УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения частоты гармонических электрических колебаний радиотехнического диапазона.

Целью изобретения является повышение точности измерения частоты.

На чертеже приведена функциональная схема измерителя частоты, обеспечивающая измерение частоты нескольких сигналов с неизвестной амплитудой, приходящих на вход измерителя одновременно.

Измеритель состоит из оптически связанных акустооптического модулятора (АОМ) 1, работающего в режиме дифракции Брэгга, и источника 2 оптической плоской когерентной волны. На пути распространения волны 1-го дифракционного порядка, на одной оптической оси последовательно расположены линейный амплитудный транспорант 3 с пропусканием равным C_l˙X на участке X ∈ [0; R] и равным нулю за его пределами, фокусирующая линза 4 и линейка фотодетекторов 5. Их оптическая ось повернута на угол Брэгга относительно перпендикуляра к поверхности модулятора. Выходы линейки фотодетекторов 5 соединены с соответствующими входами коммутатор 6, к управляющему входу которого подключен выход синхронизатора 7. Выход коммутатора последовательно соединен с преобразующим усилителем 8, нормирующим усилителем 9 и индикатором 10. На второй вход индикатора подключен выход синхронизатора 7. После АОМ 1 включен оптический делитель, состоящий из полупрозрачного зеркала 11 и непрозрачного зеркала 12, дополнительные линейки фотодетекторов 13, управляемый коммутатор 14 и преобразующий усилитель 15. Оптический делитель установлен по ходу распространения оптического пучка 1-го дифракционного порядка, причем зеркала 11 и 12 установлены не параллельно. Вторая линейка фотодетекторов 13 сопряжена с вторым пучком после делителя и фокусирующей линзы 4. Выходы линейки соединены с соответствующими входами второго коммутатора 14, управляющий вход которого соединен с выходом синхронизатора 7, а выход подключен через преобразующий усилитель 15 на второй вход усилителя 9.

Устройство работает следующим образом.

В акустооптическом модуляторе 1 анализируемые электрические колебания преобразуются в бегущую акустическую волну. Источник 2 освещает модулятор плоской когерентной оптической волной под углом Брэгга, в результате на выходе модулятора образуются две волны 0-го и 1-го дифракционных порядков. Амплитудным транспорантом 3 волна 1-го дифракционного порядка модулируется вдоль координаты Х по амплитуде, за счет установки фокусирующей линзы 4 и линейки фотодетекторов под углом Брэгга волна модулируется по фазе. Линза 4 фокусирует модулированную оптическую волну в плоскость регистрации. Линейка фотодетекторов 5 преобразует оптический сигнал в электрический, амплитуда которого зависит от частоты анализируемого сигнала. Через коммутатор 7 сигналы фотодетекторов поочередно поступают на вход преобразующего усилителя 8. Определение частоты анализируемого сигнала осуществляется предварительным усилением электрического сигнала с компенсацией квадратичной характеристики фотодетекторов 5 в преобразующем усилителе 8 и взвешиванием в нормирующем усилителе 9, на второй вход которого подается напряжение, пропорциональное амплитуде анализируемого сигнала U₁ от опорного источника или самостоятельного измерителя амплитуды. С нормирующего усилителя 9 сигнал, пропорциональный отклонению частоты от центральной частоты ω_о, поступает на вход индикатора 10.

Если роль индикатора выполняет осциллограф, то синхронизатор 7 обеспечивает одновременный запуск циклического коммутатора и генератора развертки осциллографа. В результате на экране осциллографа отображается сигнал, отклонение по горизонтали которого соответствует грубому значению частоты анализируемого сигнала, так как оно определяется номером фотодетектора, с которого принят данный сигнал. Отклонение луча по вертикали соответствует уточненному значению частоты за счет реализации измерителем алгоритма. Осциллограф позволяет осуществлять быстрый достоверный поиск сигналов, реализуемый в течение минимальной длительности анализируемого сигнала.

При использовании в качестве индикатора двухканального самописца в одном канале отображаются сигналы синхронизатора. Этот канал используется для определения номера ячейки фотодетектора, с которой получен данный сигнал, и грубого определения частоты. В другом канале самописца последовательно регистрируются сигналы, пропорциональные уточненному значению частоты. Использование самописца позволяет осуществлять медленный достоверный поиск с контролем сигналов в каждом канале в течение периода следования анализируемых сигналов.

Измерение частоты нескольких сигналов неизвестной амплитуды, поступающих на вход одновременно, производится следующим образом. Зеркала 11 и 12 разделяют оптический пучок 1-го дифракционного порядка на два, причем второй пучок непосредственно фокусируется линзой 4 на вторую линейку фотодетекторов 13. Через второй коммутатор 14, работающий согласовано с первым коммутатором 6, за счет управления синхронизатором 7 сигналы фотодетекторов 13 поочередно поступают на второй преобразующий усилитель 15, откуда сигналы, пропорциональные амплитудам поступающих на фотодетекторы 13 сигналов, подаются на нормирующий усилитель 9 одновременно с сигналами соответствующих фотодетекторов 5. Это позволяет одновременно оценивать частоту нескольких сигналов, попадающих на различные фотодетекторы.

Физическая суть пространственной додетекторной обработки сводится к установке оптической оси фокусирующей линзы 4 и линейки фотодетекторов 5, 13 под углом Брэгга, соответствующим центральной частоте диапазона измерений, для выделения пространственного набега фазы, возникающего при изменении частоты сигнала за счет соответствующего наклона оптической волны; а также к взвешиванию информационной значимости набега фазы по фpонту волны при помощи линейного пространственного амплитудного транспоранта. После детектирования определяется частота анализируемого сигнала нормированным усилением электрического сигнала фотодетектора и переводом результата измерения этого сигнала в значение частоты в соответствии с оптимальным алгоритмом
Δω = j C₂ XU(X, ω)exp(-jK_свX sinθ_БО)dx
где Δω=ω-ω_o;
ω - частота анализируемого сигнала;
ω_о - центральная частота диапазона измерений;
Х - координата плоскости обработки оптической волны;
К_св = 2 π / λ_св;
λ_св - длина волны света;
С₁ и С₂ - постоянные коэффициенты, не зависящие от оптического сигнала U(Х, ω );
θ_БО - угол Брэгга;
U₁ - амплитуда входного сигнала;
N_o - спектральная плотность шума;
R - сторона прямоугольника усреднения вдоль координаты Х;
j - комплексная единица.

Устройство состоит из акустооптического модулятора, источника когерентной плоской оптической волны, фокусирующей линзы, линеек фотодетекторов, сопряженных с дифракционным пучком 1-го порядка, индикатора, линейного амплитудного транспоранта, синхронизатора, коммутаторов, преобразующих усилителей, нормирующего усилителя и оптического делителя, состоящего из полупрозрачного и непрозрачного зеркал. Амплитудный транспорант, фокусирующая линза и линейка фотодетекторов последовательно установлены за акустооптическим модулятором на оптической оси, которая повернута на угол Брэгга, соответствующий центральной частоте диапазона измерений, относительно перпендикуляра к волновому вектору звуковой волны. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ, содержащее последовательно оптически соединенные источник плоской когерентной оптической волны, акустооптический модулятор, фокусирующую линзу и первую линейку фотодетекторов, сопряженную с дифракционным пучком 1-го дифракционного порядка, а также индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения частоты, в него введены оптический делитель, линейный амплитудный транспарант с пропусканием, равным C₁ · X на участке X ∈ [0;R] и равным нулю за его пределами, где R - линейный размер рабочей части транспаранта, вторая линейка фотодетекторов, синхронизатор, два коммутатора, два преобразующих усилителя и нормирующий усилитель, при этом амплитудный транспарант, фокусирующая линза и первая линейка фотодетекторов последовательно установлены за акустооптическим модулятором на оптической оси, которая повернута на угол Брэгга, соответствующий центральной частоте диапазона измерений, относительно перпендикуляра к волновому вектору звуковой волны, выходы первой линейки фотодетекторов соединены с соответствующими входами первого коммутатора, выход которого через первый преобразующий усилитель и первый нормирующий усилитель соединен с первым входом индикатора, выход синхронизатора соединен с управляющими входами обоих коммутаторов и вторым входом индикатора, оптический делитель установлен между акустооптическим модулятором и амплитудным транспарантом, выходы второй линейки фотодетекторов соединены с соответствующими входами второго коммутатора через второй преобразующий усилитель, подключенный к второму входу нормирующего усилителя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический делитель выполнен в виде непрозрачного и полупрозрачного зеркал, расположенных не параллельно, и установлен по ходу распространения пучка первого дифракционного порядка, первая линейка фотодетекторов сопряжена с первым пучком после оптического делителя, амплитудного транспаранта и фокусирующей линзы, а вторая линейка фотодетектора сопряжена с вторым пучком после оптического делителя и фокусирующей линзы.