Анализатор спектра

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 3/16 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ г ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР . ДЕЛАМ ИЗОБ ЕТЕНИй И ОТНРЫТИй(71) Ленинградский ордена Ленинаэлектротехнический институтим. В.И.Ульянова (Ленина)(54) (57) 1. АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий оптически связанные источник когерентного света, коллиматор,фокусирующую линзу, первый и второйакустооптические модуляторы, пьезопреобразователи которых соединеныс выходом первого генератора линейно-частотно-модулированного сигнала,первую сферическую линзу, третийакустооптический модулятор, пьезопреобраэователь которого соединенс выходом второго генератора линейно-частотно-модулированного сигнала,четвертый акустооптический модулятор, пьезопреобраэователь которогосоединен с выходом коммутатора, вторую сферическую линзу, за которойрасположен фотоприемник, причем третий и четвертый акустооптическиймодуляторы расположены в заднейфокальной плоскости первой сферической,линзы и в передней фокальной 801129545 А плоскости второй сферической линзы и развернуты вокруг оптической оси на 90 по отношению к первому и второму акустооптическим модуляторам а также синхронизатор, вход которого соединен с входом коммутатора, первый выход синхронизатора подсоединен к входам первого и второго генераторов линейно-частотно-модулированных сигналов, а второй - с запускающим входом фотоприемника и управляющим входом коммутатора, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с делью повышения точности, элементы анализатора размещены в одном оптическом канале, причем первый и второй акустооптичес .кие модуляторы объединены в пару., при этом их пьеэопреобразователи расположены на противоположных гранях акустооптических модуляторов, а дентры третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположенййа Й оси,перпендикулярной к плоскости лье эопреобраэователей,первого и второго акустооптических модуляторов в проти 1 воположные от оптической оси сторо" ны, расстояние между которыми. удовлетворяет соотношению3"см-ср г Ч де 1 с - средняя частота в поносе частот первого линейно- частотно-модулированного сигнала; Р - фокусное расстояние первой фсферической линзы;- длина волны света; Ч - скорость ультразвуковых воли в первом и втором акустооптических модулято рах,1295 ч 5 1 причем пьеэопреобразователи третьего и четвертого акустооптических мо. дуляторов расположены на их одноименных гранях,2. Анализатор по п. 1, о т л и- ч а ю щ и й с я тем, что синхронизатор содержит элемент дифференцирования, вход которого является входом синхронизатора, а выход соединенс входом первого ждущего мультивибратора, выходкоторого являетсяпервым выходом синхронизатора, ичерез второй ждущий мультивибраторс входом третьего ждущего мультивибратора, выход которого являетсявторым выходом синхронизатора.Изобретение относится к измери. тельной технике и может быть исполь".зовано для определения спектров сигналов в радиосистемах в реальноммасштабе времени. 5Известен двумерный акустооптический анализатор спектра с пространственным интегрированием, содержащийисточник когерентного света, коллиматор, фокусирующую линзу, акустооптический модулятор, линзу прямогопреобразования фурье, дефлектор, линзу обратного преобразования фурье,пространственно-временной модуляторсвета типа РВОМ, источник считывающего светового пучка, сферическуюлинзу, фотоприемник1 ,Недостатками известного устройства являются большие трудности припостроении системы адресации светового пучка и отсутствие достаточнокачественного и доступного двумерного пространственно-временного модуля-.тора света.25Наиболее близким к предлагаемому является анализатор спектра, содержащий источник когерентного света, светоделитель, зеркала и линзы дляобразования двух коллимированных ЗО световых пучков., соответствующих двум оптическим каналам. Один оптический канал включает первую фокусирующую линзу, первый акустооптичес. кий модулятор, пьезопреобразователь которого соединен с выходом первого генератора ЛЧИ сигнала; первую сферическую линзу, второй акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соедйнеи с выходом второго генератора линейно-частотно-модулиро ванного сигнала, вторую сферическую линзу, а другой - вторую фокусирующую линзу, третий акустооптическиймодулятор, пьезопреобразователь кото.рого соединен с выходом входногокоммутатора, третью сферическую линзу, четвертый акустооптический модулятор, пьезопреобразователь которогосоединен с выходом первого генератора линейно-частотно-модулированного сигнала, четвертую и пятуюсферические линзы, расположенные последовательно, а также синхронизатор, причем световые пучки первогои второго каналов сходятся на фото-,приемнике 21Недостатком данного спектроанализатора является то, что его схемапостроена по принципу регистрацииголограмм с внеосевым опорным пучкоми вследствие этого недостаточнаяточность из-за увеличенного отношения сигнал/шум,Цель изобретения - повышение точности,Цель изобретения достигаетсятем, что в анализаторе спектра, содержащем оптически связанные источник когерентного света, коллиматор,фокусирующую линзу, первый и второйакустооптические модуляторы, пьезопреобразователи которых соединеныс выходом первого генератора линейночастотно-модулированного сигнала,первую сферическую линзу, третийакустооптический модулятор, пьезопреобразователь которого соединенс выходом второго генератора линейно-частотно-модулированного сигналй,четвертый акустооптический модулятор,пьезопреобразователь которого соединен с выходом коммутатора, вторуюсферическую линзу, за которой расположен фотоприемник, причем третийи четвеэтый акустооптический модуля3 11295 торы расположены в задней фокальной плоскости первой сферической линзы и в передней фокальной плоскости второй сферической линзы и развернуты вокруг оптической оси на 90 по5 отношению к первому и второму акчстооптическим модуляторам, а также синхронизатор, вход которого соединен с входом коммутатора, первый выход синхронизатора подсоединен к входам1 О первого и второго генераторов линейно-частотно-модулированных сигналов, а второй - с запускающим входом фотоприемника и управляющим входом коммутатора, элементы анализатора размещены в одном оптическом канале,15 причем первый и второй акустооптические модуляторы объединены в пару, при этом их пьезЪпреобразователи расположены на противоположных гранях акустооптических модуляторов, а центры третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположены на оси, перпендикулярной к плоскости пьезопреобразователей первого и вто 25 рого акустооптических модуляторов в противоположные от оптической оси стЬроны, расстояние между которыми удовлетворяет. соотношениюЛ-Г Русм сР 2 Чф 30 положению плюс первого и минус нервого дифракционных порядков от акустооптических модуляторов 4 и 5. Кроме того, третий и четвертый модуляторы 10 и 11 развернуты вокруг оптической оси устройства на 90 по отношению к модуляторам 4 и,5, а их пьезопреобразователи 12 и 13 соответственно размещены на одноименных гранях акустооптических модуляторов, Пьезопреобразователь 12 третьего модулятора 10 соединен с выходом второго генератора 14 линейно-частотно-модулированного сигнала, а пьезопреобразователь 13 чертвертого модулятора 11 соединен с выходом коммутатора 15. После модуляторов 10 и 11 на оптической оси устройства последовательно расположены вторая сферическая линза 1 б с фокусным расстоянием Р и фотоприемник 17. Выход фотоприемника служит выходом спектроанализатора. Кроме того, анализатор спектра имеет синхронизатор 18, вход которого соединен с сигнальным входом коммутатора 15, первый выход - с запускающими входами первого и второго генераторов 8 и 14.линейно-частотно-модулированных сигналов, второй выход - с запускающим входом фотоприемника 17 и управляющим входом коммутатора 15. Синхронизатор 18 (фиг. 2) содержит элемент дифференцирования 19, вход которого является входом синхронизатора 18, а выход соединен с входами где Й - средняя частота в полосечастот первого линейночастотно-модулированногосигнала;Р 2 - фокусное расстояние первой .35сферической линзы;- длина волны света;Ч - скорость ультразвуковыхволн в первом и второмакустооптических модуляторах,причем пьезопреобразователи третьего и четвертого акустооптических модуляторов расположены на их одноименных гранях. 45Кроме того, синхронизатор содержит элемент дифференцирования, входкоторогоявляется входом синхронизатора, а выход соединен с входом первого ждущего мультивибратора, выход 50которого является первым выходом синхронизатора, и через второй ждущиймультивибратор - с входом третьегождущего мультивибратора, выход которого является вторым выходом синхронизатора,На фиг.,1 представлена схема анализатора спектра; на фиг, 2 - блок 45 4схема синхронизатора; на фиг3 - временные диаграммы, поясняющие временной режим работы анализатора. Анализатор спектра содержит (фиг. 1) оптически связанные источни. ки когерентного света 1, коллиматор 2, фокусирующую линзу 3 с фокусным расстоянием Р 1, первый и второй акустические модуляторы 4 и 5, объединенные в пару так, что их пьезопреобразователи б и 7 соответственно расположены на противоположных гранях и соединены с выходом первого генератора 8 линейно-частотно- модулированного сигнала, первую сферическую линзу 9 с фокусным расстоянием Р , третий и четвертый акус. тооптические модуляторы 10 и 11, причем центры последних смещены вдоль оси у в противоположные от оптической оси стороны на расстояние у =УС, Р - , которое соответствует129545 О первого и второго ждущих мультивиораторов 20 и 21. Выход первого ждущегомультивибратора 20 является первымвыходом синхронизатора, а выход второго ждущего мультивибратора 21соединен с входом третьего ждущегомультивибратора 22, выход которогоявляется вторым выходом синхронизатора.Устройство работает следующимобразом.Пусть в момейт времени С=О навход анализатора спектра поступаетанализируемый сигнал 23 (фиг, 3)п(С) а(С)совиl С+У(й),где ыо"2 яг.о ,Е, аИ),Ч(й) - несущая частота, законыамплитудной и фазовой модуляции сигнала 23 соответственно При этом сигнал 23 поступает на входкоммутатора 15, который не пропускает сигнал 23 на пьезопреобразова- - 25тель 13. Одновременно сигнал 23поступает на вход синхронизатора 18,в котором элемент дифференцирования 19 формирует сигнал 24, соответствующий переднему фронту анализируе-З 0мого сигнала 23, Сигнал 24 запускаетждущие мультивибраторы 20 и 21.Мультивибратор 20 формирует сигнал 25длительностью Т+4 ИЧ,где Т - длительность анализируемойвыборки сигнала,2 Ь - размер апертуры модулятора.Сигнал 25 поступает с первого выхода синхронизатора 18 на запускающиевходы первого и второго генераторов 8, 14 линейно-частотно-модулиро-ванных сигналов. Генераторы 8 и 14работают в ждущем режиме и, пока наих запускающие входы поступает сигнал 25, генерируют сигналы. При этом45с выхода первого генератора 8 на пьезопреобразователь 6 модулятора 4 "и на пьезопреобразовательмодулятора 5 поступает сигнал со скоростью изменения частоты г а с вы 50хода второго генератора 14 иа пьезопреобразователь 12 модулятора 10поступает периодический линейно"частотно-модулированный сигнал с периодом 21./Ч и скоростью изменениячастоты у . Пьезопреобразователи 6,7 и 12 преобразуют электрическиесигналы в акустические волны, распро-,страняющиеся в модуляторах 4,5 и 10 соответственно. Мультивибратор 21 формирует импульс 26 длительностью 2 Ь/Ч, по заднему фронту которого запускается мультивибратор 22. К моменту времени 2 Ь/Ч апертуры модуляторов 4,5 и 10 полностью заполнены акустическими волнами и готовы к выполнению алгоритма преобразования Фурье., Мультивибратор 22 формирует сигнал 27 длительностью Т, который со второго выхода синхронизатора 18 поступает на управляющий вход коммутатора 15 и на запускающий вход фотоприемника 17. При этом в течение времени Т коммутатор 15 пропускает сигнал. 23 на пьезопреобразователь 13, который преобразует его в акустическую волну, распространяющуюся в модуляторе 11, а фотоприемник 17 осуществляет накопление до момента времени Т+4 Е/Ч,. Световой пучок от источника 1 расширяется коллиматором 2 и фокусируется линзой 3 на апертуру модуляторов 4 и 5. Свет дифрагирует на акустических волнах в модуляторах 4 и 5. Линза 9 осуществляет пространственное преобразование Фурье над световым распределением в выходной плоскости модуляторов 5 и фокусирует его на апертуры модуляторов 10 и 11, которые помещены в областях расположения первых дифракционных порядков от модуляторов 4 и 5Далее свет дифрагирует на акустических волнах в модуляторах 10 и 11. Линза 16 осуществляет пространственное преобразование Фурье над световым распределением в выходной плоскости модуляторов 10 и 11 и фокусирует первый дифракционный порядок от модуляторов 10 и 11 на апертуру фотоприемника 17. Фотоприемник 17 осуществляет накопление заряда в соответствии с распределением интенсивности света, падающего на его апертуру. С момента времени Т+2 Ь/Ч окончания действия сигнала 27 на управляющий вход коммутатора 15 последний не пропускает сигнал 23 на пьезопреобразователь 13. В момент времени Т+4 Ь/Ч сигнал 25 перестает воздействовать на генераторы 8 и 14 и линейно-частотно-модулированные сигналы более не генерируются. С момента времени Т+4 Ь/Ч до момента (Т+4 Ь/Ч)+Т сч 11 где Т ц - время считывания заряда фотоприемника,.с фотоприемника 17 выводится сигнал 28 ПьыИ), содержащий радиочастотную составляющую,промодулированную по амплитуде амплитудным, а по фазе - фаэовым спект рами сигнала 23 П.Изобретение позволяет увеличить отношение сигнал/помеха в выходном сигнале акустооптического анализатора спектра с пространственным и временным интегрированием и упрощает оптическую часть его схемы. Вибрации оптических элементов схемы приводят к появлению множителя:Вугде 1 - произведение по индексу"к",В - ухудшение видности (глубины модуляции) полезной сос.тавляющей в распределениизаряда, определяемое вибрацией к-го элемента оптической схемы;к=1,2,3,Амплитуда полезной составляющей заряда в схеме прототипа по сравнению с предлагаемой схемой иэ-за наличия зеркал в первой из них значительно меньше. Для практической реа" лизации схемы с двумя оптическими путями необходимо 4-6 зеркал. Возьмем минимальное число 4. Для к-го зеркала В имеет вид:Вк=/1 (а 2 ЛЬ/Л)/,где 10(я) - функция Бесселя нулевого порядка; а - постоянный коэффициент.а=2, к=4, получим:П й 0,063.Гаким образом полезная составляющая накопленного на фотоприемннкезаряда для схемы прототипа в 16 раз 10 меньше, чем для схемы анализатораспектра по изобретению. При этом неучитывалось влияние вибрации линз,которых у схемы прототипа в 2 разабольше, а также уменьшение амплиту ды полезной составляющей заряда засчет возможного наличия разностихода световых пучков в двух оптических каналах. Так как помеховая составляющая заряда в обеих схемах оди 2 о иакова, то, следовательно, отношениесигнал/помеха в выходном сигналепредлагаемого анализатора спектра бо.лее чем,в 16 раз выше, чем в схемеанализатора-прототипа.25 Предлагаемый анализатор спектра,сочетая широкую полосу анализа и вы-сокое разрешение по частоте, является наиболее перспективным в классеакустооптических анализаторов спектра и позволяет эффективно решатьзадачу широкополосного спектрального анализа сигналов в реальном времени с высоким разрешением.