых градуса.
Фокусное расстояние интегрирующей оптической системы для такой же линейки фотоприемников
ск 1500
ск 1500
F=L/θ=36,8 мм.
Зона засвечивания сканирующим световым пятном на передней поверхности интегрирующей оптической системы
1500
ск 1500
Y=40·θ=10,86 мм.
1500
И тогда радиус кружка рассеяния при поперечной сферической аберрации для луча, удаленного от оптической оси на расстояние Y/2
1500
1500
ск 1500
3
2
ρ=1,1·(Y/2)/(F)=0,1298 мм.
Размер мгновенного светового пятна в плоскости линейки фотоприемников на оптической оси при расходимости лазерного луча 0,00116 рад. из паспорта на лазерный модуль
ск 1500
d=F·0,00116=0,0426 мм.
2
Видно, что при полосе рабочих частот Δf=1500 МГц размер светового пятна в плоскости линейки фотоприемников для точки на оси будет 42 мкм, а на краю линейки 258 мкм. При размере чувствительной площадки элемента линейки 10×10 мкм в центре линейки пятно засветит 4 элемента, а на краю - почти 26 элементов. Это приводит к неодинаковым условиям измерений параметров радиосигналов, что скажется на точности измерений.
Чтобы уменьшить сферическую поперечную аберрацию при работе измерителя при расширенной полосе рабочих частот необходимо использовать компенсационную схему в интегрирующей оптической системе. Расчет показывает, чтобы сохранить размер светового пятна на краю линейки фотоприемников в пределах допуска, который получается в измерителе для полосы рабочих частот 500 МГц, потребуется дополнить оптическую схему интегрирующей оптической системы еще тремя дополнительными оптическими поверхностями, что усложнит конструкцию интегрирующей оптической системы.
Технический результат в предлагаемой полезной моделе достигается за счет того, что интегральная оптическая система, рассчитанная для широкополосного акустооптического измерителя параметров радиосигналов, устанавливается на минимальном расстоянии от выходной грани акустооптического дефлектора, с целью уменьшить размах зоны засвечивания на первой поверхности интегрирующей оптической системы, т.е. уменьшить световую апертуру оптической системы. Уменьшение этого расстояния ограничивается условием не попадания в зону световой апертуры интегрирующей оптической системы дифрагированного нулевого пучка лучей, также выходящего из выходной грани акустооптического дефлектора. В нашем случае это приведет к уменьшению расстояния 40 мм до 15 мм. Проведем расчет для такого случая.
Зона засвечивания на передней поверхности интегрирующей оптической системы будет иметь размер
1500/15
Y=15·0,2715=4 мм (сравнить с 10,86 мм).
Радиус кружка рассеяния на краю линейки фотоприемников
1500.15
1500/15
1500
3
2
ρ=1,1·(Y/2)/(F)=0,0064 мм (сравнить с 0,129 мм).
Таким образом, в предлагаемой полезной моделе широкополосного акустооптического измерителя параметров радиосигналов установка интегрирующей оптической системы на минимальном расстоянии от выходной грани акустооптического дефлектора позволяет использовать одноканальную оптическую систему для измерения параметров радиосигналов в широком диапазоне рабочих частот, в три раза более широком, чем у типовых измерителей.
min
Выполнить конструктивно такое решение возможно без больших затрат. Достаточно переделать держатели акустооптического дефлектора и интегрирующей оптической системы, которые должны иметь механизмы крепления к общему основанию, размещенные в держателях на противоположных сторонах от этого минимального расстояния R.