Электрооптический анализатор спектра

(71) Заявитель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Изобретение относится к области оптических методов обработки сигналов и может применяться для измерения спектральных составляющих радиосигналовю. Техническая задача - увеличение разрешающей способности анализа спектра. Поставленная техническая задача решается тем, что в известное устройство, содержащее лазер, видеокамеру и оптически последовательно связанные электрооптический модулятор (ЭОМ), отрезок волокна, коллимирующую линзу, эталон, введены управляемый диспергирующий элемент, оптически связанный с лазером и ЭОМ, а также первое и второе зеркала и первая и вторая линейки фотоприемников, последние оптически связаны с соответствующими зеркалами, а электрически - с видеокамерой, причем первое и второе зеркала оптически Фиг. 1 Изобретение относится к области оптических методов обработки сигналов и может быть использовано для измерения спектральных составляющих радио и микроволновых сигналов. Известен оптический анализатор спектра 1, состоящий из последовательно установленных, оптически связанных поляризатора и светоделителя, электрооптического модулятора (ЭОМ), каждый из 2 выходов которого оптически связан с блоком анализаторов, 4 выходов последних оптически связаны с блоком фотоприемников, выходы которых соединены с последовательно подключенными блоками интеграторов и блоком суммирующих и дифференцирующих усилителей, причем блок интеграторов и блок суммирующих и дифференцирующих усилителей соединены с коммутатором, регистратором и счетным триггером. Описанное устройство не позволяет получить высокую разрешающую способность спектрального анализа, т.к. количество анализируемых спектральных компонент ограничено числом каскадов ЭОМ. Кроме того,полоса анализируемых частот ограничена сверху величиной 420 МГц, которая задается параметрами используемого объемного каскадного ЭОМ. 4619 1 Известен анализатор спектра радиочастот 2, состоящий из последовательно соединенных антенны, усилителя, блока электронных фильтров, блока оптических генераторов (лазеров) с выходными волоконными фильтрами, блока детектирования, блока вычисления спектральных компонент. Данное устройство не позволяет реализовать высокую разрешающую способность, т.к. разветвление широкополостного сигнала в электронном тракте затрудняет получение большого числа (100) параллельно работающих каналов анализа, а использование волоконных фильтров требует применения специальных мер для стабилизации средних значений анализируемых частот. Наиболее близким по технической сущности является электрооптический анализатор спектра 3, содержащий оптически последовательно связанные лазер, линзу, первое волокно, электрооптический модулятор(ЭОМ), второе волокно, коллимирующую линзу, цилиндрическую линзу, эталон, объектив, видеокамеру. Описанное устройство не позволяет получить достаточно высокую разрешающую способность измерения спектра, т.к. при светопропускании эталона 0,5 невозможно получить более 200 эффективно разрешаемых на выходе полос (Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Под ред. Г.П. Мотулевич. - М. Наука, 1973. - С. 304). Кроме того, потери излучения в большом количестве оптических элементов, уменьшая полезный сигнал, так же снижают разрешающую способность устройства, особенно для спектральных компонент, появляющихся и исчезающих в течение времени накопления видеокамеры. Широкий спектр лазерного источника света также ограничивает разрешающую способность определения спектра радиосигнала. Техническая задача - увеличение разрешающей способности анализа спектра. Поставленная техническая задача в заявленном устройстве решается тем, что в электрооптический анализатор спектра, содержащий лазер, видеокамеру и оптически последовательно связанные ЭОМ, отрезок волокна, коллимирующую линзу, цилиндрическую линзу, эталон, введены диспергирующий элемент,оптически связанный с лазером и ЭОМ, первое и второе зеркала, оптически связанные с эталоном, первая и вторая линейки фотоприемников, оптически связанные с соответствующими зеркалами и электрически - с видеокамерой. Эффективное решение поставленной задачи достигается за счет использования в качестве диспергирующего элемента управляемой дифракционной решетки. Увеличение разрешающей способности анализа спектра в предлагаемом изобретении достигается за счет существенного сужения спектра генерации лазера с диспергирующим элементом в качестве внешнего резонатора. В этом случае становится возможным получение 1000 точек разрешения в спектре радиосигнала,которые можно измерить на 3-х линейках фотоприемников, общее количество фотоприемников в которых может достигать 6000. Кроме того, управление спектром генерации лазера позволяет исключить погрешности спектрального анализа, связанные с дискретностью расположения фотоприемников в видеокамере. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2. На фиг. 1 приведена блок-схема заявляемого устройства,где 1 - лазер, 2 - диспергирующий элемент, 3 - электрооптический модулятор (ЭОМ), 4 - отрезок волокна, 5 коллимирующая линза, 6 - цилиндрическая линза, 7 - эталон, 8, 9 - первое и второе зеркала, 10 - видеокамера,11, 12 - первая и вторая линейки фотоприемников (ЛФ). На фиг. 2 приведен участок распределения интенсивности светового излучения в плоскости детектирования, состоящий из двух близко расположенных частот спектра (а), где б - расположение фотоприемников в плоскости детектирования до смещения частоты лазерного излучения, в - после указанного выше смещения. В заявленном устройстве (фиг. 1) лазер 1 через диспергирующий элемент 2, ЭОМ 3, отрезок волокна 4,коллимирующую линзу 5, цилиндрическую линзу 6 оптически связан с эталоном 7, который оптически связан с первым 8 и вторым 9 зеркалами и видеокамерой 10, последняя соединена с первой 10 и второй 11 ЛФ,которые оптически связаны с эталоном 7. В конкретном исполнении лазер 1 - одномодовыйлазерный диод с распределенной обратной связью с длиной волны излучения 0,9 мкм диспергирующий элемент 2 - дифракционная решетка, выполненная в виде одномодового оптического волновода с периодическим изменением показателя преломления по длине волновода с шагом около 0,4 мкм, получена путем диффузиив приповерхностный слой кристалла 3 Х-среза -распространения, электроды управления функцией пропускания дифракционной решетки расположены вдоль указанного выше волновода, управляющее напряжение 2 В при толщине волновода 5 мкм ЭОМ 3 - амплитудный электрооптический модулятор Маха-Цендера, работающий в режиме бегущей волны, имеющий оптические волноводы шириной около 5 мкм и напряжение переключения около 2 В для ТЕ-моды оптического излучения, модулятор выполнен на одном и том же кристалле вместе с диспергирующим элементом 2 отрезок волокна 4 - участок одномодового оптического волокна, состыкованный с выходом ЭОМ коллимирующая линза 5 - короткофокусная сферическая линза, цилиндрическая линза 6 - это стандартная цилиндрическая линза, фокусное расстояние которой согласовано с входной апертурой эталона 7 эталон 7 - это интерферометр Фабри-Перо, базовое расстояние которого (1,5 см) выбирается, исходя из требуемого диапазона частот радиосигнала (10 ГГц), первое 8 и второе 9 зеркала - глухие зеркала, расположенные под углом 45 к направлению распространения светового излучения после эталона 7 видеокамера 10 - это линейка фотоприемников ПЗС типа К 1200 Цл 4 со стандартной схемой управления, первое 11 и второе 12 ЛФ это также линейки фотоприемников ПЗС типа К 1200 Цл 4. 4619 1 Работает устройство следующим образом. Непрерывный оптический сигнал с выхода лазера 1 поступает в состыкованный с ним диспергирующий элемент 2, спектральные компоненты указанного сигнала, соответствующие области отражения диспергирующего элемента 2 возвращаются обратно в резонатор лазера 1, и на выходе диспергирующего элемента 2 за счет такой обратной связи спектр несущего оптического сигнала существенно сужается. Узкополосный оптический сигнал далее поступает на вход ЭОМ 3, где электрическим путем, за счет модуляции, его спектр пополняется измеряемыми спектральными компонентами 1,1. Далее несущий оптический сигнал через отрезок волокна 4, коллимирующую линзу 5, цилиндрическую линзу 6 поступает в эталон 7, на выходе которого в области детектирования присутствуют интерференционные максимумы интенсивности, соответствующие как несущей частоте, так измеряемым частотам 11. Область детектирования на выходе эталона 7 с помощью первого 8 и второго 9 зеркал разбивается на 3 области, причем в центральной из них размещается ЛФ видеокамеры 10, а в двух других - первая 11 и вторая 12 ЛФ, выходы управления которых соединены с видеокамерой 10. Выходные сигналы первой 11, второй 12 ЛФ и ЛФ видеокамеры 10 используются для вычисления значений измеряемых частот 11, а также амплитуд соответствующих спектральных компонент. Причем, если в плоскости детектирования (фиг. 2) расположение фотоприемников относительно максимумов интерференционной картины (а) соответствует положению (в), то спектральный состав может быть определен с высокой точностью, не ограниченной дискретным расположением фотоприемников. Для положения фотоприемников в плоскости детектирования (б) указанная точность достигается смещением интерференционной картины, которое осуществляется подачей напряжения на диспергирующий элемент 2. В предлагаемом изобретении исключаются ограничения разрешающей способности определения спектра,связанные с конечным количеством фотоприемников в ЛФ видеокамеры, дискретным расположением фотоприемников в них, а также наличием в прототипе достаточно широкого спектра излучения лазера 15 МГц. В описанном устройстве возможно получение полуширины несущей оптической частоты 10 кГц и количества разрешаемых спектральных компонент более 1000, т.е. в 5 раз больше, чем в прототипе. Источники информации 1. А.с. СССР 1503037, 1989. 2. Пат. США 4695790. 3. Пат. США 5481183. 1. Электрооптический анализатор спектра, содержащий лазер, видеокамеру и оптически последовательно связанные электрооптический модулятор, отрезок волокна, коллимирующую линзу, цилиндрическую линзу,эталон, отличающийся тем, что введены диспергирующий элемент, оптически связанный с лазером и электрооптическим модулятором, первое и второе зеркала, оптически связанные с эталоном, первая и вторая линейки фотоприемников, оптически связанные с соответствующими зеркалами и электрически - с видеокамерой. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диспергирующий элемент выполнен в виде управляемой дифракционной решетки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.