АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ С ПОВЫШЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ
ACOUSTO-OPTICAL DEVICE FOR MEASURING PARAMETERS OF RADIO SIGNALS WITH HIGH RESOLUTION

Предлагаемое изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве измерителя параметров радиосигналов в широкополосных системах связи, радиолокации и пеленгации.
Известен акустооптический (АО) анализатор спектра с пространственным интегрированием (опубликованный в книге: Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени / О.Б. Гусев, C.B. Кулаков, Б.П. Разживин, Д.В. Тигин: под ред. Кулакова C.B. - М.: Радио и связь, 1989, с. 48), в состав которого входят последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, Фурье-линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкая разрешающая способность, ограниченная апертурой лазерного пучка вдоль направления распространения звуковой волны.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, Фурье-линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.
Известен акустооптический анализатор спектра СВЧ-радиосигналов (Белокурова О.И., Петрунъкина В.Ю., Щербакова А.С. №1354128, опубл. 23.11.1987 г. в бюллетене №43), который содержит в своем составе последовательно по свету включенные лазер, конденсор, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, осуществляющую Фурье-преобразование, в фокальной плоскости которой расположено регистрирующее устройство.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкая разрешающая способность, ограниченная апертурой лазерного пучка вдоль направления распространения звуковой волны.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, Фурье-линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство-прототип: акустооптический измеритель параметров радиосигналов (Пелипенко М.И., Новиков В.М., Шибаев С.С., Роздобудько В.В. №2006140818/22, опубл. 10.11.2007, бюл. №31).
Устройство-прототип (см. фиг. 1) содержит в своем составе последовательно по свету включенные лазер 1, коллиматор 2, АО дефлектор 3, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу 4, в фокальной плоскости которой расположено регистрирующее устройство 6, и цилиндрическую линзу 5, расположенную между интегрирующей линзой и линейкой фотоприемников, выполняющую согласование апертуры дифрагированного излучения с размером линейки фотоприемников в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции.
Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза, в фокальной плоскости которой расположено регистрирующее устройство, цилиндрическая линза, расположенная между интегрирующей линзой и линейкой фотоприемников, выполняющая согласование апертуры дифрагированного излучения с размером линейки фотоприемников в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции.
Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является низкая разрешающая способность, ограниченная апертурой лазерного излучения вдоль направления распространения акустического пучка.
0
0
0
Разрешающая способность акустооптических измерителей определяется отношением углового диапазона сканирования дифрагированного излучения Δθ к расходимости лазерного излучения на выходе акустооптического дефлектора Δφ, где Δθ=λΔf/v (λ - длина волны света, Δf - полоса рабочих частот АОД, v - скорость звука в светозвукопроводе АОД), a Δφ=k·λ/D (D - световая апертура, а k - постоянная величина, зависящая от уровня мощности, по которому определяется световая расходимость исходного светового пучка, и от формы пространственного распределения его амплитуды). В итоге, разрешение измерителя определяется соотношением Ν=Δθ/Δφ=k·Δf·D/v, из которого видно, что для заданной полосы анализа измерителя разрешение ограничивается величиной D, увеличение которой ведет к снижению быстродействия акустооптического измерителя.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение разрешающей способности акустооптического измерителя параметров радиосигналов.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в том, что на пути дифрагированных пучков между АО дефлектором и интегрирующей линзой помещается призма из светопрозрачного однородного материала с нормальной дисперсией, причем основание призмы параллельно плоскости АО взаимодействия, а угол падения дифрагированных пучков на входную грань призмы и ее преломляющий угол являются максимально возможными, при условии отсутствия на выходной грани призмы полного внутреннего отражения световых пучков во всем рабочем диапазоне частот АО измерителя.
Для достижения технического результата в акустооптическом измерителе параметров радиосигналов, состоящем из последовательно по свету включенных лазера, коллиматора, АО дефлектора, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующей линзы, в фокальной плоскости которой расположено регистрирующее устройством цилиндрической линзы, расположенной между интегрирующей линзой и линейкой фотоприемников, выполняющей согласование апертуры дифрагированного излучения с размером линейки фотоприемников в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции, на пути дифрагированных пучков между АО дефлектором и интегрирующей линзой помещается призма из светопрозрачного однородного материала с нормальной дисперсией, причем основание призмы параллельно плоскости АО взаимодействия, а угол падения дифрагированных пучков на входную грань призмы и ее преломляющий угол являются максимально возможными, при условии отсутствия на выходной грани призмы полного внутреннего отражения световых пучков во всем рабочем диапазоне частот АО измерителя.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию «новизна». 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.
Сущность изобретения, а также его работа поясняется схемой, приведенной на фиг. 2. Устройство в своем составе имеет последовательно по свету расположенные лазер 1, генерирующий когерентное оптическое излучение, коллиматор 2, формирующий на светозвукопроводе требуемую конфигурацию лазерного излучения, АО дефлектор 3, осуществляющий преобразование спектра измеряемого радиосигнала, который подается на СВЧ-вход дефлектора, в пространственный спектр, диспергирующую призму 7, выполняющую увеличение выходного пространственного спектра, интегрирующую линзу 4, согласующую перемещение дифрагированного луча при угловом сканировании на выходе из АО дефлектора с заданной областью на линейке фотоприемников, цилиндрическую линзу 5, выполняющую согласование апертуры дифрагированного излучения с размером линейки фотоприемников в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции, и линейку фотоприемников 6, осуществляющую регистрацию пространственного спектра в фокальной плоскости интегрирующей линзы.
1
1
1
2
1
2
Предлагаемый акустооптический измеритель параметров радиосигналов работает следующим образом. Измеряемый радиосигнал подается на вход измерителя и поступает в АО дефлектор 3 (см. фиг. 2), 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 АО дефлектора 3. В результате акустооптического взаимодействия, согласно известным законам дифракции, на выходе АО дефлектора 3 дифрагированный луч отклоняется от прошедшего на определенный угол, причем частота дифрагированного излучения будет сдвинута, согласно эффекту Доплера на величину, равную частоте акустических колебаний f, относительно частоты исходного лазерного излучения v, знак частотного сдвига определяется тем, сонаправлены (+f) или противоположно направлены (-f) волновой вектор звуковой волны и проекция на него волнового вектора падающего лазерного излучения, следовательно, частота дифрагированного лазерного излучения будет равна v±f, соответственно, будет меняться и длина волны лазерного излучения от λ=c/(v±f) до λ=c/(v±f), где с - скорость света в свободном пространстве, f, f - нижняя и верхняя частоты рабочего диапазона, выбор знака соответствует используемому порядку дифракции +1 или -1.
Угол дифракции изменяется при изменении частоты поданного на АО дефлектор радиосигнала. В рабочем диапазоне частот дифрагированный луч сканирует по углу и перекрывает заданную область на линейке фотоприемников. Согласование перемещения дифрагированного луча при угловом сканировании, на выходе из АО дефлектора, с заданной областью на линейке обеспечивается интегрирующей линзой. Цилиндрическая линза, расположенная непосредственно перед линейкой фотоприемников, выполняет согласование апертуры дифрагированного пучка с размером линейки в плоскости, перпендикулярной плоскости дифракции, с целью увеличения чувствительности измерителя.
Анализ показывает, что при прохождении дифрагировавшего луча через призму угол между нормалью к выходной грани призмы и выходящим лучом будет равен:
φ(а)=arcsin{n(sin(A)cos(arcsin(sin(a)/n))-cos(A)sin(a))},
где а - угол между нормалью к входной грани и падающим лучом, А - преломляющий угол призмы, n - показатель преломления призмы.
При наличии дисперсии показатель преломления n будет зависеть от длины волны лазерного излучения, а значит и от частоты подаваемого на вход АОД радиосигнала f.
1
λ
1
λ
2
1
1
2
1
2
Предполагая, что для изготовления призмы выбирается среда с нормальной линейной дисперсией, т.е. n=n-k(λ-λ), где k=(n-n)/(λ-λ), n, n - показатели преломления для пучков, соответствующих границам частотного диапазона, то угол между крайними пучками рабочего диапазона АОД на выходе призмы будет равен:
o
1
2
θ(a)=φ(f, a-Δθ)-φ(f, a),
1
здесь а - угол падения света на нижней частоте f диапазона рабочих частот измерителя.
Для определения разрешающей способности измерителя после призмы необходимо учесть изменение расходимости проходящих лазерных пучков, которая будет определяться выражением:
o
f
f
Δα(f,а)=φ(f,a(f))-φ(f,a(f)-Δφ),
f
2
здесь a(f) - угол падения света на частоте f, данная зависимость имеет монотонно возрастающий характер, следовательно, наименее выгодный случай будет наблюдаться на частоте f, таким образом, разрешающая способность измерителя после использования призмы может быть найдена из соотношения:
п
o
o
B
N=0(a)/Δα(f, a).
п
н
в
0
1
2
Для количественной оценки отношения Ν к N был проведен численный расчет со следующими параметрами: диапазон рабочих частот Δf=(f÷f)=(1500÷2000) МГц, скорость звука в кристалле АОД v=3590 м/с, длина волны лазера λ=657 нм, апертура падающего лазерного пучка D=4 мм, n(f)=1,5, n(f)=1,6.
Расчеты показывают, что для оптимального значения преломляющего угла призмы, разрешающая способность может быть улучшена в 3 раза.
Технико-экономический результат использования данного изобретения заключается в улучшении разрешающей способности акустооптического измерителя параметров радиосигналов.