Результат интеллектуальной деятельности: АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиоастрономии и электромагнитном мониторинге эфира, при котором определяются направление на источник излучения и частота, на которой он излучает.

Известен акустооптический интерферометр (U.S. Patent 4297704, Marom et. al.), состоящий из пары ненаправленных приемных элементов электромагнитного излучения и акустооптического анализатора спектра (АОС) в интегральном исполнении. Характерной особенностью АОС является наличие двух встречно-штыревых возбудителей параллельных сонаправленных пучков поверхностных акустических волн, причем каждый встречно-штыревой возбудитель соединен со "своим" приемным элементом. Оптическая схема АОС содержит источник когерентного света, коллимирующую и Фурье - геодезические линзы и линейку фотодетекторов, сигналы с которой поступают в цифровой процессор для дальнейшей обработки.

В результате брегговской дифракции когерентного светового потока на паре акустических пучков образуются два коллинеарных световых пучка одинаковой частоты, имеющие взаимный фазовый сдвиг; эти пучки после геодезической Фурье-линзы интерферируют в плоскости расположения линейки фотодетекторов. В результирующем распределении интенсивности света на фотоприемнике выделяются три пика: главный, положение которого вдоль линейки однозначно связано с несущей частотой принятого радиоизлучения и два боковых, соотношение между амплитудами которых позволяет определить направление на источник излучения. Эти операции выполняет цифровой процессор, получающий электрический сигнал с линейки фотодетекторов. Достоинством данного акустооптического интерферометра является простота конструкции, а недостаток заключается в неоднозначности определения угла прихода радиоизлучения: не различаются углы прихода θ₁ и θ₂, для которых выполняется соотношение θ₁+θ₂=π. Однозначность обеспечивается лишь в диапазоне углов прихода -0.5π≤θ≤0.5π, т.е. в полупространстве.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является акустооптический интерферометр, описанный в статье А.В. Пуговкина "Акустооптические интерферометры" (Фотоника и оптоэлектроника, №4, 1993, с.84-95). Он содержит пару ненаправленных приемных элементов электромагнитного излучения и установленные на одной оптической оси: источник когерентного излучения, коллиматор, акустооптический модулятор, возбуждаемый парой пьезопреобразователей, присоединенными к приемным элементам, Фурье-линзу и фотоприемник, соединенный с цифровым процессором. Этот интерферометр позволяет одновременно определять как направление на источник электромагнитного излучения, так и его частоту. Схема этого интерферометра включает в себя два приемных элемента, сигналы с которых поступают в акустооптическую систему, состоящую из источника оптического когерентного излучения (чаще всего это полупроводниковый лазер), коллиматора, акустооптического модулятора (АОМ) с двумя пьезовозбудителями, Фурье-линзы, матричного фотоприемника на основе приборов с зарядовой связью и цифрового процессора. Выходы приемных элементов соединены с пьезовозбудителями, которые возбуждают в звукопроводе АОМ два акустических пучка, сдвинутых во времени на величину dsinθ/с (d - расстояние между приемными элементами, c - скорость света, θ - угол прихода принятого излучения). Лучи когерентного света, дифрагировавшие на акустических пучках, интерферируют в фокальной плоскости (ξ, η) Фурье-линзы и формируют световое распределение, которое считывается матричным фотоприемником. Интенсивность светового распределения вдоль пространственной координаты ξ, зависит от спектрального состава принятого излучения и локализована вокруг ξ_m=λFf₀/V (λ - длина волны света, F - фокусное расстояние Фурье-линзы, V - скорость акустических волн в АОМ, f₀ - несущая частота принятого радиоизлучения). Интенсивность вдоль координаты η представляет собой совокупность интерференционных полос, параллельных оси 0ξ с пространственным периодом λF/H (H - расстояние между акустическими пучками), начальное положение которых зависит от сдвига фаз принятых сигналов ψ=2πf₀dsinθ/c.

Таким образом, измеряя координату ξ_m "центра тяжести" распределения интенсивности света вдоль оси 0ξ, можно определить несущую частоту принятого радиоизлучения, а измеряя фазу пространственной несущей светового распределения вдоль оси 0η, определить угол прихода радиоизлучения. Достоинством акустооптического интерферометра является то, что он осуществляет параллельный анализ всей частотной полосы, в которой работает АОМ (до 1…1.5 ГГц).

Недостаток, присущий устройству, состоит в неоднозначности определения угла прихода радиоизлучения: не различаются углы прихода θ₁ и θ₂, для которых выполняется соотношение θ₁+θ₂=π. Однозначность обеспечивается лишь в диапазоне углов прихода -0.5π≤θ≤0.5π, т.е. в полупространстве.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание акустооптического интерферометра, позволяющего увеличить сектор однозначного определения угла прихода радиоизлучения до 360 градусов.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый интерферометр также, как и известный, содержит первую пару ненаправленных приемных элементов электромагнитного излучения и установленные на одной оптической оси: источник когерентного излучения, коллиматор, акустооптический модулятор, возбуждаемый первой парой пьезопреобразователей, присоединенными к приемным элементам, Фурье-линзу и фотоприемник, соединенный с цифровым процессором. Но, в отличие от известного, в предлагаемый интерферометр дополнительно введена вторая пара ненаправленных приемных элементов, установленных на прямой, перпендикулярной линии расположения первой пары приемных элементов и соединенные со входами фазовращателей на 90 градусов, причем выходы последних соединены с дополнительной парой пьезопреобразователей акустооптического модулятора.

Достигаемый технический результат-увеличение сектора углов, в котором однозначно определяется направление угла прихода радиоизлучения, до 360 градусов.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема предлагаемого акустооптического интерферометра, на фиг.2 приведены кривые распределения интенсивности света в плоскости матричного фотоприемника вдоль одной из координат для различных углов прихода радиоизлучения, на фиг.3 изображена схема прототипа.

Схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Антенная решетка (АР) состоит из четырех ненаправленных приемных элементов 1, 2, 3 и 4, расположенных в одной плоскости в углах квадрата с диагональю d. Акустооптическая часть содержит последовательно расположенные источник когерентного излучения 5, коллиматор 6, акустооптический модулятор (АОМ) 7, с четырьмя пьезовозбудителями 8, 9, 10 и 11, Фурье-линзы 12, матричного фотоприемника 13 и цифрового процессора 14. Выходы приемных элементов 1 и 2 АР соединены с парой центральных пьезовозбудителей 8 и 9 непосредственно, а выходы приемных элементов 3 и 4 соединены со второй парой пьезовозбудителей 10 и 11 через фазовращатели на 90⁰ 15 и 16 соответственно.

Устройство, которое можно условно назвать двухплечным акустооптическим интерферометром, работает следующим образом. Сигналы, принятые антенной решеткой, возбуждают в звукопроводе АОМ 7 четыре параллельных со направленных акустических пучка одинаковой частоты, но с различными фазами. На этих пучках независимым образом происходит дифракция когерентного светового потока, формируемого источником света 5 и коллиматором 6, что приводит к образованию в "выходной" плоскости АОМ четырех коллинеарных световых пучков одинаковой частоты с разными фазами. Сферическая линза 12 осуществляет двумерное пространственное преобразование Фурье этих пучков, в результате чего в плоскости матричного фотоприемника возникает интерференционная картина светового распределения. Характер этого распределения следующий. Вдоль координатной оси 0ξ разворачивается энергетический спектр принятого радиоизлучения, центрированный вокруг координаты ξ_m=λFf₀/V, где по-прежнему f₀ - несущая частота принятого радиоизлучения. Вдоль координатной оси 0η вследствие интерференции четырех коллинеарных световых пучков одинаковой частоты с разными фазами (которые зависят от угла прихода θ радиоизлучения) формируется распределение света, представление о котором дает фиг.2. На фиг.2 показаны кривые распределения интенсивности света вдоль нормированной координаты Y=hη/λF (h - ширина акустического пучка) для различных углов прихода θ радиоизлучения, который изменяется в пределах от -180° до +180° с шагом 36⁰. Соответствующие кривые промаркированы М0…М10. Видно, что при изменении угла прихода принятого излучения меняется количество максимумов, их величина и пространственное расположение вдоль нормированной координаты Y. Характер поведения кривых позволяет сделать вывод о чувствительности интерференционной картины к углу прихода радиоизлучения во всем круговом секторе обзора (360°). Фотоприемник 13 преобразует интенсивность света в электрический сигнал, поступающий в цифровой процессор 14, в котором осуществляется вычисление центральной частоты принятого радиоизлучения и однозначное направление его прихода во всем круговом секторе обзора (360°).