Акустооптический анализатор спектра

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для визуального анализа спектра сложных сигналов и определения вида их модуляции. Анализатор содержит лазер, коллиматор, четыре ячейки Брэгга, четыре линзы, четыре матрицы фотодетекторов, пять блоков индикации, две антенны, преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, четыре перемножителя, три полосовых фильтра, переключатель, узкополосный фильтр, амплитудный детектор, генератор счетных импульсов, элемент И, дифференцирующую цепь, счетчик, усилитель низкой частоты, электронно-счетный частотомер и арифметический блок. 7 ил.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для визуального спектра сложных сигналов и определения вида из модуляции.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем точной и однозначной пеленгации источника излучения сложных сигналов с линейной частотной модуляцией.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого анализатора; на фиг. 2 - возможный вид осциллограмм на экранах блоков индикации; на фиг. 3 - схема взаимного расположения символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией; на фиг. 4 - схема изменения фазы частотно-манипулированного сигнала; на фиг. 5 и 6 - частотные и временные диаграммы, поясняющие работу анализатора; на фиг. 7 - принцип пеленгации источника излучения ЛЧМ сигналом фазовым методом в одной плоскости.

Акустооптический анализатор спектра содержит лазер 1, коллиматор 2, первую, вторую, третью и четвертую ячейки 3.1-3.4 Брэгга, первую, вторую, третью и четвертую линзы 4.1-4.4, первую, вторую, третью и четвертую матрицы 5.1-5.4 фотодетекторов, первый, второй, третий и четвертый блоки 6.1-6.4 индикации, первую антенну 7, преобразователь 8 частоты, усилитель 9 промежуточной частоты, первый, второй и третий перемножители 10.1-10.3, первый, второй и третий полосовые фильтры 11.1-11.3, переключатель 12, узкополосный фильтр 13, амплитудный детектор 14, генератор 15 счетных импульсов, элемент И 16, дифференцирующую цепь 17, счетчик 18, вторую антенну 19, четвертый перемножитель 20, усилитель 21 низкой частоты, электронно-счетный частотомер 22, арифметический блок 23 и пятый блок 24 индикации, причем на пути распространения пучка света лазера 1 установлены коллиматор 2 и четыре ячейки 3.1-3.4 Брэгга, а на пути дифрагированного пучка света - соответствующая линза 4.1(4.2-4.4), в фокальной плоскости которой размещается соответствующая матрица 5.1(5.2-5.4) фотодетекторов, выход которой соединен с соответствующим блоком 6.1(6.2-6.4) индикации.

Анализатор спектра работает следующим образом.

Сигнал, принятый антенной 7, поступает на вход преобразователя 8 частоты, состоящего из смесителя и гетеродина. Преобразованный по частоте сигнал выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.1 Брэгга, где происходит преобразование сигнала в акустическое колебание.

Пучок света от лазера 1, сколлимированный коллиматором 2, проходит через ячейки 3.1-3.4 Брэгга и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных сигналом. На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливаются линзы 4.1-4.4. В фокальных плоскостях указанных линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установлены матрицы 5.1-5.4 фотодетекторов. Каждому разрешающему элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор.

Ячейка 3.1(3.2-3.4) Брэгга состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобат-лития соответственно Х и Y - 35^о среза. Это обстоятельство обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот. В качестве блоков 6.1-6.4 индикации могут быть использованы осциллографические индикаторы.

Если на вход анализатора спектра поступает сложный сигнал с бинарной фазовой манипуляцией (ФМн-2), то его аналитически можно записать следующим образом: u_c(t) = U_ccos[2 π f_ct + ϕ_к (t) + ϕ_c ] , 0 ≅ t ≅ T_c, где U_c, f_c ϕ_c и Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала соответственно; ϕ_к (t) = 0, π - манипулирующая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем ϕ_к (t) = cons при kT_и < t < (k + 1) τ_и и может изменяться скачком при t = k τ_и , т. е. на границах между элементарными посылками (K = 1, 2, . . . , N = = 1); τ_и и N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c (T_c = N τ_и ).

Указанный сигнал поступает на вход преобразователя 8 частоты, на выходе которого образует напряжение u_пр(t) = U_прcos[2 π f_прt + ϕ_к (t) + ϕ_пр), 0 ≅ t ≅ T_c, где U_пр = 1/2 · K U_cU_г; К - коэффициент передачи смесителя; f_пр = f_c - f_г - промежуточная частота; ϕ_пр= ϕ_c-ϕ_г - промежуточная начальная фаза;
U_г, f_г и ϕ_г - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина соответственно.

Это напряжение выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.1 Брэгга и на два входа перемножителя 10.1, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
u₁(t) = U_ccos(4 π f_прt + 2 ϕ_пр),
0 ≅ t ≅ T_c,
где U₁ = 1/2 · K₁U²_пр;
К₁ - коэффициент передачи перемножителя.

Так как 2 ϕ_к (t) = 0,2 π , то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение u₁(t) выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.2 Брэгга и на два входа перемножителя 10.2, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
u₂(t) = U₂cos(8 π f_прt + 4 ϕ_пр),
0 ≅ t ≅ T_c, где U₂ = 1/2 · K₁U₁².

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.2 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.3 Брэгга и на два входа перемножителя 10.3, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
u₃(t) = U₃cos(16 π f_прt + 8 ϕ_пр),
0 ≅ t ≅ T_c,
где U₃ = 1/2 · K₁U₂². Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.3 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.4 Брэгга.

Ширина спектра ФМн-2 сигнала Δ f_c определяется длительностью τ_и элементарных посылок ( Δ f_c = 1/ τ_и), тогда как ширина спектра второй Δ f₂, четвертой Δ f₄, восьмой Δ f₈ гармоник определяется длительностью Т_с сигнала ( Δ f₂ = Δ f₄ = Δ f₈ = 1/T_c ). Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала "сворачивается" в N раз ( = = N) 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 6.1-6.4 соответственно (фиг. 2а).

Если на вход анализатора спектра поступает ФМН-4 сигнал[ (t) = 0, , Π, ] , то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется ФМн-2 сигнал [ ϕ_к (t) = 0, π, 2 π, 3 π] , а на выходе полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются соответствующие гармонические составляющие u₂(t) и u₃(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 - одиночные спектральные составляющие (фиг. 2б).

Если на вход анализатора поступает ФМн-8 сигнал[(t) = 0, , , , Π, , , ] , то на выходах полосовых фильтров 11.1 и 11.2 образуются ФМн-4 и ФМ-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 11.3 - гармоническое напряжение. В этом случае на экранах индикаторов 6.1-6.3 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4, ФМн-2 сигналов, а на экране индикатора 6.4 - одиночная спектральная составляющая (фиг. 2в).

Если на вход анализатора поступает ЧМн-2 сигнал (фиг. 3а)
u_c(t) = U_ccos[2 π f_срt + ϕ (t) + ϕ_c] ,
0 ≅ t ≅ T_c,
где f_cp= - средняя частота сигнала (фиг. 3);
ϕ (t) - изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг. 4);
f₁= f_cp+ , f₂= f_cp+ - символьные частоты, то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется частотно-манипулированный сигнал с индексом девиации частоты h = 1. При этом спектр трансформируется в спектральные составляющие на частотах 2f₁и 2f₂. На выходе полосового фильтра 11.2 образуются две спектральные составляющие на частотах 4f₁ и 4f₂, а на выходе полосового фильтра 11.3 - две спектральные составляющие на частотах 8f₁ и 8f₂ (фиг. 2г).

Если на вход анализатора поступает ЧМн-3 сигнал (фиг. 3б), то на выходе полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются три спектральные составляющие на частотах 4f₁, 4f_ср, 4f₂ и 8f₁, 8f_ср, 8f₂, т. е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие (фиг. 3д). На выходе перемножителя 10.1 спектр ЧМн-3 сигнала трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h < 1. Таким образом, на экране индикаторов 6.1 и 6.2 визуально наблюдаются сплошные спектры.

Если на вход анализатора поступает ЧМн-5 сигнал (фиг. 3в), то на выходе перемножителя 10.3 его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8f₁, 8f₃, 8f_ср, 8f₄ и 8f₂. На выходах перемножителей 10.1 и 10.2 сплошной спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется в другие сплошные спектры, так как в этом случае h < 1. Таким образом, на экранах индикаторов 6.1-6.3 наблюдаются сплошные спектры, а на экране индикатора 6.4 - пять спектральных лепестков (фиг. 2е).

Если на вход анализатора поступает сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ)
u_c(t) = U_ccos(2 π f_ct + πγt² + ϕ_c ] ,
0 ≅ t ≅ T_c,
где U_c, f_c, ϕ_c и Т_с - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и длительность сигнала соответственно;
γ = - скорость изменения частоты внутри импульса;
Δ f_д - девиация частоты, то преобразователем 8 частоты он переносится на промежуточную частоту
u_пр(t) = U_прcos(2 π f_прt + πγt² + ϕ_пр),
0 ≅ t ≅ T_c. Напряжение u_пр(t) выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.1 Брэгга и на два входа перемножителя 10.1, на выходе которого образуется ЛЧМ-сигнал
u₁(t) = U₁cos(4 π f_прt + 2 πγt² + 2 ϕ_пр),
0 ≅ t ≅ T_c. который выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.2 Брэгга. Так как длительность Т_с ЛЧМ-сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте одинакова, то увеличение γ в 2 раза происходит за счет увеличения в 2 раза девиации частоты Δ f_д. Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ-сигнала на удвоенной промежуточной частоте в 2 раза больше его ширины спектра на основной промежуточной частоте (Δ f₂ = 2 Δ f_c). Аналогично на выходах перемножителей 10.2 и 10.3 ширина спектра ЛЧМ-сигнала увеличивается в 4 и 8 раз (Δ f₄ = 4 Δ f_c, Δ f₈ = 8 Δ f_c).

Следовательно, на экране индикатора 6.1 визуально наблюдается спектр ЛЧМ-сигнала, а на экранах индикаторов 6.2-6.4 - спектры ЛЧМ-сигналов, ширина которых в 2, 4 и 8 раз больше ширины спектра исходного ЛЧМ-сигнала (фиг. 2ж). Это обстоятельство является признаком распознавания ЛЧМ-сигнала и поводом для перевода оператором переключателя 12 в замкнутое положение. При этом принимаемый ЛЧМ-сигнал u_c(t) с антенны 7 через замкнутый переключатель 12 поступает на первый вход перемножителя 20, на второй вход которого с антенны 19 подается ЛЧМ-сигнал u_c(t)
u_c(t + τ ) = U_ccos[2 π f_c(t + τ) + πγ(t+τ)² + ϕ_c ] ,
0 ≅ t ≅ T_c,
где τ = = - время запаздывания сигнала, приходящего на антенну 19, по отношению к сигналу, приходящему на антенну 7.

В результате перемножения образуется результирующее напряжение u_Σ (t) = u_c(t)u_c(t + τ ) = U_бcos(2 π f_бt + ϕ_б) + + U_бсos(4 π f_ct + 2 π f_бt + ϕ_б + 2 πγt²+ 2 ϕ_с), где U_б = 1/2 · K₁U_c²;
К₁ - коэффициент передачи перемножителя;
f_б = γτ - частота биений;
ϕ_б= 2πf_cτ+πγτ²- начальная фаза биений.

Усилителем 21 низкой частоты выделяется напряжение биений (напряжение разностной частоты)
u₅(t) = U_бcos(2 π f_бt + ϕ_б), 0 ≅ t ≅ T_c. При этом угол прихода радиоволн β определяется следующим образом:
β = arccos .

Поскольку при изменении угла β меняется и величина частоты биений f_б, то последняя однозначно определяет пеленг на источник излучения ЛЧМ-сигналов (фиг. 5а). Для определения угла β прихода радиоволн необходимо измерить частоту биений f_б и скорость изменения частоты γ внутри импульса. Частота биений (фиг. 5б) измеряется с помощью электронно-счетного частотомера 22. Из непрерывного переменного напряжения u_б(t) частоты f_б формируются короткие импульсы, частота следования которых остается равной f_б. Если сосчитать число импульсов n₁за известный интервал времени Δ t, то легко определить искомую частоту
f_Б= .

В частности, если Δ t = 1 с, то измеренное количество импульсов n₁численно равно неизвестной частоте. Количество импульсов n₁ с выхода частотомера 22 поступает на первый вход арифметического блока 23.

Для измерения скорости изменения частоты γ внутри импульса напряжение u_c(t) с антенны 7 через замкнутый переключатель 12 поступает на вход узкополосного фильтра 13 с полосой пропускания Δ f (фиг. 6а). На выходе узкополосного фильтра 13 образуется радиоимпульс (фиг. 6б) длительностью t_u= . Этот радиоимпульс поступает на вход амплитудного детектора 14, который выделяет его огибающую. Прямоугольный видеоимпульс с выхода амплитудного детектора 14 (фиг. 6в) поступает на первый вход элемента И 16, на второй вход которого подаются счетные импульсы с выхода генератора 15 (фиг. 6г). На выходе элемента И 16 образуются счетные импульсы, количество которых n₂ подсчитывается счетчиком 18. Видеоимпульс с выхода амплитудного детектора 14 (фиг. 6в) поступает одновременно на вход дифференцирующей цепи 17, на выходе которой образуется два коротких разнополярных импульса (фиг. 6е), причем положительным коротким импульсом счетчик 18 приводится в исходное (нулевое) состояние, т. е. подготавливается к работе, а отрицательным коротким импульсом сосчитанное количество n₂ счетных импульсов переводится в арифметический блок 23, в котором определяется угол β прихода радиоволны в цифровом коде. Последний регистрируется индикатором 24. (56) Авторское свидетельство СССР N 1626182, кл. G 01 R 23/17, 1989.

Формула изобретения

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий последовательно соединенные лазер, коллиматор и четыре ячейки Брэгга, в продифрагированном луче каждой из которых последовательно установлены линзы и матрица фотодетекторов в ее фокальной плоскости, 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, при этом к входам умножителя и к выходу каждого полосового фильтра подключены электрические входы соответствующих ячеек Брэгга, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем точной и однозначной пеленгации источника излучения сложных сигналов с линейной частотной модуляцией, в него введены последовательно соединенные с приемной антенной переключатель, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и элемент И, генератор счетных импульсов, соединенный с вторым входом элемента И, последовательно соединенные дифференцирующая цепь, счетчик, арифметический блок и пятый блок индикации, последовательно соединенные вторая антенна, четвертый перемножитель, усилитель низкой частоты и электронно-счетный частотомер, подключенный к второму входу арифметического блока, причем второй вход четвертого перемножителя соединен с переключателем, выход элемента И соединен с вторым входом счетчика, а выход дифференцирующей цепи соединен с выходом амплитудного детектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7