5.2 Симметричный бриллюэновский рефлектометр

Применение фотосмешения позволяет существенно повысить чувствительность рефлектометрических систем в условиях слабых сигналов и получить дополнительную информацию, заключающуюся в частотном смещении спектра обратно рассеянного сигнала. Поэтому данному способу построения систем измерения рамановского и бриллюэновского рассеяния уделяется значительное внимание. Однако создание таких систем невозможно без решения проблем, связанных с обеспечением стабильности передатчиков и гетеродинов по частоте, с учетом стабильности и частоты их разноса – промежуточной частоты.

Решение этой проблемы возможно либо за счет создания стабильных лазерных передатчиков и гетеродинов, их взаимной синхронизации, либо за счет применения новых способов преобразования частоты и создания нечувствительных к уходам частот передатчика и приемника [31, 32].

В [33] исследована работа и характеристики трехчастотной нелинейной гетеродинной системы, позволяющей устранить некоторые жесткие требования по стабильности частоты передатчика и гетеродина, необходимые для обычного гетеродинного приема, и в то же время имеет характерное для него почти идеальное отношение сигнал/шум. В системе используется двухчастотный передатчик и второй нелинейный приемник. Однако для осуществления такого способа необходимо создание стабильного УФДЛИ. С учетом этих общих замечаний нами предложена некоторая модернизация трехчастотной схемы. Предлагается использовать двухчастотный гетеродин на базе симметричного амплитудно-фазового УФДЛИ и нелинейный второй приемник. В результате такой модернизации рефлектометр бриллюэновского и рамановского рассеяния может быть представлен следующим образом (рис.5.1).

Рис.5.1. Структурная схема рефлектометра

с двухчастотным симметричным гетеродинированием

На выходе гетеродинного смесителя установлен полосовой фильтр. Сигнал с полосового фильтра подается на квадратичный приемник и далее на систему узкополосных фильтров.

5.2.1 Физические принципы работы системы с симметричным двухчастотным гетеродинированием.

Рассмотрим прохождение сигнала через такую систему. Предполагая, что в пределах апертуры фотодетектора обеспечивается пространственная погрешность первого порядка, амплитуды A₁ и A₂ составляющих излучения двухчастотного гетеродина поляризованы одинаково, для напряженности электрического поля на входе приемника можно записать

, (5.1)

где , и − угловые частоты составляющих двухчастотного гетеродина и принимаемого сигнала бриллюэновского рассеяния, ₁, ₂ и _s – их фазы.

С учетом закона Столетова, практически идеальной квадратичности фотоприемников оптического диапазона и значительного превышения интенсивности излучения гетеродина над интенсивностью сигнала выходной сигнал приемника состоит только из постоянных составляющих и составляющих с разностными частотами и описывается как

, (5.2)

где   коэффициент пропорциональности, учитывающий квантовую эффективность фотоприемника. В случае, когда волны не обладают пространственной когерентностью первого порядка и/или поляризованы в различных направлениях, сигнал I(t) уменьшается.

Полагая, что , а сигнал с выхода фотоприемника через заграждающий фильтр на частоте , поступает на второй квадратичный электронный приемник, получим

, (5.3)

(5.4)

При установке на выходе второго электронного приемника узкополосного пропускающего фильтра на частоту , его выходной сигнал будет представлять собой лишь изменение амплитуды обратнорассеянного сигнала без учета нестабильностей частоты передатчика

, (5.5)

где – коэффициент, характеризующий АЧХ фильтра, а – полоса бриллюэновского сигнала.

Составляющая с частотой характеризует бриллюэновское смещение частоты относительно частот ₁ и ₂, равное . Целесообразно, чтобы при зондировании начальная частота передатчика соответствовала средней частоте излучения гетеродина, то есть . Появление свидетельствует о наличии бриллюэновского рассеяния.