Акустооптический фазометр-частотомер

(51)5 С 01 К 25/О Бюп У 29А.А,Головко ,11,осипов тельство СССР Е 23/17, 986 ельство СССР К 25/00, 1987, Й. ФАЗОМЕТР-ЧАС О, вк ОиЬ Осится к радиоизи может быть исча ения фаз ель изо етеений. ельно ости изме посл а блок тиче е лазерэлектроо дключеннь авляющего Ьильтр 9 выпол половине период картины, 2 ил. к не- напря 1 ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕ П.НИЯМ И ОТКР:ТИЯМИ ГННТ СССР(7) Изобретение отнмерительной техникепользовано для измер трты радиосигналов, ноя - повышение точ Устр ойств о содержит оптически соединеннь ДФления луча на два ко модулятор 3 с по му генератором 4 упр жения, двухканальную акустическую ячейку 5. п.езопреобраэсптел. Г и 7 кот ор ОЙ под ключе 1 ь к 1:.ход 1;1 . с тр Ойст ва, линзу 8, гребенчатый пространственный фильтр 9, 11.1 оторемпк 1 О, содержащий метряу 11 ЬОТО 1 иодол, сумматор 15 и автоматический перек:псчатель .16, с подключенным к нему фазометром 8. Цель изобретения Достгается ввецснием Второго электроопти" ческого модулятора 9, подключенного к генератору 4 через фазоврашатель 2 лючением между фотоприемником 1 азометром 18 полосового фильт -17, а в фотопремнке 10 междутрицай 11 фотодиодоп и сумматоро 11 5 вычитающих элементов 14, входы корых соединены с с О ед 11 епым 1 по парно сЬотодиодами матрпы 11, 11 ри этом пространственный гребенчатыйее 1 с шагом, равныма интерференционойеймоИзобретение относится к радиоизмерительной технике и может бытьиспользовано для измерения Аазы ичастоты радиосигналов в ВЧ- и СВЧдиапазонах,5Цель изобретения - повышение точности измерений,На фиг.1 приведена схема акустооптического фазометра-частотомера; на 10фиг.2 - граАик распределения интенсивности света интерференционнойкартины (а) и расположение относительно него пространственных гребенчатых Аильтров в известием (б) и 15предлагаемом (в) Аазометрах-частотомерах.Акустооптический Аазометр-частотомер состоит иэ последовательно оптически соединенных. лазера 1, блока 2 2 Оделения луча лазера на два, первогоэлектрооптического модулятора З,раслоложенного на пути прохождения одного из раздельных световых лучей,а подключенным к нему гармоническим 25генератором 4 управляющего напряжения, двухканальную акустооптическуюячейку 5 с пьезопреобразователями6 и 7, подключенными к входам устройства, линзу 8, гребенчатый простран 30ственный Аильтр 9, расположенный вАокальной плоскости линзы 8, Аотоприемник 10, содержащий матрицу 11фотодиодов, причем выходы. соседнихфотодиодов 12 и 13, расположенныхв одном горизонтальном ряду, попарноподключены к входам вычитающих элементов 14, а выходы последних - квходам сумматора 15, Сумматор 15 через автоматический переключатель 16, 10выход которого является выходом Аотоприемника 10, соединен с полосовымАильтром 17, подключенным к фазометру 18. Второй электрический модулятор 19 расположен на пути прохожде"ния второго иэ раздельных световыхлучей между блоком 2 деления лучалазера на два и двухканальной акустооптической ячейкой 5 и подключен через Аазовращатель 20 на 7/2 к гене Оратору 4 управляющего напряжения.Акустооптический Аазометр-частотомер работает следующим образом.Луч лазера поступает на блок 2деления светового луча на два, Вкаждый из раздельных световых лучпомещается по электрооптическомудулятору 3 и 19, причем первыйэлектрооптический модулятор 3 соеди нен с генератором 4 управляющего синусоидального напряжения непосредственно, а второй электрооптический модулятор 19 соединен с генератором 4 синусоидального управляющего напряжения через Аазовращатель 20 на Т( /2. Таким образом, световые лучи на выходах электрооптических модуляторов 3 и 19 модулируются по Аазе синусоидальными сигналами, сдвинутыми по Аазе на Я 2. Фаза оптической несущей на выходе ЭОИ 3 и 19 изменяется в соответствии с приложенным напряжением от управляющего генератора 4 по законуИ з 1- Гп- П совй щле а в= К впЩ,где длина волны излучениялазера;электрооптическая постоянная;показатель преломления длянеобыкновенного луча;длина кристалла ЭОМ вдольраспространения светового. и толщина камплитудасинусоидалния;частота ужения;коэАфициености. исталла;прикладываемогоьного напряжео на равляемо онал пропо При подаче на входы акустооптической ячейки 5 исследуемого и опорного радиосигналов в ней с помощью пьеэопреобразователей 6 и 7 возбуждаются бегущие ультразвуковые волны, Падающие на ячейку световые лучи с разными частотами дифрагируют на ультразвуковых. столбах и в выходной плоскости линзы 8 образуют две интерференционные картины от дифрагировавших и недиАрагировавших световых лучей, поступающих через пространственный гребенчатый фильтр 9 на фотопри" емник 10Недифрагировавшие в двухканальной и акустооптической ячейке 5 пер5 1583866 вый и второй световые лучи в плоскости линзы описываются соотношениями разователей рас 8стояния между ними, пространственной частоты интерференционной картины и фокальнойплоскости линзы 8;Шв - кругоная частота света;Ос частота сигнала, подаваемого на пьезопреобразователи6 и 7;- сдвиг фаз между .сигналамина пьеэопреобразователях 15би 7,= 1 н в 1 п(Ы,+ К. в 1 п Я); н " 1 нвп(м + К совЯе 1,а дифрагировавшие снетовые лучи -соотношениями 119 = 1 в 1 п(ю й + в+ К впЯй);с 8 19 вп(с +ос" + 9 с ++ К совйй),н " 9 Интенсивность интерференционнойкартины в плоскости гребенчатого 2 О Аильтра 9 и фотоприемника 10 от недифрагированших. в двухканальнгй акустооптической ячейке 5 первого и второго световых лучей описывается выра, жением гд.е интенсивности не дифрагировавшихи диАрагированших световых лучей,зависящие от 1 (амплитуда интенсивности света), размеров пьезопреоб 25 к:аКй+ в 1 прЮ 1 ( - ) + 21 нв 1 п р 41,Тсов (2 К +, 1) (й )1 +4 ф К 1 Г 2 Г д ( - -) сов2 К(ДЕ --- )1 е 2 4 Соответственно интенсивность интерАеренционной картины от диАрагировавших в двухканальной акустооптической ячейке 5 световых лучей описывается соотношением 1 - 21 сов рР Х ( 1)(- -- )сов (2 К+1) (ЯТ --- + )1 +КГ 2И2 4 2 Кб . . КЕ Г 1 с+ 1 в 1 плФ, Л (- -- ) + 21 в 1 п рУ ",сов 2 К(й --- + Д9 9 ф 2 9 Р 9 2 к 4 2где 8 и У 9 - разность хода первого второго дифрагиронавших световыхи второго недиАрагиро- лучей вдоль вертикальной оси, а новавших и диАрагировав- мер ряда Аотоэлементов матрицы 11 фоших световых лучей от 45 тодиодон, на котором появляется Аодвухканальной акусто- . ,тоэлектрический сигнал, соответствуетоптической ячейки 5 значению частоты пр инятого сигналадо фокальной плоскости Фазовый сдвиг между сигналами,линзы 8, в которой рас-подаваемыми на пьезопреобраэонателиположены гребенчатый. 50 6 и 7, определяется как разность Аазпространственный Аильтрмежду сигналом биений от недифраги 9 и Аотоприемник 10; рованших световых лучей (опорный кар - несущественный здесь нал) и сигналом биений от дифрагирокоэМициент; вавших световых лучей, Ааза которогоА - Аункции Бесселя перво зависит от разности фаз входного раго рода -порядка. дно си гн ап а,Изменение частоты принимаемых ра- Как видно из выражения для . ин,диосигналрн приводит к смещению интер- , сигналы биений диАрагированших,Аеренпи джой картины от первого и и недифрагированших световых лучейсодержат гармоники частоты д ген:ратора А управляющего сигнала, причембиения дифрагировавших сигналов сдви"нуты по фазе на величину разностифаз сигналов Ч , поступающих на пьезопреобразователи 6 и 7. Подборомглубины модуляции фазы в модулятоК 12рах 3 и 19, т.е, величины " - , до"1 Обиваются максимальной амплитуды одной из гармоник биений, например пер"вой. При этом по свойствам ЬункцииБесселя остальные будут незначительными. 15Полосовой фильтр 17 выделяет,например, первые гармоники этих сигналов и с его выхода они поступают навход фазометра 18. Измерение разности Ьаз в фазометре 18 осуществля." 20ется методом преобразования разностифаз в фазометре во временной интер. вал с последующим его измерением,что на частоте управляющего генератора ч может быть выполнено достаточно точно,Точность измерения определяетсяинтенсивностью интерференционной кар".тины. Выходной сигнал каждого Ьотодиода матрицы 11 Ьотодиодов пропорционален интенсивности интерЬеренционной картины, Численные оценкипоказывают, что при выполнении гребенчатого пространственного Ьильтра 9с шагом равным половине периодафиг.2 в) интерференционной картины(фиг,2 а), и вычитании сигналов в каждой паре соседних окон Ьильтра достигается выигрыш по амплитуде полезного сигнала в 1,8-2 раза по сравне Онию с известным Ьазометром-частотоме"ром, в котором пространственныйфильтр выполнен с периодом интерЬе-ренционной картины (фиг,2 б),Введение в схему Ьазометра-часто" 45томера второго электрооптическогомодулятора 19, подключенного черезфазовращатель 20 на Т 1 /2 к генераторууправляющего сигнала, даетвозможность использовать в качестве 5 пгенератора 4 управляющего ,сигналагенератор гармонического напряжения,что позволяет повысить по сравнениюс известным точность измерения раз"ности фаз сигналов, поданных напьеэопреобразователи 6 и 7, так каксинусоидальный генератор может бытьвыполнен с очень высокой стабильностью. Кроме того, уменьшается шумовая составляющая ошибки измерения, обусловленная наличием обратного хода пилообразного напряжения в известном устройстве, упрощается реализация самого генератора управляющего сигнала с частотой Я , которая должна быть достаточно высокой и составлять не менее половины ширины спектральной линии лазера.В предлагаемом фаэометре-частотомере отсутствуют также ошибки измерения фазы, обусловленные нелинейностью пилообразного управляющего напряжения в известном, так как синусоидальное напряжение сравнительно легко может быть сЬормировано близким к идеальному.Таким образом, по сравнении с известным предлагаемый Ьазометр позволяет увеличить точность измерений за счет уменьшения шумовых и детерминированных составляющих погрешности измерения Ьазы и частоты,упрощения устройства управления сдвигом частоты света. К тому же дорогостоящий высококачественный генератор управляющего пипообразного напряжения заменен на генератор синусоидально" го колебания, Одновременно снижаются требования к электрооптическому модулятору по части рабочей полосы частот и, соответственно, к его конструкции.Формула изобретенияАкустооптический фазометр-частотомер, содержащий последовательно оптически соединенные лазер, блок деления луча лазера на два, электро- оптический модулятор, расположенный на пути прохождения одного из разделенных световых лучей, с подключенным к нему генератором управляющего напряжения, двухканальную акустооптическую ячейку, пьезопреобразователи каналов которой подключены к входам фазометра-частотомера, а каждый канал оптически связан с одним иэ разделенных световых лучей, линзу, гребенчатый пространственный фильтр, расположенный в Ьокальной плоскости линзы, фотоприемник, содержащий матрицу фотодиодов, сумматор и автомати" ческий переключатель, и Ьазометр, о т л и ч а ю,щ и й с я тем,что, с целью повышения точности измерений, введен второй электрооптичес1583866 Х Составитель И.КоновалРедактор А.Козориз Техред Л.Сердюкова Корректор н аказ 225 П раж о о изобретениям и от35, Раушская наб.,ИИП Государственного 113035, ытиям при ГК 4/5 митета осква комбинат "Патент",П.Ужгород, ул. гари зводственно-изда ск кий модулятор, расположенный на пути прохождения второго из разделен"ных световых лучей между блоком деления луча лазера на два и двухканальной акустооптической ячейкой,с подключенным к нему генераторомуправляющего напряжения через фазовращатель на Ю /2, генератор управляющего напряжения выполнен в виде генератора синусоидального напряжения, гребенчатый пространственный фильтр выполнен с шагом, равным половине периода интерференционной картины, между фотоприемником и фазометром введен полосовой фильтр, в фотоприемник между матрицей фото- диодов и сумматором введены вычитающие элементы, причем выходы соседних фотодиодов матрицы фотодиодов, 10 расположенных в одном горизонталь"ном ряду, попарно подключены к входам вычитающих элементов.