Акустооптический анализатор спектра

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для визуального анализа спектра исследуемых сигналов и определения вида их модуляции. Анализатор спектра содержит лазер, коллиматор, ячейки Брэгга, линзы, фотоприемники, блоки индикации, приемную антенну, преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, перемножители, полосовые фильтры, линию задержки и переключатель. 4 иа

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4933471/21 (22) 05.05.91 (46) 30.12.93 Бюл. Йя 47-48 (71) Военный инженерный Краснознаменный институт имАФ.Можайского (72); Федоров В.В„. Летуновский АВ. (73) Военный инженерно-космический Краснознаменный институт имАФ.Можайского (54) АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР

СПЕКТРА (19) RU (11) 20053ОЗ С1 (51) 5 G01R23 17 (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для визуального анализа спектра исследуемых сигналов и определения вида их модуляции Анализатор спектра содержит лазер, коллиматор, ячейки Брэгга, линзы, фотоприемники, блоки индикации, приемную антенну, преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты. перемножители, полосовые фильтры, линию задержки и переключатель. 4 иа

2005303

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для визуального анализа спектра исследуемых сигналов и определения вида их модуляции, Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем визуального определения вида частотной модуляции и девиации частоты принимаемого сигнала.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 показано взаимное расположение символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией; на фиг. 3 изображен закон изменения фазы частотно-манипулированного сигнала; на фиг, 5 показан закон перемещения точки в плоскости Х, Y для различных ЧМ сигналов.

Акустооптический анализатор спектра (фиг. 1) содержит лазер 1, коллиматор 2, первую, вторую, третью, четвертую, пятую и шестую ячейки Брэгга 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3,5 и .3.6, первую, вторую, третью, четвертую и пятую линзы 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 и 4.5, первый, второй, третий, четвертый и пятый фотоприемники 5,1, 5.2, 5.3, 5.4 и 5.5, первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки 6.1, 6,2, 6.3, 6.4 и 6,5 индикации, приемную антенну 7, преобразователь 8 частоты, состоящий из гетеродина 8.1 и смесителя 8,2, усилитель 9 промежуточной частоты, перемножители 10.1, 10.2 и 10.3, полосовые фильтры 11.1, 11.2 и 11.3, линию 12 задержки и переключатель 13. Причем к выходу антенны 7 последовательно подключены смеситель 8.2, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 8.1, усилитель 9 промежуточной частоты, перемножитель .10.1, полосовой фильтр 11.1, перемножитель 10,2, полосовой фильтр 11.2, перемножитель 10,3 и полосовой фильтр 11.2.

На пути распространения пучка света лазера 1 последовательно установлены коллиматор 2 и ячейки Брэгга 3.1-3.5, на пути распространения дифрагируемой части пучка света ячейки Брэгга 3.1 (3.2, 3 3, 3,4) установлена линза 4.1 (4.2, 4.3, 4,4), в фокальной плоскости которой размещен фотоприемник 5.1 (5.2, 5,3, 5.4), к выходу которого подключен блок 6.1 (6.2, 6.3, 6.4) индикации.

Пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 3.1 (3.2, 3.3, 3.4) соединен с выходом усилителя 9 промежуточной частоты (полосового фильтра 11,1, 11.2, 11.3). На пути распространения дифрагируемой части пучка света ячейки Брэгга 3.5, пьезоэлектрический преобразователь которой соединен с выходом усилителя 9 промежуточной частоты, установлена ортогонально ячейка

Брэгга 3,6, на пути распространения дифрагируемой части пучка света которой установлена линза 4.5, в фокальной плоскости которой размещен фотоприемник 5.5, к вы. ходу которого подключен блок 6.5 индикации. Пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 3.6 через последовательно включенные линию 12 задержки и переключатель 13 соединен с выходом усилителя 9 промежуточной частоты.

Акустооптический анализатор спектра

"О работает следующим образом.

Если на вход анализатора спектра поступает сложный сигнал с бинарной фазовой манипуляцией (ФМн2) Uc(t) = Uc сов (2 Л fct + сйф) ), О = t »Тс (1) где Uc, f, Tc, p — амплитуда, несущая частота, длительность и начальная фаза сигнала;

p<(t) = О, zt — манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем при

+(t)=const ttpvktn < t <(k+1) тп и может изменяться скачком при t = k tn, т,е. на границах между элементарными посылками (К= 1,2,...N— - 1);

tn, N — длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс (Tc = Мгn); то он с выхода антенны 7 поступает на первый вход смесителя 8,2, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 8.1 (2) ugt) = Ur cos (2 л f t+ p-) Unp(t) = Unp COS (2 R fnpt + P<(t) +

45 +„ (3) 1 гдеи ю= 2МО 0

k — коэффициент передачи смесителя;

fnp = fc — fr — промежуточная частота; уЪр = р -уг — промежуточная начальная фаза, которая поступает на пьезоэлектрические преобразователи ячеек Брэгга 3.1, 3.5 и на два входа перемножителя 10,1, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U1(t) = 01 cos (4 тг fnpt + 2 Pnp), О» t »Tc (4) где Ur, fr, pr — амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.

На выходе смесителя 8.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилите40 лем 9 выделяется напряжение промежуточной частоты

2005303 (6) где 01 = — к10 пр, г

К1 — коэффициент передачи перемножителя

Так как 2 p(t) = О, 2л, то в укаэанном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение u>(t) выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 3.2 и на два входа перемножителя .10.2, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

02(t) = 02 СО$ (8 Л fnpt + 4 pnp), О« t «Тс, (5) где 02 =. — Ic>01

2 2

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.2 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брзгга 3,3 и надва входа перемножителя 10,3, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U3(t) = V3 СОЭ (16 Кfnpt+ 8Pgp), 0« t «Тс (6) где 0з = — И 02, 2

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.3 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 3.4.

Пучок света от лазера 1, сколлимированный коллиматором 2, проходит через ячейки Брэгга 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных

НаПРЯжЕНИЕМ unp(t), Щ(т) u2ft), UZ(t), На ПУТИ распространения части пучка света ячеек

Брэгга 3.1, 3.2, 3.3 и 3.4 устанавливаются линзы 4.1, 4.2, 4.3 и 4.4 соответственно. В фокальных плоскостях указанных линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установлены фотоприемники

5.1, 5.2, 5.3 и 5.4. Каждому разрешаемому элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор.

Каждая ячейка Брзгга 3.1 (3,2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6) состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития соответственно Х и Y -35О среза, Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячеек в широком диапазоне частот, B качестве блоков 6.1, 6.2, 6.3 и 6,4 индикации могут быть использованы осциллографические индикаторы.

Ширина спектра ФМн-2 сигнала hfc определяется длительностью т элементар5

1 ных посылок (hfc =- — ). Тогда как ширина т, спектра второй ht2, четвертой М и восьмой Жэ гармоник определяется длительно1 стью Тс сигнала (At2 = 6й = hrs=).

"с

Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала "своhfc hfc chfc рачивается" в Й раз (- = - = -= Н) и трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания ФМн-2 сигнала. Спектры принимаемого ФМн-2 сигнала и его гармоник визуально наблюдаются на экранах индикаторов 6,1, 6.2, 6,3 и

6,4 соответственно, Если на вход анализатора спектра поступает ФМн-4 сигнал (p;(t) = О,, x, л), .-г 3 то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется ФМн-2 сигнал (p<(t) = О, л, 27г, Ьг), а на выходах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются соответствующие гармонические нап ряжения u2(t), us(t). В этом случае на экранах индикаторов 6,1 и 6,2 наблюдаются спектры ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экранах индикаторов 6,3 и 6,4 наблюдаются одиночные спектральные составляющие.

Если на вход устройства поступает ФМн-8 ллЗ 5 3 7 сигнал (ф (1) = О, —,, +, —,Л, л, -« л, л, л), то на выходах полосовых фильтров 11.1 и 11.2 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 11.3 образуется гармоническое напряжение, В этом случае на экранах индикаторов 6.1, 6.2 и 6.3 наблюдаются спектры ФМн-8 и ФМн-2 сигналов, а на экране индикатора 6,4 наблюдается одиночная спектральная составляющая.

Если на вход устройства поступает

ЧМн-2 сигнan

Uc(t) = 0c COS (2 тt ср + gt) + Pc), О» t «Тс, + тг где fcp = 2 — средняя частота сигнала;

1 1 1 fcp — f2 = fcp + — Символь4Г4 4zq ные частоты, (фиг. 2а), то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется частотно-манипулированный сигнал с индексом девиации частоть, равным 1.

При этом его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2 fi и 2 f2. На выходе полосового фильтра

11,2 образуются две спектральные составляющие нэ частотах 4 f> и 4 f2. А на выходе

2005303

20

+ "Ит- .))+ М

0« t »Tc (10) Х = Af(t), 50 полосового фильтра 11.3 образуются две спектральные составляющие на частотах

8 f1tn8fz.

Если на вход устройства поступает

ЧМн-3 сигнал (фиг. 2б), то на выходах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются три спектральные составляющие на частотах

4 f1, 4 1 р, 4 f2 и 8 f1, 8 1 р, 8 f2, т е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие, Если на вход устройства поступает ЧМн-5 сигнал (фиг, 2в), то на выходе перемножителя

10.3 его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями начастотах8f1 81з, 8 fñð 8 f4,85, На выходах перемножителей 10.1 и 10.2 сплошной спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется s д р у 1гLи1е сc1п1л о0uшjнHы е e с tп1еeкKтTр bы1, так как в этих случаях h < 1. Таким образом, на экранах индикаторов 6.1, 6.2 и 6.3 будут наблюдаться сплошные спектры, а на экра. не индикатора 6.4 — пять спектральных лепестков.

Если.на вход устройства поступает сигнал с частотной модуляцией (ЧМ) uc(t) = Uc сов (2 K fct +Ay t + +), 0» ат., (7) где y = — — скорость изменения частоты — 9

Тс внутри импульса;

Ь д — девиация IBGTOTbl то преобразователем 8 частоты он переносится на промежуточную частоту

unp(t) = Опр cos (2 K fop t+ Kyt + 1Рпр), 2

0 т«Т (8) Напряжение u

ЧМ сигнал

u1(t) = U1cos (4Xfppt+ 2zcyt + 2 дЪр}, О» .ыт, (9) который выделяется полосовым фильтром

11 1 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брзгга 3.2. Так как длительность Тс ЧМ сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте одинакова, то увеличение у в два раза происходит за счет увеличения в два раза девиации частоты hf1I. Из этого следует, что ширина спектра ЧМ сигнала на удвоенной промежуточной частоте в два раза больше его ширины спектра на основной промежуточной частоте (Ж = 2 hfc)

Аналогично на выходах перемножителей 10.2 и 10.3 ширина спектра ЧМ сигнала увеличивается в четыре и восемь раз. Следовательно, на экране индикатора 6.1 визуально наблюдается спектр IM сигнала, а на экранах индикаторов 6.2, 6.3 и 6.4 наблюдаются спектры ЧМ сигналов, ширина которых в два, четыре и восемь раз больше ширины спектра исходного ЧМ сигнала. Это обстоятельство и является признаком распознавания ЧМ сигнала, Для определения вида частотной моду15 .ляции используется двухкоординатная акустооптическая обработка принимаемого ЧМ сигнала. Сущность такой обработки заключается в том, что пучок света проходит через две ортогонально расположенные ячейки

Брэгга 3,5 и 3.6, на пьезоэлектрические преобразователи которых подаются напряжения

unp(t) = Опр соя (2к fnpt + л yt + р,р) илр1(1 — г,} = Олр COS (2 Лf>p(t — т)+

30 где гз — время задержки линии 12 задержки, При появлении на экранах индикаторов

6,1, 6.2, 6,3 и 6,4 картины спектра переклю35 чатель 13 переводится в положение, при котором на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 3.6 подается напряжение unp(t — г ) с выхода линии 12 задержки.

В этом случае точка M пересечения

40 дважды дифрагированного пучка света с плоскостью фотоприемника 5.5 (плоскость

Х, Y) одновременно перемещается как по координате Х, так и по координате У. Причем точка M перемещается по координате Х

45 по закону а по координате Y — по закону Y = Bf(t — t3), где А и  — постоянные, определяемые параметрами акустооптических трактов по координатам Х и Y соответственно:

f(t) = fnp + y t

Раскладывая f(t — т,) в ряд Тейлора, уравнение траектории перемещения точки М будет определяться следующим образом:

2005303

Y = — Х+ 8 gzз

В

+ + 1 (п) ((п)

3 (12) Y = — (Х т:зХ + з Х" — тз Х" +

А 2 6

При t> > 0 0 в уравнении траектории содержится полная информация о внутриимпульсной частотной модуляции сигнала в любой момент времени.

Если на вход устройства поступает

ЛЧМ сигнал O = 2), то уравнение траектории точки М представляет собой прямую линию (фиг. 4а) Формула изобретения

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР

СПЕКТРА, содержащий последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, первую, вторую, третью и четвертую ячейки Брэгга, в продифрагированном луче каждой из которых установлена линза, в фокальной плоскости которой размещена матрица фотодетекторов, электрическим выходом подключенная к блоку визуальной индикации спектра, а также последовательно включенные приемную антенну, преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, первый полосовой фильтр, второй перемножитель, второй полосовой фильтр, третий перемножитель и третий полосовой фильтр, электрические входы первой, второй, третьей и четвертой ячеек Брэгга соединены соответственно с выходами усилителя промежуточной частоты, первого, второго и третьего полосовых фильтров, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем

При нелинейном изменении частоты

5 внутри импульса (j Ф 2) уравнение траектории точки M будет отличаться от прямой линии (фиг. 4б).

Наряду с классификацией ЧМ сигналов по траектории перемещения точки M воз10 можна также визуальная оценка основных параметров внутриимпульсной модуляции принимаемого ЧМ сигнала. (56) Авторское свидетельство СССР

15 hh 1626182, кл. G 01 R 23/17, 1989, визуального определения вида частотной

20 модуляции и девиации частоты принимаемого сигнала, в него введены пятая и шестая ячейки Брэгга, пятая линза, пятая матрица фотодетекторов, пятый блок индикации, линия задержки и переключатель, 25 причем на пути распространения пучка света установлена пятая ячейка Брэгга, к электрическому входу которой подключен выход усилителя промежуточной частоты,, на пути распространения дифрагируемой

30 части пучка света пятой ячейки Брэгга ортогонально установлена шестая ячейка

Брэгга, электрический вход которой через последовательно включенные линию задержки и переключатель соединен с выхо35 дом усилителя промежуточной частоты, на пути распространения дифрагируемой части пучка света шестой ячейки Брэгга установлена пятая линза, в фокальной плоскости которой размещена пятая мат40 рица фотодетекторов, электрическим выходом подключенная к пятому блоку индикации.

2005303

2005303

Фиг 4

Составитель Л. Устинова

Редактор Т, Лошкарева Техред М.Моргентал Корректор C. Юско

Заказ 3432

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

У

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5