Акустооптический приемник-частотомер
Изобретение относится к области радиоизмерительной техники и может быть использовано в качестве высокоточного приемника-частотомера, работающего в автоматическом режиме. Технический результат, заключающийся в увеличении точности измерения частоты радиосигналов, достигается за счет того, что в акустооптический приемник-частотомер, состоящий из последовательно по свету включенных лазера, коллиматора, линейного акустооптического дефлектора, на возбуждаемый входным радиосигналом в теле которого ультразвуковой столб лазерное излучение падает под отрицательным или положительным углом Брэгга, первой интегрирующей линзы и первой линейки фотоприемников с параллельным выходом, дополнительно по направлению луча лазера нулевого порядка после акустооптического дефлектора расположено переотражающее зеркало, обеспечивающее повторное падение света на ультразвуковой столб акустооптического дефлектора под отрицательным или положительным углом Брэгга, а по направлению повторно продифрагировавшего света расположены последовательно по свету вторая интегрирующая линза и вторая линейка фотоприемников, одноименные выходы которой соединены с одноименными выходами первой линейки фотоприемников соответственно. 7 ил.
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного приемника-частотомера, работающего в автоматическом режиме.
Известен акустооптический (АО) анализатор спектра с пространственным интегрированием (опубл. в кн. : Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени/О. Б. Гусев, С. В. Кулаков, Б. П. Разживин, Д. Б. Тигин; под ред. Кулакова С. В. - М. : Радио и связь. - 1989. - 136 с. , стр. 48), в состав которого входят последовательно по свету включенные лазер, конденсор и коллиматор, образующие оптический каскад перехода от лазерного пучка к плоской световой волне заданной апертуры, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, Фурье-линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников. Причиной, препятствующей достижению технического результата, является наличие частотной и амплитудной погрешностей измерения параметров - мгновенной частоты и амплитуды радиосигналов со сложными законами внутриимпульсной модуляции. Погрешности обусловлены тем, что при попадании в апертуру АО дефлектора "отрезка", например, быстроперестраиваемого сигнала или сигнала, частота которого изменяется по закону, отличному от линейного, аппаратная функция АО анализатора спектра претерпевает искажения: она изменяет свою форму, в частности становится нецентросимметричной. Последнее и обуславливает упомянутые погрешности отсчета частоты и амплитуды действующего на входе АО анализатора радиосигнала. Признаками данного аналога, совпадающего с признаками изобретения, являются последовательно включенные по свету лазер, коллиматор, АО дефлектор, Фурье-линза, осуществляющая интегральное Фурье-преобразование, и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников. Известен АО частотомер (опубл. в статье Роздобудько В. В. Акустооптический СВЧ частотомер на основе аномальной дифракции в LiNbO3// Радиоэлектроника. - 1992. - 9. - с. 74-78, стр. 75), предназначенный для работы в широком диапазоне рабочих частот; частотомер содержит последовательно включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, регистрирующее устройство, реализованное в виде линейки фотоприемников, выходы которых через набор видеоусилителей и пороговых устройств нагружены на шифратор, осуществляющий преобразование позиционного кода, несущего информацию о координате центра дифрагированного пятна света, в код частоты. Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является наличие в аналоге систематической частотной погрешности, зависимой, как будет показано ниже, от вида закона перестройки частоты, действующего на входе частотомера, радиосигнала. Признаками, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, интегрирующая линза и линейка фотоприемников, в качестве которой в аналоге используется линейка фотодиодов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: АО частотомер - см. фиг. 1. описанный в статье: Гуревич А. С. , Нахмансон Г. С. Точность измерения ширины спектра широкополосных радиосигналов на фоне помех в АО спектроаналиваторе//Радиотехника. - 1982. - т. 25. - 4. - с. 62-69, а также: Гуревич А. С. , Нахмансон Г. С. Обнаружение и измерение частоты узкополосных радиосигналов на фоне помех в акустоэлектронном спектроанализаторе// Радиотехника. - 1981. - т. 24. - 4. - с. 26-33. Устройство-прототип содержит в своем составе последовательно по свету расположенные лазер, конденсор и коллиматор, формирующие плоскую световую волну, АО дефлектор, на вход которого подается измеряемый сигнал S(t), линзу, выполняющую преобразование Фурье и оптоэлектронную систему, обрабатывающую оптические сигналы и включающую в себя линейку фотоприемников, набор видеоусилителей, набор пороговых устройств и решающее устройство. Признаками прототипа, общими с заявляемым техническим решением, являются последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза и линейка фотоприемников с параллельным выходом. Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является недостаточная точность измерения мгновенной частоты (и амплитуды) радиосигналов, имеющих сложные законы внутриимпульсной модуляции. Поясним подробно данный недостаток прототипа и вышеописанных аналогов, для чего рассмотрим используемый ими алгоритм регистрации мгновенной частоты - f(t) и амплитуды - a(t) входного радиосигнала - S(t). Алгоритм регистрации f(t) и a(t) заключается в том, что в момент времени tn= t0+nT0, где n= 1, 2, 3. . . ; T0= L/ и t0= L1/ - длительности апертуры и темновой апертуры акустооптического дефлектора (АОД), - - скорость ультразвука, т. е. через Т0 регистрируется координата энергетического центра тяжести (центроиды) дифрагированного света - x0(t) и значение его интенсивности в максимуме - I0m(t); I0m(t) -пропорциональна а(t), а координата xn(t) линейно-зависит от f(t) - cм. фиг. 1. Для линейки фотоприемных устройств (ФПУ) отклонение центроиды от начала координат, совпадающего с центром одного из фотодиодов, определяется как где b - период расположения фотодиодов в линейке фотоприемных устройств (ФПУ); m - их порядковый номер; Nm- число "засвеченных" фотодиодов; Im - сигнал, снимаемый с m-го фотодиода. Таким образом, регистрируемые прототипом и аналогом x0(tn) и I0m(tn) и, соответственно, частоты и амплитуды соотносятся значениями мгновенной частоты f(tn) и амплитуды a(tn) в центре апертуры АОД в моменты времени tn. Исходными данными для последующего восстановления законов f(t) и a(t) являются значения f(tn) и a(tn). Описанный алгоритм, а также схемы аналогов и прототипа "работают" в том случае, если размещаемый в апертуре АОД сигнал S(t) можно считать гармоническим или "квазигармоническим" в соответствии с результатами работы: Егоров Ю. В. и др. Акустооптические процессоры. M. : Радио и связь - 1991. - 160 с. В том случае, если на входе приемника-частотомера действует сигнал со сложным нелинейным законом внутриимпульсной модуляции или, в общем случае, сигнал, энергетический центр спектра которого не совпадает с несущей (центральной) частотой, в схеме прототипа возможна ошибка при измерении мгновенных f(tn) и a(tn). Сказанное иллюстрируется (см. фиг. 2) расчетом частотной f(tn) и амплитудной a(tn) погрешностей регистрации f(tn) и a(tn), проведенного для схемы прототипа, временная протяженность апертуры АОД которого удовлетворяет упомянутому условию "квазигармоничности": где - скорость перестройки, действующего на входе частотомера ЧМ радиосигнала. Расчет интенсивности дифрагированного света I0,3= (x1) в плоскости ФПУ устройства прототипа проводился на основе интеграла в котором действующий сигнал S(t) длительностью = T0 и амплитудой в пределах апертуры АОД a(t)= const, аппроксимировался зависимостью вида S(t) = a(t)cos{2(f0t+(t-/2)2+(t-/2)3)} и представлялся в виде своего пространственного аналога S(x) a(p)cos[1(p)+2(p)2+3(p)3],где p= 2x/L; 1 = f0T0; 2= 1/4T20; 3= 1/4T30- максимальные значения линейного, квадратичного и кубического набегов фазы радиосигнала на краях апертуры АОД, причем двум последним значениям 2 и 3 соответствуют составляющие девиации S(t), равные
fg2g3= 22,3/T0.
В приведенном расчетном соотношении х, х1 - пространственные координаты, отсчитываемые от центра апертуры АОД - х и от оптической оси в фокальной плоскости интегрирующей линзы - х1; k = 2/; - длина волны света; F - фокусное расстояние интегрирующей линзы; Е(х) - весовая функция, учитывающая распределение света по апертуре АОД, которая представляется усеченной гауссоидой Е(х)= ехр(-х2/D0 2), где 2D0 - ширина лазерного пучка по уровню ехр(-1); соотношение размеров L и 2D0 характеризуется параметром усечения = L/2D0.
На фиг. 2А условно изображены два отрезка измеряемого сигнала S(t), длительность которых - ограничена размерами временной апертуры - Т0; сигналы отличаются только знаком коэффициента и как следствие знаком отличаются их временные - 2(t-/2)3 и пространственные - = 3(p)3 = 1/4T30(2x/L)3- (см. фиг. 2Б) - фазовые характеристики. Для обоих отрезков сигналов в центре апертуры АОД "расположена" частота f0, которую должен регистрировать АО приемник-частотомер, поскольку в схеме прототипа ей - частоте - соответствует координата x10= F(n+f0/), где n- угол падения лазерного излучения на АОД. Однако из расчета распределений I0,3= (x1) (см. фиг. 2В) для обоих отрезков сигналов с противоположной разницей набега фазы на краях апертуры АОД следует, что соответствующие координаты максимумов I03m сдвинуты относительно x10 в противоположные стороны на величину
причем сами I03m несколько меньше аналогичных максимумов интенсивности, имеющих место, если в апертуре АОД присутствует гармонический сигнал частоты f0. Более подробное рассмотрение (см. статью Роздобудько В. В. Анализ динамических погрешностей в акустооптических измерителях мгновенной частоты РЛ сигналов//Радиоэлектроника. - 1997. - 12. - с. 3-10) показывает, что частотная f(tn) и квадрат относительной амплитудной a2отн(tn) ошибки АО устройства-прототипа могут быть представлены в виде зависимостей
a2отн= |0.062+0.0422+0.0233|,
первая из которых с 5% погрешностью аппроксимирует соответствующие теоретические зависимости упомянутой работы для сигналов с 2,3 и 1.5, а вторая для сигналов с 2,3 и равноамплитудного освещения апертуры АОД, т. е. = 0. Из приведенных теоретических соотношений следует, что даже для умеренно быстроперестраиваемых ЧМ сигналов с 2 = = 3, частотная погрешность прототипа будет сопоставима с его релеевским разрешением, пропорциональным 1/Т0, а амплитудная погрешность может составлять десятки процентов. Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности измерения частотных и амплитудных параметров радиосигналов со сложными законами внутриимпульсной модуляции. Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в увеличении точности измерения мгновенной частоты примерно на порядок, а амплитуды в 5-10 раз при типовых параметрах приемника-частотомера (диапазон частот 1,5-2,0 ГГц), использующего в своем составе следующие элементы: лазер с дефлектор со скоростью ультразвука = 0.63 мкм;= 3,6 м/с и апертурой по свету Т0= 1 мкс; 128-элементную линейку фотоприемников с общим размером h= 32 мм. Технический результат достигается за счет организации в устройстве-прототипе дифракции света, как на самом отрезке измеряемого сигнала, так и на его зеркальном отображении, и последующем суммировании двух световых распределений, максимумы которых имеют частотные ошибки противоположного знака. Для достижения технического результата в акустооптический приемник-частотомер, содержащий последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, линейный АО дефлектор, на возбуждаемый входным радиосигналом в теле которого ультразвуковой столб лазерное излучение падает под отрицательным или положительным углом Брэгга, первую интегрирующую линзу и первую линейку фотоприемников с параллельным выходом, по направлению луча лазера нулевого порядка после АО дефлектора расположено переотражающее зеркало, обеспечивающее повторное падение света на ультразвуковой столб АОД под положительным или отрицательным углом Брэгга, а по направлению повторно продифрагировавшего света расположены последовательно по свету вторая интегрирующая линза и вторая линейка фотоприемников, одноименные выходы которой соединены с одноименными выходами первой линейки фотоприемников соответственно. Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. В предлагаемой схеме, как отмечалось выше, организована дифракция света на прямом и зеркальном отрезке измеряемого сигнала. Последнее обеспечивается за счет одновременной дифракции 1 порядков путем подачи света на противоположные стороны возбуждаемого в теле дефлектора ультразвукового столба и получением неперекрывающихся в пространстве дифракционных световых сигналов. Как следует из предыдущего рассмотрения, именно при такой геометрии АО взаимодействия в 1 дифракционных порядках будет иметь место противоположный сдвиг максимумов интенсивности дифрагированного света по оси пространственных частот для одного и того же отрезка нелинейного радиосигнала, размещенного в апертуре АОД. Сдвиг максимума I03m будет происходить в сторону низких и высоких пространственных частот по той причине, что для каждого из падающих на АОД со стороны противоположных граней лазерных лучей соответствующие фазовые распределения входного радиосигнала будут противоположными, зеркальными и будут иметь отличающиеся по знаку значения фазовых набегов на краях апертуры АОД. Таким образом, в предложенной схеме приемника-частотомера обеспечиваются условия, при которых с линеек ФПУ снимается симметричный выходной сигнал, координата максимума которого, вне зависимости от закона ЧМ и амплитуды измеряемого входного сигнала, соответствует мгновенной частоте f0 сигнала S(t) в момент времени tn, приходящейся на центр апертуры АОД. Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 3 представлена структурная схема АО приемника-частотомера, в которой обозначено: лазер - 1, коллиматор - 2, АОД - 3, интегрирующие линзы 4 и 7, переотражающее зеркало - 5, линейки фотоприемников 6 и 8. Заявляемый высокоточный приемник-частотомер содержит (см. фиг. 3) последовательно расположенные лазер - 1 с длиной волны световых колебаний , коллиматор - 2, обеспечивающий формирование лазерного пучка заданной геометрии, АОД - 3 со скоростью ультразвука , на возбуждаемый входным радиосигналом частоты f0 в теле которого ультразвуковой столб лазерное излучение падает под отрицательным углом Брэгга - = f0/, первую интегрирующую линзу 4 и первую линейку фотоприемников 6; в приемнике-частотомере по направлению луча лазера нулевого порядка включено переотражающее зеркало - 5, обеспечивающее повторное, но зеркальное падение света на ультразвуковой столб под положительным углом Брэгга и повторное дифрагирование лазерного излучения; далее это излучение фокусируется второй интегрирующей линзой - 7 на вторую линейку фотоприемников - 8, выходы которой запараллелены с одноименными выходами первой линейки фотоприемников - 6. По той причине, что в предложенной схеме приемника-частотомера направление дифрагировавших на входном радиосигнале лучей света симметрично, то работа схемы не будет нарушена, если будет обеспечиваться падение света на ультразвуковой столб АОД под положительным углом Брэгга, а повторное падение света, наоборот, под отрицательным углом Брэгга. Принцип работы заявляемого приемника-частотомера не отличается от принципа работы аналога и прототипа и состоит в следующем. Лазерное излучение, подаваемое от лазера 1 на одну из граней АОД 3, дифрагирует на акустическом аналоге входного радиосигнала и с помощью интегрирующей линзы 4 фокусируется на линейку фотоприемников 6; с выхода линейки 6 снимается сигнал, пространственное положение максимума (центра) которого соответствует частоте измеряемого радиосигнала. Непродифрагировавший свет - свет нулевого порядка дифракции - повторно подается на вторую из граней линзы АОД 3 и повторно дифрагирует на входном радиосигнале; с помощью второй интегрирующей линзы 7 он подается на вторую линейку фотоприемников 8, с выхода которой также снимается сигнал, координата центра которого соответствует частоте радиосигнала, "размещенного" в апертуре АОД 3. При наличии на входе АОД 3 гармонического радиосигнала пространственное положение соответствующих пятен света, подаваемых на линейку фотоприемников 6 и 8, является одинаковым; регистрация их максимумов и обеспечивает возможности отсчета частоты входного радиосигнала. Обеспечиваемый заявляемым устройством технический результат - повышение точности измерения частоты и амплитуды радиосигналов - поясним на следующем примере. При наличии на входе АОД - 3 входного радиосигнала со сложным законом внутриимпульсной модуляции в плоскостях расположения обеих линеек фотоприемников формируются световые распределения (см. фиг. 2), максимумы которых сдвинуты в противоположные стороны. Однако поскольку одноименные выходы обеих линеек запараллелены, то суммарное световое распределение будет оставаться симметричным, максимум которого будет соответствовать частоте f0, приходящейся на центр апертуры АОД; таким образом будет устраняться ошибка измерения частоты (и амплитуды), характерная для аналога и прототипа. Отметим, что в предлагаемом частотомере динамическая ошибка измерения частоты, зависимая от вида модуляции и параметров входного сигнала, устраняется полностью. В заключении перечислим ограничивающие факторы, налагаемые на архитектуру предложенного приемника-частотомера и на параметры входных сигналов, в пределах изменения которых он будет сохранять работоспособность. В предложенном приемнике-частотомере дифракционная эффективность используемого АОД должна быть малой, что необходимо для поддержания равенства уровней дифрагированных световых сигналов; в противном случае необходимо принимать меры, обеспечивающие такое равенство, например, путем деления основного луча лазера и использования в составе приемника-частотомера второго АОД, направление распространения сигнала в котором противоположно направлению в первом АОД. Ориентировочно можно считать, что для предложенного частотомера предельным будет такой сигнал, с такой комбинацией параметров , , и Т0, для которого частотный разнос между двумя дифрагированными пятнами будет таким, что приемник-частотомер станет воспринимать их как два разных сигнала. Последнее будет иметь место, если 2x10 (см. фиг. 2) будет сопоставимо с шириной светового распределения I0,3= (x1), равного по уровню 0,5
Предлагаемый высокоточный АО приемник-частотомер может быть выполнен на основе следующих элементов. Лазер - 1 целесообразно использовать газовый He-Ne, например типов ЛГН-219, ЛГН-223, ЛГН-208, или полупроводниковый - видимого (ИЛПН-207) или инфракрасного диапазона. АОД - для диапазона частот (500-4000) МГц может быть выполнен на основе таких материалов, как LiNbO3 или РbМoО4, а для диапазона частот менее 500 МГц АОД может быть выполнен на основе ТеО2 и других материалов. В качестве линеек фотоприемников 6 и 8 в частотомере могут быть применены либо приборы с зарядовой связью, например линейки типа 1200ЦЛ1, 1200ЦЛ5 и др. , либо фотодиодные матрицы типов ФПУ-14, МФ-14 и др. К оптическим элементам, входящим в частотомер, особых требований не предъявляется: и коллиматор - 2, и зеркало 5, и интегрирующие линзы 4 и 7 могут быть выполнены по стандартной технологии, например, из стекла марки К8; в качестве коллиматора 2 возможно применение стандартного объектива.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7