Акустооптический анализатор спектра
Использование: в радиоизмерительной технике и может использоваться для визуального анализа спектра исследуемых сигналов , определения вида их модуляции и измерения фазовых сдвигов, определяющих направление на источник излучения в двух плоскостях. Сущность изобретения: содержит лазер, коллиматор, ячейки Брегга, линзы, матрицы фотодетекторов и индикаторы , гетеродины, смесители, усилители первой промежуточной частоты, усилитель второй промежуточной частоты, корреляторы , пороговые блоки, перемножители, узкополосные фильтры, ключи, фазовые детекторы. Особенностью изобретения является введение парэлл ель н ых канало с азимута и угла места, что позволило расширить область использования за счет точной и однозначной пеленгации источника излучения принимаемого сигна ла в двух плоскостях. 4 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
C ÇÖÈÀËÈÑTÈ×ÅÑÊÈÕ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР
{ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1626182 . (21) 4865815/21 (22) 10.09,90 (46) 23.12,92. Бюл. N. 47 (72) В.И.Дикарев, A.S.Màðäèí, 8.В,Мельник и А,А.Смирнов (56) А,с. СССР N 1626182, кл. G 01 R23/00, 1988. прототип. (54) АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР
СПЕКТРА (57) Использование: в радиоизмерительной . технике и может использоваться для визуального анализа спектра исследуемых сйгналов, .определения вида их модуляции и измерения фазовых сдвигов, определяюПредлагаемое устройство относится к радиоизмерительн, и технике и может использоваться для визуального анализа спектра исследуемых сигналов, определения вида их модуляции и измерения фазовых сдвигов, определяющих направление на источник излучения в двух плоскостях.
Акустооптический анализатор спектра по основному изобретению (положительное решение ВНИИГПЭ.от 28,07.89 r, по заявке
N 4.667,136/21 обеспечивает детальный анализ спектра и визуальное определение вида модуляции принимаемого сигнала. Это достигается испол зованием в качестве информативных при: лаков ширины спектра и изменений в его с руктуре при умножении фазы принимземо. о сигнала на два, четыре и восемь.
Однако у.:азанный анализатор не обеспечивает воз ложности для пеленгации ис 1 Ж 1783450 А2 щих направление на источник излучения в двух плоскостях. Сущность изобретения: содержит лазер, коллиматор, ячейки Брегга, линзы, матрицы фотодетекторов и индикаторы, гетеродины, смесйтели, усилители первой промежуточной частоты, усилитель второй промежуточной частоты, коррелято-. ры, пороговые блоки, перемножители, узкополосные фильтры, ключи, фазовые детекторы. Особенностью изобретения является введение параллельнь х кайалов азимута и угла места, что позволило расширить область использования за счет точной и однозначной пеленгации источнйка излучения принимаемого сигнала в двух плоскостях, 4 ил: точника излучения с гнала в двух плоскостях.
Целью настоящего изобретения является расширение области использован ля за счет определения точного и однозна ного 00 направления на источйик принимаемого (A) сигнала в двух плоскс стях». — фь
Поставленная цель достигается тем, что (Л в устройство введены вторая и третья антен- С) ны, второй, третий и четвертый смесители, второй и третий усилители первой промежуточной частоты, второй гетеродин, пятый и . шестой индикаторы, усилитель второй про- М межуточной часготы, два коррелятора два пороговых блока, два ключа, два узкополосных фильтра, два фазовых детектора, причем к выходу первого усилителя первой промежуточной частс ты посл едоват л ьно подключены второй cl Iåñèòåëü, второй вход которого соедин I-I с выходом второго гете3 1783450 4 родина, и усилитель второй промежуточной второй вход которого соединен с выходом частоты, к выходу второй (третьей) антенны усилителя 14 второй промежуточной частопоследовательно подключены третий (чет- ты, узкополосный фильтр 25 (26), ключ 27 вертый) смеситель, второй вход которого со- (28), фазовый детектор 29 (30), второй вход единен с выходом первого гетеродина, 5 которого соединен с выходом гетеродина второй (третий) усилитель первой промежу- 12, и индикатор 31 (32). К выходу усилителя точной частоты, первый (второй) перемно- 17 (18) первой промежуточной частоты пожитель, второй вход которого соединен с следовательно подключены коррелятор 19 выходом усилителя второй промежуточной (20), второй вход которого соединен с выхочастоты, первый (второй) узкополосный 10 дом усилителя 9 промежуточной частоты, и фильтр, первый (второй) ключ, первый (вто- пороговый блок 21 (22), выход которого соерой) фазовый детектор, второй вход которо- динен с в горым входом ключа 27(28), го соединен с выходом второго råòåðoäèíà, Акустооптический анализатор спектра и пятый(шестой) ийдикатор, к выходу второ- работает следующим образом. го(третьего}усилителя первой промежуточ- 15 Если на вход анализатора спектра поной частоты последовательно подключены ступаютсложныесйтналысбинарнойфазопервый (второй) коррелятор, второй вход ко- вой мани пуля цией (Ф M н-2), то их торого соединен с выходом первого усили- " аналитически можно записать следующим теля первой промежуточной частоты, и образом: первый (второй) пороговый блок, выход ко- 20 u> (t) = О cos (в t + p< (t) p< ), торого соединен с вторым входом первого - - - u2(t) = U< сов (âc"t+p<(t)p2), (второго) ключа. ::-... : ":-=; —:":-, - - -:.- . us(t)= U ñîs(î t+ð<(t) ðo), 0 «t «Тс, Структурная схема предлагаемогО айа- где Цс, Й,, Т, pj, p2;pç - амплитуда. несу .лизатора спектра представлена на фиг1: щая частота, длительность и начальные фаВозможный вид осциллограмм показан на 25 зы сигналов ; фиг.2,. Частотные диаграммы изображены:: py (t) — манипулируемая составляющая на фиг.3. Принцип пеленгаций источйика фазы, отображающая закон фазовой маниизлучения в двух плоскостях иллюстрируе - пуляции,.причем p< (t).= consi npu k ги < t < ся фиг 4 ;::. ... .,—.:-" - " .. - (K+ 1) tu и может изменяться скачком при
Акустооптический аналйзатор спектра 30 т К т„, т .е, на грайицах мелинду элементарсодержит три канала пРиема: -оСновной,:: йыми посыгками (К = 1 2 М-ц азимутальный и угломестный. Основной ка- - г < ли л н „" и к нал приема содержит последовательно мента ных пос лок из ко о ментарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс (Тс = М тв . рой вход которого соединен с выходом гете- 35 родина 8 1 уси итель 9 промежуточной - 8 2
Эти сигналы с выходов антенн А, В и С
: поступают на первые входы смесителей 8.2, частоты, смеситель 13, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 12, и 15 и 16, íà вторые входы которых подается напряжеййе гетеродина 8.1 усилитель 14 второй промежуточной частоты . К выходу усилителя 9 промежуточной 40 частоты последовательно подключены пе- где Uri, и т+фг — амплитуда, частота и ремножитель 10 1, no ocoB„A фильтр 11,1 начальная фаза напряжения гетеродина 8.1,-:перемножитель 10.2, полосовой фильтр:. На выходах смесителей 8,2, 15 и 16 об11,2, перемножитель 10.3 и полосовой РазУютСЯ иапРЯжениЯ комбинационных чаeMnbTp 11 3. Да пути paenpocTpaHeHM пу„ 45 стот. УсилителЯми 9, 17 и 18 выделяютсЯ ка света лазера 1 последовательноустанов- напРЯжениЯ пеРвой ПРомежУточноЙ часто лены коллиматор 2 и четыре ячейки Брзгга
3, 3,1 3.2 и 3.3. На пути РаспРостр анения ""Р () О"р" (пр" t+p (t) +pnp1 ) дифрагированного пучка света установлена unp2(t)=Unpf соз tè ð t + p< (t) + pnp2 ), линза 4(4Л,4.2,4.3) вфокальной плоскости 50 цпрз(т)=Upptcos(cUApf t+р (ti+дърз), которой размещается соответствующая . 0.—« < — 4„ матрица фотодетек-оров 5 (5.1, 5;2, 5,3), выход которой соединен с соответствующим ..2 блоком индикации 6 (6.1, 6.2, 6,3). Азиму- Êt-коэффициентпередачисмесителей; тальный (угломестный) канал прйема состо- 55 ипр1 = Nc — сдг1 — первая промежуточит йз последовательно включенных ная частота; антенны В (С). смесителя 15 (16), второй pnpf. =pl — per, рлр2 =p2 — F1, вход которого соединен с выходом гетеро- у лрз = указ — pr> дина 8.1, усилитель 17(18) первой промежу- Напряжение u
(t) поступает на два точной частоты, перемножитель 23 (24)„входа.перемножителя 10,1, на выходе кото1783450 рого образуется гармоническое напряжение
u1 (t) = U1 соз (2 вр1 t — 2 pnp1), 0 t Тс, =! где U1 = — K2 0пр12;
Кг — коэффициент передачи перемножителя.
Так как 2 p< (t) = 0,2 zc, то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение u1 (t) выделяется полосовым фильтром 11 1 и поступает на два входа перемножителя 10.2, на выходе которого образуется гармоническое напряжение u2 (t) = U2 соз (4 Wp1 t + 4 php1)i 0 t «< Тс.
1де 02 = — К2 01
2
Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.2 и поступает на да входа перемножителя 10.3, на выходе которого образуется гармоническое напряжение цз(t) = U3соз(8шпр1 l+8riPpp1), 0 Йt Т, где 03 = — К2 U2
1 2
Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.3.
Напряжения впр1(t), u1(t), u2 (t) и U3 (t) с выходов усилителя 9 первой промежуточной частоты, полосовых фильтров 11.1, 11.2 и 11.3 поступают на пьезопреобразователи ячеек Б рэгга 3, 3.1, 3.2 и 3.3 соответственно, где происходит их преобразование в акустические колебания.
Пучок света от лазера 1, сколлимированный коллиматором 2, проходит через ячейки Брэгге 3, 3.1, 3.2 и 3.3 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных . указанными напряжениями. На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливаются линзы 4, 4.1, 4,2 и
4.3. В фокальных плоскостях указанйых . линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установлены матрицы фотодетекторов 5, 5.1, 5.2 и 5.3, Каждому разрешаемому элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор. Ячейка Брэгга 3 (3.1, 3.2, 3.3) состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития соответственно Х и Y — 35 среза, Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот. В качестве блоков индикации 6, 6.1, 6.2 и 6 3 могут быть использованы осциллографические индикаторы.
Ширина спектра ФМн-2 сигнала
6 fc определяется длительностью t> его элементарных посылок (Лтс = — ), Тогда как
1 Ц ширина спектра второй Лтг, четвертой 6f4 и восьмой 6 fa гармоник определяется длительностью Т, сигнала (612 =6f4 =-6fa = — ).
=1
Тс
Следовательно, приумножении фазы надва, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала "сво10 рачивается" в N раз (=- - = - -) и
h fc Af< «6t
ЬГ2 4 08 трайсформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания ФМн-2 сигнала, Спектры принимаемого ФМн-2 и его гармоник визуально наблюдаются на экранах индикаторов 6, 6.1, 6.2 и 6.3 соответственно {фиг.2а).
Напряжение ипр1(t) с выхода усилителя
9 первой промежуточной частоты одновре20 менно поступает на первый вход смесителя 13, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 12
ur2 {t) = 0г2 COS (И!2 t + гг ), где 0гг, вг2, р2 — амплитуда, частота и на25 чальная фаза напряжения гетеродина 12.
На выходе смесителя 13 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 14 выделяется только напряжение второй промежуточной частоты
upp4(t) = 0np2 cos ((0np2 t + P< (t) + Pnp4 ), 0 <Е<Тс
ГДЕ Unp2 = — К1 0пр1 Ur2
Ипрг = ОЬр1 — ШГ2 — Втсрая ПрОМЕжутОЧная частота;
Pnp4 = фпр1 Pr2
НаПРЯжЕНИЯ unp2 (t) И ипрз (т) C ВЫХОДОВ усилителей 17 и 18 первой промежуточной
40 ча тоты поступают на первые входы перемножителей 23 и 24, на вторые входы которых подается напряжение с выхода усилителя 14 второй промежуточной частоты. На выходах перемножителей 23 и 24 образуются гармонические напряжения
u4 (t) = 04 соз (ог t + сргг + 6@1 ), О5 (t) = 04 COS (2 т + г гг + 6 p1 ), 0 1 Тс, 1
ГДЕ U4 = 2 К2 0пр1 0пр2, 50
6р1 =рг — p1 =2л sin а — фазовый б1— сдвиг, определяющий направление на источник излучения сигнала в азимутальной
ПЛОСКОСти, буг =pj — p1 =2 л sin 3 — фазовый бг сдвиг, определяющий направление на источник излучения сигнала в угломестной плоскости;
1783450
dl, б2 — измерительные базы (фиг.4); Если на вход анализатора спектра поА — длина волны; 10 л 3 ступает ФМн-4 сигнал (гр (т) =О,—,ж — л, . а,Р- углы прихода радиоволн; " 2 2 которые выделяются узкополосными фильт- то на выходе полосового фильтра 11.1 обрарами 25 и 26.. 5 зуется ФМн-2 сигнал (р„(t) =О,к,2m,3д), Для исключения неоднозначности пе- а на выходах полосовых фильтров 11;2 и 11.3 ленгации источника излучения сложного образуются соответствующие гармонйчесигнала в предлагаемом устройстве исполь- ские напряжения щ (t) и щ (t), В этом случае зуется корреляционная обработка каналь- на экранах индйкаторов 6 и 6.1 наблюдаютных ФМн сигналов Unpre (t) и Unpre (t), unpre (t) и 10 ся спектры ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на
Unp3 (t). При этом максимум корреляционной экранах индикаторов 6.2 и 6,3 наблюдаются функции R (r) соответствует зоне однознач- одиночные спектральные составляющие ности, т.е. области, где Разности фаз Лf1 и (фиг.2б), Л f2 изменяются на велйчйну, раайую или .. Если на вход устройства йоступает ФМн-8 меньшую 2л .::-.: :. . --: - 15 (л л 3 5 3 7
НапРЯжениЯ Unp1 (т) и 0пр2 (t) (Unpre (t) и 4 2 4 4 2 4
Unp3 (t)) с выходов усилителя 9 первой йро- " то на выходах полосовых фильтров 11.1 и межуточной частоты и усилителя 17 первой 11,2 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сйгналы, а промежуточной частоты (c выходов усилите- на выходе"пблосового фильтра 11.3 образуля 9 пЕрвой промежутсчной частоты и уси- 20 ется гармонйЧеское" напряженйе U3 (7). В лителя 18 первой промежуточной частоты) этом случае на экранах индикаторов 6, 6.1 и поступают на коррелятор 19 (20), на вйхо- 6.2 наблюдаются cABKTpbl ФМн-8, ФМн-4 и де которого образуется напряжение О 1: ФМй-2 сигналов, а на экране индикатора 6,3 (0 2), пропорциональйое корреляционной наблюдается одиночная спектральная со функции R {г) . Напряжейие будет иметь 25 ставляющая (фиг.2в), максимальное значение-только при R (ro): Если на вход. устройства поступает (4o =с4, о =Po, где ciao,Д вЂ” истийные йе- ЧМн -2 сигнал(фиг,За), то на выходе полосоленги). ПРи этом поРоговый УРовейь Unop в вого ФильтРа 11;1 обРазуетсЯ частотно-мапороговом блоке 21 (22) превьйцаЕтся толь- . нипулированный сигнал с индексом ко при максимальном значеййи корреляци- 30 девиации частоты h = 1. При этом его спектр онной функции R (го):, а следовательно, при . грансформируется в две спектральные.сомаксимальном напРЯжении Ux1max (Uxzmax) ставлЯюЩйеначастотах2Г1и212, Навыходе (UK1max > Unop, Ux2max > Unop) и не превыша полосового фильтра 11,2 образуются две ется при значениях г, соответотвующих бо- спектральные составляющие на частотах 4f> ковым лепесткам корреляционной функции 35 и 4b. A на выходе полосового фильтра 11.,3 (t)(Ок1< Опор, Uxz.< Unop). При превыше- обРазуются две спектральные составляюнии порогового уровня Unop в пороговом щие на частотах 811 и 812 (фиг,2г), блоке 21 (22) (Uxtmax > Unop, Оса;х > Опор) Если на вход устройства поступает
Формируется постоянное напря> <ение; ко- .. Мн-3 сигнал (фиг,Зб), то йа выходах полоторое поступает на управляющий вход клю- 40 совых фильтров 11.2 и 11;3 образуются три ча 27 (28) и открывает его. Ключи 27 и 28 в . СпекТРальные составляющие на частотах исходном состоянии всегда закрыты. При: Ю 4fcp, 4f2 и 8f1, 8fcp, Sf2, т.e, сплошной этом йапряжения щ (t) и Us (t) c выходов с е р трансформируется в три спектральузкополосных фйльтров 25 и 26 через откры- - ные составлякицие (фиг,2д).: тые ключи 27 и 28 поступают на первые 45. На выходе перемножителя 10.1 спектр входы фазовых детекторов 29 и 30, на -вто- ЧМн-3 сигнала трансформйруется в другой
Рые входы которых подается напряжение сплошной спектр, поскольку n < 1. Таким
Ur2 (t) с выхода гетеродина 12. на выходах образом, на экранах индикаторов 6 и 6.1 визуфазовых детекторов 29 и 30 образуются по- ально будут наблюдаться сплошйь!е спектры. стоянные напряжения . 50 Если на вход устройства поступает
un<= Он сов Аф;= --.:: - ЧМн-5 сигнал (фиг.Зв), то на выходе переонг = Он соз Лр ; .. . множителя l0.3 его сплошной спектр транс1: - . Формируется в пять спектральных где Un " — Кз О4 Ua„. лепестков с пиковыми значениями на частокз-коэффициент передачифазовыхде- 56 тах 81, 8Гз, 81с, 8f4, 8f2, на выходах перемножителей 10.1 и 10,2 сплошной спектр пролорциональйые фазовым сдвигам ЧМн-5 сигнала тРансформ руе сЯ в сплошр1 и л р. Эти напряжения регистрируют- Hble спектРы, так как в этих слУчаЯх fl < 1. ся индикаторами 31 и 32; Таким образом, на экранах индикаторов 6, 6.1, 6.2 будут наблюдаться сплошные спект10
1783450
10.2 и 10.3 ширина его спектра увеличивается в 2.4 и 8 раз. Следовательно, на экране
Акустооптический англйзатор спектра по авт св. ¹ 1626182, отличающийся индикатора 6 визуально наблюдается тем, что, с целью расширения области исспектр ЛЧМ сигнала, а на экранах индика- . пользования за счет обеспечения определения точного и однозначного направления на сигналов, ширина которых в 2, 4 и 8. раз больше ширины спектра исходного сигнала источник принимаемого сигнала в двух,плоскостях, введены параллельные каналы ази(фиг,2ж). Это обстоятельство и является: .. мута и угла места. кажДый из которых признаком распознавания ЛЧМ сигнала:. включает дополнйтельйую антенну. выход
Таким образом, предлагаемый анализа- 15 которой соединен последовательно с пертор спектра по сравнению с прототипом вым входом дополнительного"смесителя, обеспечивает точную и однозначную"пелен- второй вход которого соединен с выходом гацию источника излучения сложного сигна- гетеродина преобразователя частоты анала в двух плоскостях, При этом точность лизатора, дополнительным усилителем перпеленгации достигается увеличением изме.- 20 eoé промежуточной чаСтоты, первым рительных баз d> и б . А возникающая при входом дополнительного перемножителя; этом неоднозначность отсчета угловых ко- узкополосным фильтром, первым входом ординат устраняется корреляционной абра- ключа, первым входом фазбвого детектора боткой сложных сигналов, у которых и индикатором, коррелятор, первый и второй входы которого соединены, соответсrвенно, с выходами дополнительного усилителя первой промежуточной частоты тельно высокий уровень главного лепестка и сравнительно низкий уровень боковых лепестков, Причем зона однозначного отсчета соответствующе о параллельного кайала и усилителя первой промежуточной частоты угловых координа: лежит в пределах главанализатора, выход которого соединен поКроме того, предлагаемый анализатор спек- следовательно с пороговым блоком v втотра обеспечивае1 высокую чувствитель- рым входом ключа в каждом параллельном ность при пеленгации источника излучения канале, а также дополнйтельный смеситель, сложного сигнала. Это достигается тем, что усилитель промежуточной частоты, соедианализатор спектра инвариантен к видумо- 35 ненные последовательно, и дополнительдуляции принимаемого сигнала. 3а счет пе- ный гетеродин, причем первый вход ремножения канальных напряжений дополнительного смесителя соединен с выпервой промежуточной частоты с напряже- ходом усилителя первой, промежуточной чанием второй промежуточной частоты осуще- стоты соединен С вторым выходом дополнительного перемножителя каждого сигнала и перенос измеряемых разностей фаз Ар> и Л щ на частоту okz второго гетепараллельного канала, а выход дополнительного генератора Соедйнен с вторым родина 12. Образующиеся гармонические входом дополнительного-смесителя и втонапряжения U4 (t) и J5 (I) выделяются узкопо- рым входом фазовогб детектора каждого параллельного канала ры. а на экране индикатора 6,3 — пять спектральных лепестков (фиг.2е).
Если на вход устройства поступает сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), то на выходах перемножителей 10,1, 5 торов 6.1, 6.2 и 6.3 наблюдаются спектры 10 корреляционная функция имеет отйосй- 25 ного лепестка ко:зреляционной функции. 30 ствляется свертка спектра принимаемого 40
flocHbIMN фильтрами 25 и 26, отфильтровы- 45 вая при этом значи ельную часть шумов, т.е, реальная чувствительность анализатора спектра повышается, Тем самым функциональные возможности анализатора спектра расширяются, Формула изобретения
1783450
У2 кФ х8
_#_e2 . д, Фйи-4 k. он-8
ЧЪ -2
9ЪЗ у, В- е.
JlЧМ 11 и, Ри, Z
1783450 Ри г. Составитель 8,Дикарев
Техред М.Моргентал
Корректор М.Шароши
Редактор
Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужго. од, уч.Гагарина, 101
Заказ 4513 Тираж : Подписйое
ВНИИПИ Госуларственного комйтета по изобретениям и откоыти м прй ГКНТ СССP
113035, Москва, Ж-35, Рвушская наб., 4/.
