Способ исследования колебаний

Изобретение относится к измерительной технике. Способ основан на преобразовании колебаний и измерении значений полученного в результате преобразования сигнала, например амплитуды и частоты сигнала. Путем интерференционной модуляции колебаний и детектирования биений осуществляют транспонирование частотного спектра колебаний, а также его сжатие, производят суммирование реализаций сигнала, которые получают при выполнении указанного преобразования спектра, путем измерения значений результирующего сигнала определяют интенсивность, длину волны исследуемых колебаний и осуществляют их идентификацию. Технический результат - увеличение частотного диапазона исследуемых колебаний. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области исследований высокочастотных колебаний, осуществляемых путем преобразования колебаний и анализа их параметров, и может быть использовано для обнаружения и идентификации электромагнитных сигналов, в частности, оптического диапазона.

Для обеспечения возможности измерения параметров высокочастотных колебаний, как правило, прибегают к их преобразованию.

Например, при исследовании излучения осуществляют преобразование оптических колебаний посредством наложения световых полей разных частот. При этом интенсивность результирующего оптического сигнала будет меняться с частотой, равной разности частот интерферирующих волн, что приводит к возникновению биений с указанной частотой. Аналогичные по природе биения возникают в оптических схемах при изменении во времени хода интерферирующих лучей [1]. Полученная таким образом картина из чередующихся светлых и темных полос несет информацию об исследуемом излучении.

Другой известный способ исследования колебаний основан на обработке сигнала посредством транспонирования частотного спектра [2]. При осуществлении данного способа предполагается за счет мультипликативного переноса (умножения) частотного спектра изменять, в частности сокращать, полосу исследуемого сигнала.

Прототипом предлагаемого изобретения является используемый при лазерной локации способ обработки оптического сигнала, основанный на преобразовании сигнала путем гетеродинирования в низкочастотный электрический сигнал [3], который несет информацию о длине волны и интенсивности преобразованного оптического сигнала. Посредством измерения частоты и амплитуды электрического сигнала определяют искомые параметры исходного сигнала.

Существенный недостаток данного способа при его практической реализации заключается в том, что даже очень незначительное отклонение длины волны принимаемого оптического сигнала, обусловленное, например, смещением частоты, имеющим место при доплеровской локации движущихся объектов, может вызвать, как это показано в [3], уход частоты результирующего (электрического) сигнала за пределы диапазона частот усилителя промежуточной частоты и, следовательно, привести к потере информации, содержащейся в оптическом сигнале.

Следующий недостаток упомянутого способа заключается в сложности обеспечения стабильности взаимного сдвига частот излучающего источника и гетеродина, от которой зависит работоспособность устройства, реализующего способ.

Другим недостатком названного способа является ограниченное время накопления сигнала, определяемое длительностью "времени замороженности" атмосферы. Указанный интервал согласно [4] составляет величину порядка 1 мс. От длительности времени накопления сигнала, как известно, зависит чувствительность доплеровского способа локации.

Задачей, на решение которой направлено изобретения, является уменьшение зависимости ухода частоты преобразованного сигнала от изменения частоты колебаний, расширение диапазона частот исследуемых колебаний и увеличение времени накопления упомянутого сигнала.

Указанная задача решается за счет того, что в способе исследования колебаний, основанном на преобразовании колебаний и измерении значений полученного в результате преобразования сигнала, например амплитуды и частоты сигнала, путем интерференционной модуляции колебаний и детектирования биений, осуществляют транспонирование частотного спектра колебаний, обеспечивающее его сжатие, производят суммирование (сложение) реализаций сигнала, которые получают при выполнении указанного сжатия спектра, измеряют значения результирующего сигнала, определяют параметры и осуществляют идентификацию исследуемых колебаний. Для получения сигнала со смещенным посредством транспонирования частотным спектром осуществляют детектирование биений, обусловленных разностью фазовых углов, суммируемых в процессе указанного преобразования колебаний, в частности, возникающей в результате взаимного сдвига колебаний при изменения хода интерферирующих сигналов (интерферирующих лучей в случае исследования оптических колебаний). Интенсивность колебаний определяют по суммарному значению результирующего сигнала, используя нижеприведенное выражение

где k_u - коэффициент преобразования; U - амплитуда переменной составляющей результирующего сигнала; N - количество суммируемых реализаций сигнала. Длину волны колебаний определяют, учитывая сжатие частотного спектра, в соответствии с выражением

где с - скорость распространения сигнала; k_d - коэффициент, обратный коэффициенту сжатия частотного спектра; F - частота переменной составляющей результирующего сигнала.

Нужно заметить, что в процессе гетеродинирования каждое значение частоты преобразуемого сигнала изменяется на одну и ту же величину в соответствии с аддитивным преобразованием. При мультипликативном переносе спектра каждое значение частоты преобразуемого сигнала изменяется во много раз, конкретно при сжатии спектра уменьшается в k_d раз. Естественно, при этом также происходят фазовые преобразования. Ступенчатое изменение фазы преобразуемого сигнала уменьшается также в указанное число раз, что приводит к снятию фазовой модуляции сигнала.

Техническим результатом изобретения является осуществление способа обработки локационных сигналов, позволяющего за счет сжатия частотного спектра увеличить частотный диапазон исследуемых колебаний и тем самым расширить границы диапазона измеряемых скоростей, в котором возможно осуществлять локацию объектов. Вместе с тем обеспечивается более длительное накопление отраженного сигнала в процессе его обработки, что позволяет достичь необходимой чувствительности и разрешения при использовании данного способа исследований.

Сущность изобретения можно легко пояснить на примере использования предлагаемого способа для определения параметров излучения с целью его идентификации с помощью устройства, представленного на чертеже.

Устройство согласно чертежу содержит оптически сопряженный с источником 1 света интерферометр 2, в зоне интерференции которого установлена фоточувствительная линейка 3, соединенная с блоком 4 управления и подключенная к цифроаналоговому преобразователю (ЦАП) 5, который посредством запоминающего устройства (ЗУ) 6 связан с линейным сумматором 7, к которому подключен блок 8 измерения. Помимо этого, ЦАП 5, ЗУ 6, линейный сумматор 7 и блок 8 измерения подключены к блоку 4 управления. В качестве фоточувствительной линейки обычно используют вариант многоэлементного прибора с зарядовой связью, снабженного схемой считывания, обеспечивающей сканирование и передачу информации в виде последовательности зарядовых пакетов.

Определение параметров исследуемых колебаний осуществляют следующим образом.

Излучение источника 1 света образует в зоне интерференции интерферометра 2 интерференционную картину с чередующимися полосами, проецируемую на фоточувствительную линейку 3, где происходит накопление фотогенерируемых носителей тока в виде последовательности зарядовых пакетов, соответствующей максимумам и минимумам модулированного за счет интерференции сигнала. После восприятия оптической информации на управляющие электроды фоточувствительной линейки 3 с блока 4 управления подается последовательность тактовых импульсов, обеспечивающая перемещение зарядовых пакетов информации к выходу линейки 3 и далее на ЦАП 5. Преобразованный выходной сигнал в дискретной форме записывают в ЗУ 6. Синхронизацию и управление работой фоточувствительной линейки 3, ЦАП 5 и ЗУ 6 обеспечивают с помощью блока 4 управления.

Через заданные промежутки времени сигнал с выхода ЗУ 6 подают на линейный сумматор 7, где производят суммирование (сложение) соответствующих значений реализаций сигнала, получаемых на заданном временном интервале. Ввиду квадратичной зависимости выходного сигнала от напряженности электромагнитного поля исследуемого излучения, при детектировании биений получают переменную составляющую, близкую к гармонической. После выполнения заданного количества сложений с помощью блока 8 измерения определяют максимальную амплитуду переменной составляющей и период колебаний результирующего сигнала. Далее, используя формулу (1), находят интенсивность исследуемого излучения. Определяя частоту результирующего сигнала как величину, обратную периоду колебаний, в соответствии с формулой (2) вычисляют длину волны исследуемых колебаний. По значениям вычисленных параметров осуществляют идентификацию принимаемого сигнала. Выполнив вышеуказанные измерения параметров, по достижении заданного числа суммирований реализаций сигнала, а также перед началом измерений по команде блока 4 управления обнуляют регистры линейного сумматора 7 для производства последующих измерений.

Как следует, в частности, из опыта, зависимость интервала следования интерференционных полос от длины волны исследуемого оптического сигнала линейна, то есть одну из величин можно получить посредством умножения другой на постоянный коэффициент. Что позволяет говорить о мультипликативном характере изменения спектра. Очевидно, при этом можно принять значение коэффициента мультипликативного переноса (коэффициента сжатия) частотного спектра согласно [2] равным отношению частот электрического (выходного) и оптического сигналов.

Снятие фазовой модуляции (обусловленной нестабильностью атмосферы и поэтому хаотичной), имеющее место при сжатии спектра, позволяет получать синфазные реализации упомянутого выше электрического сигнала и путем их сложения накапливать информацию в течение времени, гораздо более длительного по сравнению с "временем замороженности" атмосферы. Это позволяет существенно улучшить отношение сигнал/шум. Согласно [5], и это подтверждено моделированием, при достаточно большом количестве суммирований реализаций названное отношение может быть улучшено в десятки раз. Что обеспечивает, во-первых, высокую чувствительность системы исследований и, во-вторых, позволяет с необходимой точностью определять посредством измерения параметров электрического сигнала период чередования интерференционных полос и, следовательно, длину волны исследуемых колебаний.

Помимо этого, благодаря сжатию частотного спектра оптического сигнала, многократно расширяется частотный диапазон исследуемых колебаний. Вследствие чего многократно увеличивается диапазон измеряемых скоростей подвижных объектов при доплеровской локации.

Источники информации

1. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М.Прохоров. - 4-е изд. - М.: 1988, с.225.

2. Измерения в электронике: Справ. / В.А.Кузнецов. В.А.Долгов, В.М.Коневских и др., Под ред. В.А.Кузнецова. М.: Энергоатомиздат, 1987. С.449.

3. Лазерная локация / И.Н.Матвеев, В.В.Протопопов, И.Н.Троицкий и др. / Под ред. Н.Д.Устинова. - М.: Машиностроение, 1984. с.229 - 239 (прототип).

4. Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Лазерное гетеродинирование. - М.: Наука, 1985, с.224.

5. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. радио, 1975, с.48.

1. Способ исследования колебаний, основанный на преобразовании колебаний и измерении значений полученного в результате преобразования сигнала, например, амплитуды и частоты сигнала, отличающийся тем, что путем интерференционной модуляции колебаний и детектирования биений осуществляют транспонирование частотного спектра колебаний, а также его сжатие, производят суммирование реализаций сигнала, которые получают при выполнении указанного преобразования спектра, путем измерения значений результирующего сигнала определяют интенсивность, длину волны исследуемых колебаний и осуществляют их идентификацию.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения сигнала, преобразованного путем транспонирования частотного спектра, осуществляют детектирование биений, обусловленных разностью фазовых углов интерферирующих в процессе указанного преобразования колебаний.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения сигнала, преобразованного путем транспонирования частотного спектра, в процессе исследования оптических колебаний осуществляют детектирование биений, обусловленных изменением хода интерферирующих лучей.

4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что интенсивность колебаний определяют в соответствии с выражением

где k_u - коэффициент преобразования; U - амплитуда переменной составляющей результирующего сигнала; N - количество суммируемых реализаций сигнала.

5. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что длину волны колебаний определяют в соответствии с выражением

где с - скорость распространения колебаний; k_d - коэффициент, обратный коэффициенту сжатия частотного спектра; F - частота переменной составляющей результирующего сигнала.