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. Указанный технический результат достигают тем, что линейка фотоприемников развернута в вертикальной плоскости на половинный угол ширины диаграммы направленности отраженного дифрагированного пучка излучения от металлизации поверхностного топологического рисунка линейки фотоприемников вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной к оптической оси интегрирующей оптической системы и проходящей в плоскости чувствительных площадок линейки фотоприемников через их центры. 3 илл.

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 /опубл. В статье Роздобудько В.В. «АО СВЧ частотомер на основе аномальной дифракции в LiNbO ₃». -

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.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является акустооптический измеритель параметров радиосигналов /патент РФ №2130192 авторов Роздобудько В.В. Крутчинского Г.С. с приоритетом от 28.04.98 г. 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 =arctg(f₀/) в горизонтальной плоскости, где f₀ - центральная частота

радиосигнала, - длина волны излучения лазера, a - скорость ультразвука в АО дефлекторе.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является то, что наклон линейки фотоприемников на угол 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 наилучшей установки перпендикулярно к оптической оси интегрирующей оптической системы.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение динамического диапазона регистрируемых параметров радиосигналов.

Технический результат, достигается за счет нового расположения линейки фотоприемников, которая развернута в вертикальной плоскости на половинный угол ширины диаграммы направленности отраженного дифрагированного пучка излучения от металлизации поверхностного топологического рисунка линейки фотоприемников вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной к оптической оси интегрирующей оптической

системы и проходящей в плоскости чувствительных площадок линейки фотоприемников через их центры.

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, интегрирующей оптической системы из двух линз, осуществляющие Фурье-преобразование в двух плоскостях, и линейку фотоприемников, которая развернута в вертикальной плоскости на половинный угол ширины диаграммы направленности отраженного дифрагированного пучка излучения от металлизации поверхностного топологического рисунка линейки фотоприемников вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной к оптической оси интегрирующей оптической системы и проходящей в плоскости чувствительных площадок линейки фотоприемников через их центры.

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).

Типовая схема АО измерителя параметров радиосигналов представлена на фиг.2а, которая работает следующим образом. Излучение лазера 1 преобразуется преобразующей линзой 2 (с фокусным расстоянием f₁) 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 ₂) 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 f₃) 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

,

где r_0x и r _0y - 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 - длина волны излучения лазера,

,

z - расстояние между задней фокальной плоскостью линзы 2 и линзой 4, а изображение формируется на расстоянии b ₀=a₀f₃/a ₀-f₃ от третьей линзы 5. В плоскости фотоприемника распределение света по оси Х определяется преобразованием Фурье от функции амплитудного пропускания в плоскости, расположенной на расстоянии f₃ 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 , ,

- коэффициент отражения элементов решетки, Г - коэффициент отражения от защитного стекла линейки фотоприемников по интенсивности, . Распределение интенсивности в отдельных дифракционных порядках описывается выражением

и тогда полный динамический диапазон (ограниченный дифракцией) фотоприемника в дБ будет ,

где - интенсивность света основного и создаваемого k-м порядком дифракции сигналов,

воздействующих на единичный элемент линейки фотоприемников с размерами a_x×a _y.

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).

Ширина диаграммы направленности отраженного от элементов металлизации поверхностной топологии линейки фотоприемников характеризуется углом расходимости пучка лучей, отраженного линейкой фотоприемников 6, который после отражения от поверхности защитного стекла 7 создает дополнительные паразитные максимумы на линейке фотоприемников (см. фиг.3 лучи 1 и 2, сплошные линии). Чтобы отраженный от линейки дифракционный пучок не попадал после отражения от поверхности защитного стекла на линейку фотоприемников достаточно наклонить линейку фотоприемников с защитным стеклом на угол в вертикальной плоскости (показано пунктиром на фиг.3). Тогда крайний верхний луч 1' пойдет по нормали с верхнего края площадки a_x, а все остальные лучи после отражения от защитного стекла не попадут на линейку фотоприемников (крайний нижний луч 2', центральный луч 3').

Отраженный по нормали луч 1' вернется на верхний край линейки а _x, но его влияние на динамический диапазон не будет существенным, т.к. падающий из интегральной оптической системы этот крайний верхний луч имеет почти нулевую интенсивность (минимум диаграммы направленности)

и после двойного отражения не может сформировать максимум, снижающий динамический диапазон основного измеряемого сигнала.

В результате поворота линейки фотоприемников на угол , динамический диапазон основного измеряемого сигнала увеличится.

Сущность полезной модели поясняется чертежом на фиг.2а,б.

Заявляемое устройство содержит последовательно по свету расположенные на оптической оси лазер 1 с длиной волны излучения , преобразующую линзу 2, АО дефлектор 3, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал S(f), интегрирующую линзу 4, преобразующую световой пучок в горизонтальной плоскости интегрирующую линзу 5, преобразующую световой пучок в вертикальной плоскости, и линейку фотоприемников 6, расположенную в совмещенной плоскости наилучшей установки линз 5 и 6, причем сама линейка фотоприемников повернута вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр поверхностей чувствительных площадок элементов линейки фотоприемников и одновременно перпендикулярной оптической оси интегрирующей оптической системы, на половинный угол расходимости диаграммы направленности отраженного от элементов металлизации поверхностной топологии линейки фотоприемников дифрагированного пучка излучения.

Принцип работы заявляемого устройства и обеспечиваемый им технический результат в виде сформированного с высоким динамическим диапазоном измеряемого радиосигнала заключается в следующем.

На электрический вход АО дефлектора 3 подается измеряемый входной радиосигнал S(f). В среде АО дефлектора 3 радиосигнал S(f) распространяется в виде акустического аналога. На акустическую волну дефлектора 3 через преобразующую линзу 2 от лазера 1 подается лазерное излучение с длиной волны , 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 наилучшей установки интегрирующих линз 4 и 5. Чтобы дифрагированный, отраженный от металлизации поверхностного топологического рисунка световой пучок, имеющий ширину диаграммы направленности, характеризующуюся углом , после отражения от поверхности защитного стекла 7 линейки фотоприемников не создавал дополнительных максимумов рядом с основным измеряемым сигналом на линейке фотоприемников, последняя повернута в вертикальной плоскости на угол вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной оптической оси интегрирующих линз 4 и 5, и проходящей через центр чувствительных площадок элементов линейки фотоприемников.

Практическая реализация заявляемого устройства не требует дополнительных конструктивных изменений. Наши расчеты, проведенные для конкретной схемы с вертикальным размером линейки фотоприемников а_x=10 мкм для излучения с длиной волны =0,65 мкм показывают, что угол угловых градусов, а угловых градусов, на который и необходимо развернуть линейку фотоприемников в вертикальной плоскости. Это делается поворотом линейки фотоприемников с помощью держателя, в котором обычно предусматриваются юстировочные подвижки.

Акустооптический измеритель параметров радиосигналов, содержащий последовательно по свету включенные лазер, преобразующую линзу, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую оптическую систему из двух линз, выполняющую Фурье-преобразование светового пучка в горизонтальной и вертикальной плоскостях, и линейку фотоприемников, установленную в совмещенной плоскости наилучшей установки линз интегрирующей оптической системы, отличающийся тем, что линейка фотоприемников развернута в вертикальной плоскости на половинный угол ширины диаграммы направленности отраженного дифрагированного пучка излучения от металлизации поверхностного топологического рисунка линейки фотоприемников вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной к оптической оси интегрирующей оптической системы и проходящей в плоскости чувствительных площадок линейки фотоприемников через их центры.