АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ

Предполагаемая полезная модель относится к радиоизмерительной технике и может быть использована в качестве высокоточного измерителя параметров радиосигналов с высоким динамическим диапазоном.
Известен акустооптический (АО) анализатор спектра с пространственным интегрированием (см. кн. «Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени» авторов Гусева О.Б, Кулакова С. В., Разживина Б.П., Тигина Д.В., под ред. Кулакова С. В. - М.: Радио и связь. - 1989. - 136 с., на с. 48), в состав которого входят последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, Фурье-линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников, установленной своей поверхностью перпендикулярно к оптической оси.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является наличие отражательной дифракции от поверхностной металлизированной топологии линейки фотоприемников, порядки которой, отражаясь от поверхности защитного стекла линейки фотоприемников создают в результате переотражения рядом с полезным сигналом дополнительные максимумы, которые снижают динамический диапазон АО анализатора.
Признаками аналога, совпадающими с признаками предполагаемой полезной модели являются последовательно включенные по свету лазер, коллиматор (преобразующая линза в заявляемом устройстве), АО дефлектор, Фурье-линза, осуществляющая интегральное Фурье-преобразование (интегрирующая оптическая система из двух линз в заявляемом устройстве) и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.
Известен также АО частотомер, (публ. в статье Роздобудько В.В. «Акустооптический СВЧ частотомер на основе аномальной дифракции в
3
LiNbO». - Радиоэлектроника. - 1992. - №9. - с.74-78 на стр.75), который содержит последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, Фурье-линзу, осуществляющую интегральное Фурье-преобразование и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников, установленной своей поверхностью перпендикулярно к оптической оси.
Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является наличие отражательной дифракции от поверхностной металлизированной топологии линейки фотоприемников, порядки которой отражаясь от поверхности защитного стекла линейки фотоприемников создают в результате переотражения рядом с полезным сигналом дополнительные максимумы, которые снижают динамический диапазон АО частотомера.
Признаками, общими с заявляемой предполагаемой полезной моделью, являются последовательно по свету включенные лазер, коллиматор (преобразующая линза в заявляемом устройстве), АО дефлектор, интегрирующая линза (интегрирующая оптическая система из двух линз в заявляемом устройстве) и линейка фотоприемников, в качестве которой в аналоге используется линейка фотодиодов.
0
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является акустооптический измеритель параметров радиосигналов (патент РФ №2130192 авторов Роздобудько В.В., Крутчинского Г.С., опубликован БИ №13, 10.05.99 г.), содержащий последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, осуществляющую интегральное Фурье-преобразование и линейку фотоприемников, которая по отношению к фокальной плоскости интегрирующей линзы наклонена на угол  в горизонтальной плоскости, где f - центральная частота
радиосигнала, λ - длина волны излучения лазера, a ν - скорость ультразвука в АО дефлекторе.
Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является то, что наклон линейки фотоприемников на угол 9 в плоскости сканирования светового пятна по линейке фотоприемников не оказывает влияния на формирование дифракционных максимумов рядом с основным сигналом, возникающих в результате отражательной дифракции от поверхностной металлизированной топологии линейки фотоприемников, переотраженной ее защитным стеклом, которые при таком наклоне могут только несколько изменять свое местоположение вдоль линейки, причем, если с одной стороны основного сигнала расстояние до дополнительного максимума будет увеличиваться, то с другой уменьшаться.
Существенными признаками, общими с заявляемым устройством, являются: последовательно по свету включенные лазер, коллиматор (преобразующая линза в заявляемом устройстве), АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза, выполняющая Фурье-преобразование светового пучка в двух плоскостях (интегрирующая оптическая система из двух линз в заявляемом устройстве) и линейка фотоприемников, установленная в плоскости наилучшего изображения перпендикулярно к оптической оси интегрирующей оптической системы.
Задачей, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель, является увеличение динамического диапазона регистрируемых параметров радиосигналов.
Б
Технический результат, достигается за счет нового расположения линейки фотоприемников, которая развернута в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси, проходящей через центры чувствительных площадок элементов линейки фотоприемников и перпендикулярной к оптической оси интегрирующей оптической системы относительно плоскости своего защитного стекла на угол 0,5α=0,5arctg(n), равный
Б
Б
половинному углу Брюстера α для поляризованного в плоскости падения отраженного дифрагированного от металлизации поверхностного топологического рисунка линейки фотоприемников и направленного на защитное стекло светового пучка, при этом об определяется формулой Френеля при равенстве нулю коэффициента отражения от защитного стекла при величине показателя преломления n материала защитного стекла исходя из условия tgα=n.
Б
Б
Б
Для достижения технического результата в АО измерителе параметров радиосигналов, содержащем последовательно по свету включенные лазер, преобразующую линзу, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую оптическую систему из двух линз, выполняющую Фурье-преобразование дифрагированного лазерного пучка в горизонтальной и вертикальной плоскостях, и линейку фотоприемников, установленную в совмещенной плоскости наилучшего изображения интегрирующей оптической системы, развернутую в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси, проходящей через центры чувствительных площадок элементов линейки фотоприемников и перпендикулярной к оптической оси интегрирующей оптической системы относительно плоскости своего защитного стекла на угол 0,5α=0,5arctg(n), равный половинному углу Брюстера α для поляризованного в плоскости падения отраженного дифрагированного от металлизации поверхностного топологического рисунка линейки фотоприемников и направленного на защитное стекло светового пучка, при этом об определяется формулой Френеля при равенстве нулю коэффициента отражения от защитного стекла при величине показателя преломления n материала защитного стекла исходя из условия tgα=n.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. В типовых АО измерителях параметров радиосигналов при расположении плоскостей линейки фотоприемников и ее
защитного стекла перпендикулярно оптической оси интегрирующей оптической системы или развернутой на определенный угол в плоскости сканирования светового пятна по линейке фотоприемников, ограничителем динамического диапазона основного измеряемого сигнала являются конструктивные особенности металлизированной поверхности топологического рисунка линейки фотоприемников, металлизированные многочисленные элементы которого по своим геометрическим размерам соизмеримы с длиной волны лазерного излучения и фактически представляют собой отражательную дифракционную решетку, в результате чего сфокусированное интегральной оптической системой лазерное излучение дифрагирует на отражательных элементах этой решетки, дифракционные порядки отражаются на поверхность защитного стекла и переотражаются ею на линейку фотоприемников, в результате чего рядом с основным сигналом появляются дополнительные паразитные максимумы, которые снижают динамический диапазон основного сигнала (см. фиг.1).
1
2
3
Типовая схема АО измерителя параметров радиосигналов представлена на фиг.2а, которая работает следующим образом. Излучение лазера 1 преобразуется преобразующей линзой 2 (с фокусным расстоянием f) в вертикальной плоскости и направляется в АО дефлектор 3, где взаимодействует с акустической волной, создаваемой в светозвукопроводе АО дефлектора преобразователем при поступлении на него измеряемого радиосигнала S(f). Вторая цилиндрическая линза 4 (с фокусным расстоянием f) выполняет Фурье-преобразование светового луча в горизонтальной плоскости и формирует размер светового пятна на линейке фотоприемников вдоль линейки. Третья цилиндрическая линза 5 (с фокусным расстоянием f) выполняет Фурье-преобразование светового луча в вертикальной плоскости и формирует размер светового пятна на линейке фотоприемников 6 по вертикали. В переотражении максимумов отражательной дифракции от поверхностной металлизированной топологии линейки фотоприемников 6 участвует защитное стекло линейки 7.
На входе в оптическую систему (в линзу 2) распределение поля лазерного светового пучка определяется как
0x
0y
где r и r - радиусы гауссова пучка по амплитудному уровню . Фурье-анализ оптической схемы показывает, что в плоскости линейки фотоприемников нормированное двумерное распределение амплитуды света с точностью до постоянного множителя определяется как
,
где λ - длина волны излучения лазера,
,
0
0
3
0
3
3
z - расстояние между задней фокальной плоскостью линзы 2 и линзой 4, а изображение формируется на расстоянии b=af/a-f третьей линзы 5. В плоскости фотоприемника распределение света по оси Х определяется преобразованием Фурье от функции амплитудного пропускания в плоскости, расположенной на расстоянии f от линзы 5.
Топологический рисунок металлизации поверхности линейки фотоприемников представляет собой отражательную дифракционную решетку, в которой элементы расположены с периодом d и имеют ширину h и тогда распределение интенсивности лазерного излучения после дифракции на решетке и отражения от защитного стекла линейки фотоприемников имеет вид
где
0
ρ - коэффициент отражения элементов решетки, Г - коэффициент отражения от защитного стекла линейки фотоприемников по интенсивности, ν=.
Распределение интенсивности в отдельных дифракционных порядках описывается выражением
k
и тогда полный динамический диапазон (ограниченный дифракцией) фотоприемника в дБ будет D=10lg(),
1
2k
x
y
где I= - интенсивность света основного и создаваемого k-м порядком дифракции I= сигналов, воздействующих на единичный элемент линейки фотоприемников с размерами а×a.
Таким образом, при расположении линейки фотоприемников (плоскости защитного стекла и плоскости фоточувствительных площадок) перпендикулярно оптической оси интегрирующей оптической системы при регистрации основного измеряемого сигнала рядом с ним будут находиться дополнительные максимумы, обусловленные наличием отражательной дифракции от элементов металлизации поверхностной топологии линейки фотоприемников, снижающие динамический диапазон измеряемого сигнала (фиг.1).
Особенностью изотропной дифракции Брэгга является то, что продифрагированный в АО дефлекторе пучок линейно поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости описанной выше дифракции на структуре ФПУ. Коэффициенты отражения света по интенсивности от поверхности защитного стекла линейки в случае, когда свет поляризован в плоскости падения, определяется формулой Френеля
,
где α - угол падения, n - показатель преломления материала защитного стекла линейки фотоприемников.
Б
Б
Коэффициент отражения R будет равняться нулю в том случае, если угол падения пучка света на поверхность защитного стекла α будет соответствовать углу Брюстера α, который можно определить из условия tgα=n.
Для выполнения этого условия угол между плоскостью защитного стекла и плоскостью расположения фотоприемников ФПУ должен составлять
Б
0,5α=0,5arctg(n).
Б
Б/2
х
х
х
Например, при n=1,5 имеем 0,5α=28,2°, и тогда достаточно плоскости защитного стекла и линейки фотоприемников взаимно развернуть на угол (α=28°, чтобы отсутствовало отражение от поверхности защитного стекла дифрагированного на элементах металлизации поверхностного топологического рисунка линейки фотоприемников поляризованного в плоскости падения лазерного излучения и направленного на защитное стекло линейки фотоприемников. Причем, если вертикальный размер чувствительного элемента линейки фотоприемников равен α, а длина волны лазерного излучения λ, то формироваться дифракционные порядки на защитном стекле будут в угловом секторе ±, и хотя условие Брюстера будет справедливым только для центра площадки α коэффициент отражения для луча от края площадки α будет очень близок к нулю из-за падения интенсивности на краю диаграммы направленности отраженного дифрагированного луча на элементах металлизации поверхностного топологического рисунка линейки фотоприемников, что существенно не уменьшит динамический диапазон основного измеряемого сигнала.
Таким образом, фактически в предполагаемой полезной модели АО измерителя параметров радиосигналов, динамический диапазон основного
измеряемого сигнала зависит от угла наклона  плоскости линейки фотоприемников относительно плоскости ее защитного стекла, а угол наклона  в свою очередь зависит от показателя преломления материала защитного стекла линейки фотоприемников при равенстве нулю коэффициента отражения поверхности защитного стекла для поляризованного в плоскости падения лазерного луча, дифрагированного на отражательных элементах металлизации поверхностного топологического рисунка линейки фотоприемников, отраженного на защитное стекло. Сущность изобретения поясняется чертежом на фиг.2 а, б.
Заявляемое устройство содержит последовательно по свету расположенные на оптической оси лазер 1 с длиной волны излучения λ, преобразующую линзу 2, АО дефлектор 3, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал S(t), интегрирующую оптическую систему из двух линз 4 и 5, преобразующих лазерный пучок в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно, и линейку фотоприемников 6, расположенную в совмещенной плоскости наилучшего изображения линз 4 и 5, причем плоскость линейки фотоприемников 6 повернута относительно плоскости своего защитного стекла 7 в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси, проходящей через центры чувствительных площадок элементов линейки фотоприемников и одновременно перпендикулярной к оптической оси интегрирующей оптической системы 4 и 5, на половинный угол Брюстера , который определяется формулой Френеля из условия  равенства нулю коэффициента отражения R защитного стекла при показателе преломления n материала защитного стекла для поляризованного в плоскости падения отраженного дифрагированного на элементах металлизации поверхностного топологического рисунка линейки фотоприемников лазерного излучения, направленного в сторону защитного стекла.
Принцип работы заявляемого устройства и обеспечиваемый им технический результат в виде сформированного с высоким динамическим
Б
Б
Б
диапазоном измеряемого радиосигнала заключается в следующем. На электрический вход АО дефлектора 3 подается измеряемый входной радиосигнал S(t). В среде АО дефлектора 3 радиосигнал S(t) распространяется в виде акустического аналога. На акустическую волну дефлектора 3 через преобразующую линзу 2 от лазера 1 подается лазерное излучение с длиной волны λ, которое дифрагирует на акустической волне дефлектора 3 и интегрирующими линзами 4 и 5 преобразуется так, чтобы сформировать световое пятно заданного размера на линейке фотоприемников 6, которая помещена в совмещенную плоскость наилучшего изображения интегрирующих линз 4 и 5. Чтобы дифрагированный, отраженный от металлизации поверхностного топологического рисунка линейки фотоприемников поляризованный в плоскости падения лазерный пучок после отражения от защитного стекла линейки фотоприемников не создавал дополнительных максимумов рядом с основным измеряемым сигналом на линейке фотоприемников, линейка фотоприемников 6, повернута в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси, проходящей через центры чувствительных площадок элементов линейки фотоприемников и одновременно перпендикулярной оптической оси интегрирующей оптической системы 4, 5 относительно плоскости своего защитного стекла 7 на угол 0,5α=0,5arctg(n), равной половинному углу Брюстера α, который определяется формулой Френеля при равенстве нулю коэффициента отражения при величине n показателя преломления материала защитного стекла линейки фотоприемников из условия tgα=n.
Практическая реализация заявляемого устройства требует конструктивных изменений линейки фотоприемников, т.е. для акустооптических измерителей параметров радиосигналов требуется изготавливать специальную конструкцию линейки фотоприемников с взаимным разворотом плоскости защитного стекла и плоскости линейки фотоприемников на угол, равный половинному углу Брюстера для поляризованного в плоскости падения излучения. Применение такой линейки
фотоприемников позволит повысить динамический диапазон измеряемых радиосигналов с 40 дБ до 60 дБ.