АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ С СИНТЕЗОМ АПЕРТУРЫ

Предполагаемая полезная модель относится к акустооптическим устройствам для оптической обработки информации и может быть использована в акустооптических измерителях параметров радиосигналов с высоким разрешением в широком динамическом диапазоне.
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.1) источник излучения 1, коллиматор 2, модулятор с двумя входами 3, на первый из которых подается измеряемый радиосигнал S(f), 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(f). 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 предполагаемой полезной модели являются расположенные последовательно по свету источник излучения, коллиматор, модулятор (акустооптический дефлектор в заявляемой полезной модели), интегрирующая линза и регистрирующее устройство (линейка фотоприемников в заявляемой полезной модели).
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата является несущественное повышение частотной разрешающей способности за счет снижения разностной частоты и уменьшения затухания акустического сигнала.
1
Известно также устройство (фиг.2) (В.Н. Балакший, В.И. Парыгин Синтез апертуры в устройствах пространственного управления световым лучом. Квантовая электроника 7, №4 стр.829-834), содержащее последовательно по свету расположенные лазерный источник излучения 1, 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 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. 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 и 6, дает на экране 7 световое пятно с увеличенным разрешением.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предполагаемой полезной модели являются расположенные последовательно по свету лазерный источник излучения, коллиматор, отклоняющая ячейка (акустооптический дефлектор в заявляемой полезной модели), две дифракционные решетки, интегрирующая линза и экран (линейка фотоприемников в заявляемой полезной модели).
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является узкий динамический диапазон и низкая рабочая частота отклоняющей ячейки.
1
1
1
Б
-1
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип (фиг.3) (С.С.Шибаев, В.М.Новиков, В.В.Роздобудько. Акустооптический измеритель параметров радиосигналов. Патент на полезную модель №70713, опубл. 10.02.2008, бюл. №4), содержащее последовательно по свету расположенные лазерный источник 1 излучения с длиной волны λ, коллиматор 2, формирующий световой пучок с апертурой , акустооптический дефлектор 3, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, две одинаковые фазовые синусоидальные дифракционные решетки (4 и 5) с периодом d и расстоянием между решетками Z, интегрирующую линзу 6 с фокусным расстоянием F и линейку фотоприемников 7 с периодом размещения фоточувствительных площадок b, причем размер апертуры  светового пучка, периоды d и b связаны условием nbZ=Fd, где n берется как ближайшее целое от λF/b, а глубина фазовой модуляции решеток находится как Δφ≥1,2sin(πbZ/2Fd). Лазерное излучение источника 1 формируется 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, поданном на вход преобразователя дефлектора 3. Дифрагированный световой пучок после дефлектора 3 направляется на первую фазовую синусоидальную дифракционную решетку 4 и разлагается ею на дифракционные порядки, которые второй фазовой синусоидальной дифракционной решеткой 5 восстанавливаются и по исходному направлению преобразуются интегрирующей линзой 6 для организации многолучевой интерференции пучков в плоскости линейки фотоприемников 7, результат которой представлен на фиг.4. Видно, что синтезированные максимумы 1 имеют характерные боковые лепестки 2, которые ограничивают динамический диапазон уровней измеряемых сигналов.
1
1
1
-1
Признаками прототипа, совпадающими с признаками предполагаемой полезной модели, являются расположенные последовательно по свету лазерный источник излучения с длиной волны λ, коллиматор, формирующий световой пучок с апертурой , акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, две одинаковые фазовые синусоидальные дифракционные решетки с периодом d и расстоянием между решетками Z, интегрирующая линза с фокусным расстоянием F и линейка фотоприемников с периодом размещения фоточувствительных площадок b, причем размер апертуры  светового пучка, периоды d и b связаны условием nbZ=Fd, где n берется как ближайшее целое от λF/b, a глубина фазовой модуляции решеток находится как Δφ≥1,2sin(πbZ/2Fd).
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкий динамический диапазон работы устройства, обусловленный наличием паразитных боковых лепестков синтезированных максимумов.
Задачей, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель, является увеличение динамического диапазона измеряемых сигналов при сохранении высокой разрешающей способности.
2
2
2
2
-1
k
k
1
1
1
Технический результат достигается тем, что непосредственно за второй фазовой синусоидальной дифракционной решеткой на минимально возможном расстоянии к ней устанавливают одномерный амплитудный транспарант с энергетическим пропусканием exp(-2k/m)/c , где с  - относительная интенсивность светового излучения за второй решеткой в дифракционном порядке с номером k=0,±1,±2,…, 2m+1 - количество дифракционных порядков, и изменяющимся скачкообразно по зонам шириной А=Ztgα транспаранта, причем количество зон равно количеству дифракционных порядков, середина нулевой зоны расположена на оптической оси дифрагированного пучка на центральной частоте, а расстояние между решетками удовлетворяет условию Z≥ (tgγ-tgβ), где γ=α+β, α=arcsin(λ/d), β=λΔf/V, Δf - полоса рабочих частот дефлектора, V - скорость акустических волн. λ - длина волны излучения, d - период дифракционных решеток.
1
1
1
k
k
1
1
1
-1
2
2
2
2
-1
Для достижения технического результата в акустооптическом измерителе, содержащем последовательно по свету расположенные лазерный источник излучения с длиной волны λ, коллиматор, формирующий световой пучок с апертурой , акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, две одинаковые фазовые синусоидальные дифракционные решетки с периодом d и расстоянием между решетками Z, интегрирующую линзу с фокусным расстоянием F, линейку фотоприемников с периодом размещения фоточувствительных площадок b, причем размер апертуры  светового пучка, периоды d и b связаны условием nbZ=Fd, где n берется как ближайшее целое от λF/b, a глубина фазовой модуляции решеток находится как Δφ≥1,2sin(nbZ/2Fd), непосредственно за второй фазовой синусоидальной дифракционной решеткой на минимально возможном расстоянии к ней устанавливают одномерный амплитудный транспарант с энергетическим пропусканием exp(-2k/m)/с , где с  - относительная интенсивность светового излучения за второй решеткой в дифракционном порядке с номером k=0,±1,±2,…, 2m+1 - количество дифракционных порядков, и изменяющимся скачкообразно по зонам шириной А=Ztgα транспаранта, причем количество зон равно количеству дифракционных порядков, середина нулевой зоны расположена на оптической оси дифрагированного пучка на центральной частоте, а расстояние между решетками удовлетворяет условию Z≥(tgγ-tgβ), где γ=α+β, α=arcsin(λ/d), β=λΔf/V, Δf - полоса рабочих частот дефлектора, V - скорость акустических волн, λ, - длина волны излучения, d - период дифракционных решеток.
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 результатом рассмотрим принцип работы предлагаемого акустооптического измерителя с синтезом апертуры 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, две фазовые синусоидальные дифракционные решетки 4 и 5, амплитудный транспарант 6, интегрирующую линзу 7 и линейку фотоприемников 8.
Б
1
k
k
1
1
1
2
2
2
2
-1
2
2
Предлагаемый акустооптический измеритель параметров радиосигналов работает следующим образом. Лазерное излучение источника излучения 1 с длиной волны λ формируется коллиматором 2 в световой пучок апертурой  и под углом Брэгга θ направляется на переднюю грань акустооптического дефлектора 3, в котором дифрагирует на акустической волне, распространяющейся в кристалле дефлектора со скоростью V и созданной в нем измеряемым радиосигналом, поданным на вход преобразователя дефлектора. Дифрагированный световой пучок после дефлектора направляется на первую дифракционную решетку 4 с периодом d и разлагается ею на дифракционные порядки, которые второй дифракционной решеткой 5 (аналогичной первой и расположенной от нее на расстоянии Z) восстанавливаются и по исходному направлению пропускаются через амплитудный транспарант 6 с энергетическим пропусканием exp(-2k/m)/c , где с  - относительная интенсивность светового излучения за второй решеткой в дифракционном порядке с номером k=0,±1,±2,…, 2 m+1 - количество дифракционных порядков. Пропускание транспаранта изменяется скачкообразно по поперечным зонам шириной А=Ztgα, а количество этих зон равно количеству дифракционных порядков, причем середина нулевой зоны расположена на оптической оси дифрагированного пучка на центральной частоте рабочей полосы Δf измерителя. Для того чтобы дифракционные порядки не пересекались между собой в пространстве, расстояние между решетками должно удовлетворять условию Z≥(tgγ-tgβ), где γ=α+β, α=arcsin(λ/d), β=λΔf/V. Таким образом при помощи транспаранта на интегрирующую линзу 7 воздействуют коллинеарно распространяющиеся дифракционные порядки с гауссовым распределением интенсивности exp(-2k/m) в порядках. Линза осуществляет преобразование Фурье и формирует на линейке фотоприемников 8 результирующую картину, представленную на фиг.6, откуда видно, что благодаря аподизации дифракционных порядков при помощи транспаранта 6 уровень боковых лепестков синтезированных максимумов удается существенно снизить. Причем уровень этих лепестков будет тем ниже, чем большее число дифракционных порядков участвует в синтезе апертуры и подвергается аподизации.
Можно показать, что по сравнению с прототипом динамический диапазон заявляемого устройства расширяется на несколько порядков за счет снижения уровня боковых лепестков. Например, при использовании девяти дифракционных порядков в прототипе уровень боковых лепестков составляет минус 7 дБ, а при тех же условиях в заявляемом устройстве этот уровень снижается до минус 36 дБ.
Использование заявляемого устройства позволит улучшить технические характеристики акустооптического измерителя с синтезом апертуры за счет расширения динамического диапазона измеряемых сигналов.