Оптический анализатор спектра сигналов

Полезная модель относится к области спектрометрии, а именно к устройствам спектрального анализа сигналов в оптическом диапазоне длин волн и может быть использовано для исследований полей излучения источников оптических сигналов, непосредственный контакт с которыми невозможен, либо нежелателен, а также спектральных характеристик материалов, атмосферы и т.п. Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели является, повышение его чувствительности и разрешающей способности при анализе спектров оптических сигналов. Указанный технический результат достигается тем, что устройство содержит формирующую оптику оптически связанную с оптическим волокном, последовательно установленные n блоков фильтрации, оптический поглотитель, фотоприемный блок и блок обработки спектроскопической информации, который в свою очередь соединен с пульт управления, регистратором и блоком индикации.

Полезная модель относится к области спектрометрии, а именно к устройствам спектрального анализа сигналов в оптическом диапазоне длин волн и может быть использовано для исследований полей излучения источников оптических сигналов, непосредственный контакт с которыми невозможен, либо нежелателен, а также спектральных характеристик материалов, атмосферы и т.п.

Известно устройство "Анализатор спектра", (патент RU 2164668, МПК G01J 3/36, опубликован 2001.03.27), содержащее группу оптических волокон, входы которых являются входами анализатора. Выходы оптических волокон через цветоразделительную призму оптически связаны с входами фотоэлектронных преобразователей, выходы которых через коммутатор соединены с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входами персональной ЭВМ. Информационные выходы ЭВМ являются информационными выходами анализатора. Управляющий выход ЭВМ соединен с управляющим входом коммутатора. Выходы оптических волокон расположены в одну линию с возможностью изменения угла падения и перемещения вдоль границы цветоразделительной призмы.

Устройство позволяет определять спектры источников оптического излучения, а также классифицировать источники излучения по результатам анализа их спектров.

Недостатком известного анализатора спектра является невозможность применения этого устройства для исследования спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны, например, в агрессивных химических средах при повышенной влажности и температуре. Данное устройство требует непосредственного контакта с источником оптического излучения, и в труднодоступных местах устройство применить невозможно, а в агрессивной среде, в условиях повышенной температуры и влажности оно не сможет функционировать.

Другим существенным недостатком является то, что призменные спектральные приборы оптического диапазона относятся к числу приборов с наихудшей разрешающей способностью.

Известно устройство "Анализатор спектра сигналов оптического диапазона", (патент RU 2239802, МПК G01J 3/00, опубликован 2004.09.10). Устройство содержит синтезатор частот, блок управления, регистратор, блок согласования, интегратор и канал анализа спектра сигнала, в котором последовательно установленные по ходу светового пучка формирующая оптика, оптическое волокно, соединенное посредством соединительных модулей с формирующей оптикой и с согласующим элементом, выход которого оптически связан со входом акустооптического модулятора, фокусирующая линза, щелевая диафрагма и фотоприемник. Согласующий элемент является пространственным Фурье-процессором, который состоит из двух слоев свободного пространства и Фурье-линзы между ними. Также устройство содержит цифроаналоговый преобразователь, регулируемый усилитель, модуль подключения к регистратору, аналого-цифровой преобразователь.

Устройство позволяет проводить последовательный анализ спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны.

Недостатками известного устройства анализатора спектра сигналов оптического диапазона являются, необходимость перестройки системы по диапазону длин волн, следствием которой является низкое быстродействие, определяемое временем перестройки. Также к недостаткам можно отнести то, что предложенный дифракционный принцип анализа спектра сигналов с применением пространственного Фурье-процессора требует формирования светового пучка с плоским однородным фронтом, что может оказаться затруднительным. Искажение волнового фронта анализируемого излучения приводит к существенному ухудшению разрешающей способности.

Известно устройство-прототип "Параллельный анализатор спектра сигналов оптического диапазона", (патент на полезную модель RU 86734, МПК G01J 3/26, опубликован 10.09.2009). Устройство содержит группу оптических волокон, блок обработки спектрометрической информации, блок индикации, пульт управления и n каналов анализа спектра сигнала, в каждый из которых дополнительно введены последовательно установленные по ходу светового пучка интерференционный фильтр, второй согласующий элемент, выход которого соединен с одним из n входов фотоприемного блока, а вход интерференционного фильтра оптически связан с выходом первого согласующего элемента, причем n выходов группы оптических волокон соединены со входами первых согласующих элементов для каждого канала, а вход оптически связан с формирующей оптикой, n входов блока обработки спектрометрической информации соединены с n выходами фотоприемного блока, а n+1 вход блока обработки спектрометрической информации соединен с пультом управления, первый его выход соединен с регистратором, а второй - с блоком индикации.

Устройство позволяет проводить параллельный анализ спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны.

Недостатками известного устройства - прототипа анализатора спектра сигналов оптического диапазона является следующие:

недостаточно высокая разрешающая способность, которая ограничивается полосой пропускания оптических интерференционных фильтров.

технологическая сложность выполнения группы оптических волокон с одним общим входным торцом.

более низкая чувствительность устройства, в связи распределением энергии анализируемого излучения по n каналам параллельного анализатора.

необходимость юстировки каждого из n каналов.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание оптического анализатора спектра сигналов, который позволял бы проводить исследования спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны, с более высокой разрешающей способностью и чувствительностью.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели является, повышение его чувствительности и разрешающей способности при анализе спектров оптических сигналов.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее формирующую оптику, фотоприемный блок, выходы которого соединены с входами блока обработки спектроскопической информации, n+1 вход которого соединен с пульт управления, а первый выход блока обработки спектрометрической информации соединен с регистратором, а второй - с блоком индикации, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит оптическое волокно, вход которого оптически связан с формирующей оптикой, и n последовательно соединенных блоков фильтрации, вход первого блока фильтрации соединен с выходом оптического волокна, вход второго блока фильтрации соединен с первым выходом первого блока фильтрации, выход n-го блока фильтрации соединен с оптическим поглотителем, причем вторые выходы всех блоков фильтрации соединены с n входами фотоприемного блока, n выходов которого соединены с n входами блока обработки спектрометрической информации, а n+1 вход блока обработки спектрометрической информации соединен с пультом управления через шину, первый выход блока обработки спектрометрической информации соединен с регистратором через двунаправленную шину, а второй - с блоком индикации через шину, причем блок обработки спектрометрической информации содержит мультиплексор, n входов которого соединены с выходами усилителей, входы которых соединены с выходами фотоприемного блока, n+1 вход через шину соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход соединен со входом усилителя, выход которого соединен со одним из входов микроконтроллера, другой вход которого через шину соединен с блоком управления, а один из выходов соединен со входом блока индикации, вход преобразователя соединен с выходом микроконтроллера посредством двунаправленной шины, а выход - через двунаправленную шину с регистратором.

Совокупность существенных признаков предлагаемого устройства обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при осуществлении полезной модели в силу того, что отсутствие интерференционных фильтров позволяет проводить анализ спектра сигналов оптического диапазона с высокой разрешающей способностью, определяющейся периодом волоконной брэгговской решетки. Содержащаяся в заявляемом устройстве оптическое волокно эффективнее используется для передачи на расстояние анализируемого излучения с меньшими потерями, чем группа оптических волокон, улучшая чувствительность устройства, и позволяет более простую реализацию устройства.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства, оптического анализатора спектра сигналов, отсутствуют, следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».

В настоящее время авторам не известны спектральные приборы, которые позволяли бы проводить с такой же разрешающей способностью анализ спектра оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми невозможны либо нежелательны, например, в агрессивных химических средах при повышенной влажности и температуре.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленной полезной модели, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 - структурная схема оптического анализатора спектра сигналов, фиг.2 - структурная схема блока обработки спектрометрической информации, фиг.3 - структурная схема блока фильтрации и введены следующие обозначения:

1 - формирующая оптика;

2 - оптическое волокно;

3 - первый блок фильтрации;

3.1 - оптический циркулятор;

3.2 - волоконная брэгговская решетка;

4 - второй блок фильтрации;

5 - n-ый блок фильтрации;

6 - оптический поглотитель;

7 - фотоприемный блок;

8 - блок обработки спектрометрической информации;

8.1 - входной усилитель;

8.2 - мультиплексор;

8.3 -усилитель;

8.4 - микроконтроллер;

8.5 - преобразователь уровней;

9 - блок управления;

10 - регистратор;

11 - блок индикации.

Оптический анализатор спектра сигналов, содержит формирующую оптику 1, оптически связанную со входом оптического волокна 2, выход которого соединен со входом первого блока фильтрации 3, а первый выход блока фильтрации соединен со входом второго блока фильтрации 4, первый выход n-го блока фильтрации 5 соединен с оптическим поглотителем 6, причем вторые выходы всех блоков фильтрации соединены с n входами фотоприемного блока 7, n выходов которого соединены с n входами блока обработки спектрометрической информации 8, а п+1 вход блока обработки спектрометрической информации 8 соединен с блоком управления 9, первый выход блока обработки спектрометрической информации 8 соединен с регистратором 10, а второй - с блоком индикации 11, блок обработки спектрометрической информации 8 соединен с блок управления 9 через шину 12, с регистратором 10 - через двунаправленную шину 13, ас блоком индикации 11 через шину 14.

Блок обработки спектрометрической информации 8 содержит мультиплексор 8.2, n входов которого соединены с выходами усилителей 8.1, входы которых соединены с выходами фотоприемного блока 7, n+1 вход через шину 15 соединен с одним из выходов микроконтроллера 8.4, а выход соединен со входом усилителя 8.3, выход которого соединен со одним из входов микроконтроллера 8.4, другой вход которого через шину 12 соединен с блоком управления 9, а один из выходов соединен со входом блока индикации 11, вход преобразователя 8.5 соединен с выходом микроконтроллера 8.4 посредством двунаправленной шины 16, а выход - через двунаправленную шину 13 с регистратором 10.

Формирующая оптика 1 может быть выполнена, например, из сферической линзы и второй сферической линзы, в фокусе которой расположен торец оптического волокна 2.

Блок фильтрации 3 содержит оптический циркулятор 3.1 вход которого является входом блока фильтрации 3, первый выход соединен со входом волоконной брэгговской решетки 3.2, а второй выход соединен со одним из входов фотоприемного блока 7.

В качестве оптического циркулятора 3.1 может быть использован любой оптический циркулятор удовлетворяющий условиям анализа спектра сигналов.

В качестве волоконной брэгговской решетки 3.2 может быть использована волоконная брэгговская решетка с периодом равным заданной длине волны.

В качестве оптического поглотителя 6 может быть использовано иммерсионное вещество.

Фотоприемный блок 7 включает в себя набор фотоприемников, количество которых равно количеству блоков фильтрации. Фотоприемник может быть выполнен, например, на фотодиоде ФД-265.

Усилитель 8.1 может быть выполнен, например, на основе операционного усилителя NE5532.

В качестве мультиплексора 8.2 может быть использована интегральная микросхема аналогового мультиплексора с цифровым управлением - CD4067.

Усилитель 8.3 может быть выполнен, например, на основе операционного усилителя TL071.

В качестве микроконтроллера 8.4 может быть использован, например, микроконтроллер семейства AYR Atmega8 фирмы Atmel.

Преобразователь уровней 8.5 для корректной связи с компьютером может быть выполнен, например, на базе интегральной микросхемы МАХ232.

Блок управления 9 включает в себя переключатель, управляющий питанием, и кнопки без фиксации, подключенные напрямую к микроконтроллеру для управления блок обработки спектрометрической информации 8.

В качестве регистратора 10 может быть использован, например, персональный компьютер или ноутбук.

Блок индикации 11 может быть изготовлен, например, с применением стандартного знакосинтезирующего жидкокристаллического индикатора ВС1602.

Устройство работает следующим образом: формирующая оптика 1 передает принимаемое из окружающего пространства оптическое излучение на вход оптического волокна 2, по которому оптическое излучение передается на заданное расстояние и поступает на вход первого блока фильтрации 3, в котором проходит фильтрацию согласно фиг.3, а именно оптическое излучение со входа оптического циркулятора 3.1, являющимся входом блока фильтрации, через первый выход поступает на волоконную брэгговскую решетку 3.2, излучение с длиной волны равной периоду волоконной брэгговской решетки 3.2 отражается и через второй выход оптического циркулятора 3.1, являющимся вторым выходом блока фильтрации 3, поступает на соответствующий вход фотоприемного блока 7, прошедшее сквозь волоконную брэгговскую решетку 3.2 оптическое излучение поступает на вход следующего блока фильтрации 4, оставшееся оптическое излучение поступает с первого выхода n-го блока фильтрации 5 на вход оптического поглотителя 6, где полностью поглощается, для исключения обратного отражения.

В фотоприемном блоке 7 оптическое излучение, прошедшее фильтрацию, преобразовывается в электрический сигнал. Сигналы от фотоприемников фотоприемного блока 7, величина каждого из которых зависит от интенсивности излучения на данной частоте, поступают на входные усилители 8.1 с ручной регулировкой коэффициентов усиления, которая необходима для компенсации относительных неравномерностей сигналов, поступающих с фотоприемников. Искажения сигналов возникают в результате неравномерностей характеристик ОВ и фотоприемников

Сигналы от входных усилителей поступают на входы мультиплексора 8.2. Микроконтроллер 8.4 последовательно коммутирует посредством шины 15 управления мультиплексором каждый из сигналов на один выход мультиплексора 8.2, подключенный к усилителю 8.3. Усиленный сигнал с выхода усилителя 8.3 поступает на вход АЦП микроконтроллера 8.4 для оцифровки. Микроконтроллер 8.4 производит обработку этого сигнала и выводит на блок индикации 11 (дисплей) информацию об уровне каждого сигнала в виде столбчатой диаграммы. Управление блоком обработки спектрометрической информации 8 осуществляться с помощью блока управления 9. Также есть возможность передавать информацию об уровнях измеряемых сигналов и управлять устройством через СОМ порт RS-232 регистратора 10 посредством преобразователя уровней 8.5 TTL - RS-232 LC.

Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата оптическим анализатором спектра сигналов обеспечивается применением волоконных брэгговских решеток для узкополосной оптической фильтрации.

Сопоставление параметров, характеризующих заявляемую полезную модель, и прототип позволяет сделать вывод, что прототип не может обеспечить нужной разрешающей способность и чувствительности устройства для решения многих технических задач. Следовательно, объект полезной модели существенно увеличивает круг возможного применения спектральных измерений в науке и технике.

Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленного устройства следует отметить также дополнительное их достоинство: возможность его применения в авиационном приборостроении для обеспечения безопасности полета летательных аппаратов, а именно для диагностики спектра свечения пламени ракетного двигателя.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленной полезной модели выполняются следующие условия:

- средство, воплощающее устройство - полезную модель при его осуществлении, предназначено для использования в области спектрометрии, а именно проведения с высокой разрешающей способностью спектрального анализа оптических излучений, непосредственные контакты спектральной аппаратуры с которыми не возможны либо не желательны в силу наличия вблизи таких источников агрессивной химической среды, повышенной температуры, влажности;

- для заявленной полезной модели в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленную полезную модель при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

1. Оптический анализатор спектра сигналов, содержащий формирующую оптику, фотоприемный блок, выходы которого соединены с входами блока обработки спектроскопической информации, n+1 вход которого соединен с пультом управления, а первый выход блока обработки спектрометрической информации соединен с регистратором, а второй - с блоком индикации, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит оптическое волокно, вход которого оптически связан с формирующей оптикой, и n последовательно соединенных блоков фильтрации, вход первого блока фильтрации соединен с выходом оптического волокна, вход второго блока фильтрации соединен с первым выходом первого блока фильтрации, выход n-го блока фильтрации соединен с оптическим поглотителем, причем вторые выходы всех блоков фильтрации соединены с n входами фотоприемного блока, n выходов которого соединены с n входами блока обработки спектрометрической информации, а n+1 вход блока обработки спектрометрической информации соединен с пультом управления через шину, первый выход блока обработки спектрометрической информации соединен с регистратором через двунаправленную шину, а второй - с блоком индикации через шину.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обработки спектрометрической информации содержит мультиплексор, n входов которого соединены с выходами усилителей, входы которых соединены с выходами фотоприемного блока, n+1 вход через шину соединен с одним из выходов микроконтроллера, а выход соединен со входом усилителя, выход которого соединен со одним из входов микроконтроллера, другой вход которого через шину соединен с блоком управления, а один из выходов соединен со входом блока индикации, вход преобразователя соединен с выходом микроконтроллера посредством двунаправленной шины, а выход - через двунаправленную шину с регистратором.