Współczesne technologie systemów radiolokacyjnych wykorzystywanych na współczesnych polach walki w zakresie wojny elektronicznej (namierzanie obiektów przeciwnika oraz rejestracja źródeł sygnałów) wymuszają stały rozwój metod i doskonalenie przyrządów pomiarowych w połączeniu z ich automatyzacją i komputeryzacją. Obecnie wykorzystywane Akusto-Optyczne Analizatory widma (AOA), opracowane w Instytucie Optyki Stosowanej (INOS) pełnią z powodzeniem rolę w polskiej armii, uzyskując bardzo wysokie oceny, a jego możliwościami zainteresowane są również inne służby mundurowe, zwłaszcza w związku z rosnącym zagrożeniem atakiem terrorystycznym. Oceny te znalazły odzwierciedlenie w specjalnym wyróżnieniu przyznanemu na XII Międzynarodowym Salonie Przemysłu Obronnego w Kielcach pojazdowi wojskowemu, którego jednym z najważniejszych elementów był opracowany w INOS układ AOA. Systemy proponowane do objęcia ochroną patentową doskonale wpisują się w obecną politykę prowadzoną przez Unię Europejską. Rozwój nowoczesnych technologii produkcyjnych, w tym rozwój nanotechnologii umożliwi polskim firmom zbrojeniowym uzyskanie przewagi technologicznej nad producentami z krajów UE oraz spoza jej granic. Należy podkreślić, że tego typu systemy, wykorzystujące rozwiązania opracowane w INOS, są wysoce innowacyjne. Nowo proponowane rozwiązania technologii pomiarowej mogą stać się wizytówką polskiej myśli technicznej oraz znaleźć zastosowanie w tak kluczowych gałęziach gospodarki, takich jak przemysł elektroniczny, optoelektroniczny oraz w przemyśle zbrojeniowym, który coraz częściej oferuje produkty wysokich technologii, będące odpowiedzią na zapotrzebowanie współczesnej, nowoczesnej armii zawodowej.
Projekt ma na celu przygotowanie oraz złożenie dokumentacji wymaganej do przeprowadzenia procedur patentowych w Polsce, a także rozszerzenia ochrony polskiego zgłoszenia w europejskim urzędzie patentowym (zgodnie z procedurą EURO/PCT). W ramach realizacji projektu uzyskany patent europejski będzie walidowany w wybranych krajach Unii Europejskiej takich jak: Niemcy, Francja, Włochy, Finlandia. Do ochrony patentowej zgłoszone zostaną najnowsze układy technologiczne opracowane w Instytucie Optyki Stosowanej i wykorzystywane w akusto optycznych układach AOA do detekcji, pomiaru i analizy parametrów częstotliwościowych, amplitudowych, czasowych i kątowych sygnałów elektrycznych wysokiej częstotliwości.
Zabezpieczenie wartości intelektualnej opracowanych rozwiązań na terenie Polski oraz innych Państw UE pozwoli na zwiększenie konkurencyjności na rynkach globalnych polskich firm zbrojeniowych, oraz Instytutów badawczych korzystających z opracowanych rozwiązań. Ponadto objęcie ochroną patentową wybranych rozwiązań może mieć wpływ na udoskonalenie produkowanych już urządzeń, a tym samym na wzrost obronności kraju.
Do analizy i pomiarów charakterystyki częstotliwościowej widma elektrycznych sygnałów (impulsowych i ciągłych) o wysokiej częstości nośnej RF (Radio Frequency) stosuje się Akusto-Optyczne Analizatory widma (AOA).
Pozwalają one na analizę sygnałów w bardzo szerokim paśmie częstotliwości - kilkanaście GHz z rozdzielczością od kilkudziesięciu kHz do 1 MHz. Układy detekcyjne z AOA charakteryzują się bardzo wysokim stosunkiem sygnał/szum.
Sygnał elektryczny wysokiej częstotliwości doprowadzany jest do Przetwornika Piezoelektrycznego (PP), przytwierdzonego do kryształu optycznego. Układ przetwornika PP wraz z kryształem nazywany jest Przetwornikiem Akusto-Optycznym (PAO).
Przetwornik PP pod wpływem sygnału elektrycznego zaczyna drgać i tym samym wzbudza w krysztale rozchodzącą się w nim falę akustyczną. Fala ta powoduje powstawanie periodycznych naprężeń w krysztale, które modulują jego parametry optyczne takie jak współczynniki załamania i dwójłomność. Skutkiem tego w krysztale tworzy się periodyczna fazowa siatka dyfrakcyjna, której okres jest funkcją częstotliwości sygnału RF, oraz prędkości rozchodzenia się fali akustycznej w krysztale.
Jeśli na kryształ z rozchodzącą się w nim falą akustyczną padnie równoległa wiązka monochromatycznego światła laserowego, to zostanie ona dzięki zjawisku dyfrakcji ugięta i odchylona pod pewnym kątem. Jeśli za kryształem ustawimy soczewkę, to w płaszczyźnie ogniskowej soczewki zostanie skupiona zarówno wiązka nieugięta (w punkcie F0 leżącym na osi wiązki padającej) jak i ugięta (w punkcie Ff leżącym poza osią wiązki padającej). W Odległość punktów F0 i Ff jest funkcją okresu wytworzonej w krysztale siatki dyfrakcyjnej, a co za tym idzie funkcją częstotliwości sygnału RF. Rozkład natężenia światła w płaszczyźnie ogniskowej opisywany jest transformatą Fouriera funkcji opisującej rozkład współczynnika załamania w płaszczyźnie rozchodzenia fali akustycznej. Transformacja Fouriera, dokonywana przez światło, nazywana jest optyczną transformacją Fouriera.
Jeśli w płaszczyźnie ogniskowej soczewki w linię łączącą punkty F0 i Ff wstawimy układ fotodetektorów (np. linijkę CCD), to po wyskalowaniu każdemu fotodetektorowi fotolinijki odpowiadać będzie ściśle określona częstotliwość sygnału elektrycznego dochodzącego do przetwornika PAO. Wartość sygnału odczytywanego z fotodetektorów będzie proporcjonalna do amplitudy odpowiadającej mu harmonicznej sygnału RF.
Układ złożony z PAO, źródła światła monochromatycznego, układu optycznego i linijki fotodetektorów nazywany jest Akusto-Optycznym Analizatorem widma, pozwala określić składowe harmoniczne sygnału RF. Opisany układ pracuje w konfiguracji Deflektora Akusto-Optycznego (DAO).
Analiza częstotliwościowa dokonywana przez AOA, pracujący w konfiguracji deflektora, posiada szereg zalet w stosunku do analizy dokonywanej w klasycznych układach elektronicznych.
Pierwsza istotna różnica dotyczy sposobu analizy sygnału. Układ AOA dokonuje analizy sygnału RF dochodzącego do przetwornika PAO za pomocą optycznej transformacji Fouriera. Transformacja Fouriera z przebiegu czasowego impulsu wyznacza zarówno jego częstotliwość jak i amplitudę (dokonuje analizy widma częstotliwościowego sygnału). Analizy tej dokonuje światło, z szybkością światła i w sposób równoległy co oznacza, że światło dokonuje tej analizy natychmiast jak tylko impulsy dotrą do przetwornika, a informacja o ich częstotliwościach uzyskiwana jest jednocześnie w tym samym czasie (nie musimy analizować każdego impulsu oddzielnie).
Drugą istotną różnicą jest wykorzystanie własności transformacji Fouriera, która pozwala na wydobycie sygnału spod silnego szumu, gdzie klasyczne metody analizy elektronicznej zawodzą. Dzięki temu mamy możliwość rejestracji bardzo słabych sygnałów występujących na tle silnych zakłóceń.
Trzecim niezwykle ważnym elementem tej analizy jest to, że wydobywa ona jednocześnie całą informację o wszystkich sygnałach w analizowanym paśmie, które w tym samym przedziale czasu dotrą do przetwornika akusto-optycznego.
Opracowane i wdrożone przez Instytut Optyki Stosowanej urządzenia charakteryzują się następującymi parametrami:
Układy AOA wykorzystywane są obecnie z powodzeniem w polskiej armii. Sprzężone z komputerowymi układami analizującymi w czasie rzeczywistym rejestrowane sygnały elektroniczne możliwe jest wykrycie potencjalnych zagrożeń, współpracy z ośrodkami obrony oraz podjęcie odpowiednich przeciwdziałań.
Opisany powyżej układ posiada jednak pewne ograniczenia. Wynikają one z faktu, iż fala akustyczna przechodzi przez obszar optycznej analizy Deflektora Akusto-Optycznego DAO w czasie ok. 1s. Oznacza to trudności z analizą impulsów krótszych. Impuls o długości 1 s generuje w deflektorze DAO przestrzenną siatkę dyfrakcyjną wywołaną falą akustyczną, która wypełnia całe okno analizy. Dzięki temu piki dyfrakcyjne światła ugiętego na przestrzennej siatce dyfrakcyjnej są bardzo wąskie, co oznacza, że piki dyfrakcyjne od impulsów o różnych a bliskich sobie częstotliwościach mogą być rozdzielone. Układ charakteryzuje się dużą rozdzielczością.
Fala akustyczna wygenerowana przez impulsy krótsze niż 1s nie wypełnia całego obszaru analizy. Oznacza to, że ich widmo dyfrakcyjne będzie rozmyte i przez to spada rozdzielczość układu analizy.
Możliwe są inne konfiguracje układu akustooptycznego do analizy sygnału RF, przydatne zwłaszcza przy analizie krótkich impulsów. Proponuje się wykorzystanie modułu akustooptycznego w konfiguracji przestrajalnego filtru akustooptycznego (AOTF Acousto-Optic Tunable Filter).
W układzie tym polichromatyczne źródło światła generuje wiązkę promieniowania, które za pomocą soczewki ogniskowane jest w punkt o średnicy kilkudziesięciu-kilkuset m, w obszarze rozchodzenia się fali akustycznej, w przestrajalnym filtrze AOTF. Obszar analizy sygnału równy jest średnicy oświetlonego obszaru, w którym rozchodzi się fala akustyczna, czyli średnicy ogniska.
Sygnał RF doprowadzany do przetwornika akustooptycznego PAO generuje w filtrze AOTF falę akustyczną, która ugina światło o długości fali spełniającej warunek dopasowania. Każda składowa harmoniczna sygnału RF dochodząca do filtru ugina światło o odpowiedniej długości fali .
Obszar ogniska wypełniają impulsy o czasie trwania rzędu 0,01 s, co oznacza, że będą dawały one sygnał optyczny porównywalny z sygnałem dawanym przez impulsy długie bowiem obszar oddziaływania fali akustycznej z wiązką świetlną jest w tej konfiguracji układu optycznego w obu przypadkach identyczny.
Światło ugięte w obszarze analizy zbierane jest następnie przez optyczny układ odbiorczy, i ogniskowane na szczelinie wejściowej spektrofotometru.
Spektrometr dokonuje analizy spektralnej światła ugiętego w AOTF. Natężenie światła o danej długości fali jest proporcjonalne do odpowiadającego mu natężenia składowej harmonicznej sygnału RF. Tak więc w proponowanym układzie dokonywana jest analiza harmoniczna impulsów RF. Układ w tej konfiguracji charakteryzować się będzie większą czułością niż układ klasyczny z deflektorem akusto-optycznym oraz porównywalną rozdzielczością spektralną jak układ klasyczny przy jednoczesnej poprawie rozdzielczości impulsów krótkich.
Możliwa jest również inna konfiguracja układu do analizy sygnałów RF z wykorzystaniem analizy spektralnej światła do analizy zawartości poszczególnych harmonicznych w sygnale RF. W takiej konfiguracji układu analizy światło polichromatyczne wprowadzane jest do światłowodu, którego drugi koniec sprzężony jest z przetwornikiem akustooptycznym PAO. Sygnał RF doprowadzony do PAO generuje w światłowodzie falę akustyczną tworzącą w obszarze rozchodzenia się tej fali siatkę Bragga. Siatka ta odbija selektywnie światło o długości fali spełniającej warunek sprzężenia. Natężenie światła odbitego o danej długości fali jest proporcjonalne do natężenia odpowiedniej składowej harmonicznej sygnału RF. Światło odbite na siatce Bragga za pośrednictwem światłowodowego dzielnika sygnału doprowadzane jest do spektrometru, który dokonując analizy spektralnej światła dokonuje analizy harmonicznej sygnału RF. Ochroną patentową zostaną objęte opto-elektroniczne systemy analizy sygnału, w tym zastosowanie nowego typu źródła światła.