АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК Российский патент 1999 года по МПК H04B10/06 

Приемник относится к радиотехнике и может использоваться для приема сложных сигналов и анализа их амплитудного спектра.

Известны акустооптические приемники (авт. свид. N 1718695, 1758883, 1785410, 1799226, 1799227; патенты РФ N 1832882, 2001533, 2007046 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Акустооптический приемник" (авт. свид. N 1758883, H 04 B 10/06, 1990 г.), который и выбран в качестве прототипа.

В любом супергетеродинном приемнике существуют дополнительные каналы приема. Это обусловлено тем, что одно и то же значение промежуточной частоты f_пр может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах f_с и f_з, т.е. f_пр = f_с - f_г и f_пр = f_г - f_з.

Следовательно, если частоту настройки f_с принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота f_з которого отличается от частоты f_с на 2f_пр и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты f_г гетеродина. Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования k_пр, что и по основному каналу приема. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехозащищенность приемника.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема, частоту которых можно определить из следующего равенства:

где i, m, n - целые числа.

Так при m = 2 и n = 1 двум комбинационным каналам соответствуют частоты:
f_k1 = 2f_г + f_пр и f_k2 = 2f_г + f_пр,
где 2f_г - вторая гармоника частоты гетеродина.

Акустооптический приемник, выбранный в качестве прототипа, обеспечивает подавление дополнительных каналов приема.

Однако, если требуется просматривать "определенный диапазон" частот, то в ряде случаев подавлять дополнительные каналы приема нецелесообразно.

Одной из проблем, возникающих при разработке поисковых приемников, является создание перестраиваемых в широком частотном диапазоне гетеродинов. Трудности решения этой проблемы вынуждают на практике вместо одного широкополосного панорамного приемника использовать несколько отдельных узкополосных панорамных приемников, перекрывающих требуемую полосу частот. Расширение диапазона частотного поиска сложных сигналов без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина возможно путем использования дополнительных каналов приема.

Целью изобретения является расширение диапазона частотного поиска сложных сигналов без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина путем использования дополнительных каналов приема.

Поставленная цель достигается тем, что в акустооптический приемник, содержащий лазер, на пути распространения пучка света которого последовательно установлены коллиматор и первая ячейка Брегга, на пути распространения дифрагированной части пучка света которой установлена первая линза, в фокальной плоскости которой размещена первая матрица фотодетекторов, а также последовательно включенные приемную антенну, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, первый усилитель промежуточной частоты, первый сумматор, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны, первый узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор и первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю первой ячейки Брэгга, последовательно подключенные к выходу приемной антенны, второй смеситель, второй вход которого через первый фазовращатель на +90^o соединен с вторым выходом гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты и второй фазовращатель на +90^o, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, введены блок поиска, фазовращатель на -90^o, второй сумматор, второй перемножитель, второй, третий и четвертый узкополосные фильтры, второй, третий и четвертый амплитудные детекторы, второй, третий и четвертый ключи, вторая, третья и четвертая ячейки Брэгга, вторая, третья и четвертая линзы, вторая, третья и четвертая матрицы фотодетекторов, причем на пути распространения пучка света лазера последовательно установлены вторая, третья и четвертая ячейки Брэгга, на пути распространения дифрагированных частей пучка света которых установлены соответственно вторая, третья и четвертая линзы, в фокальных плоскостях которых размещены вторая, третья и четвертая матрицы фотодетекторов, вход гетеродина соединен с выходом блока поиска, к выходу первого перемножителя последовательно подключены второй узкополосный фильтр, второй амплитудный детектор и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю второй ячейки Брэгга, к выходу второго усилителя промежуточной частоты последовательно подключены фазовращатель на -90^o, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны, третий узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор и третий ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю третьей ячейки Брэгга, к выходу второго перемножителя последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр, четвертый амплитудный детектор и четвертый ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю четвертой ячейки Брэгга.

Структурная схема предлагаемого приемника представлена на фиг. 1. Частотная и временные диаграммы, поясняющие принцип образования дополнительных каналов приема, изображены на фиг. 2.

Акустооптический приемник содержит приемную антенну 1, преобразователь частоты 2, первый смеситель 3, гетеродин 4, второй смеситель 5, первый фазовращатель на +90^o 6, первый и второй усилители 7 и 8 промежуточной частоты, второй фазовращатель на +90^o 9, первый сумматор 10, первый перемножитель 11, первый узкополосный фильтр 12, первый амплитудный детектор 13, первый ключ 14, лазер 15, коллиматор 16, первую ячейку Брэгга 17, первую линзу 18, первую матрицу фотодетекторов 19, блок поиска 20, фазовращатель на -90^o 21, второй сумматор 22, второй перемножитель 23, второй, третий и четвертый узкополосные фильтры 24,25 и 26, второй, третий и четвертый амплитудные детекторы 27, 28 и 29, второй, третий и четвертый ключи 30, 31 и 32, вторую, третью и четвертую ячейки Брегга 33, 34 и 35, вторую, третью и четвертую линзы 36, 37 и 38, вторую, третью и четвертую матрицы 39, 40 и 41 фотодетекторов. Причем к выходу приемной антенны 1 последовательно подключены первый смеситель 3, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 4, первый усилитель 7 промежуточной частоты, первый сумматор 10, первый перемножитель 11, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны 1, узкополосный фильтр 12 (24), амплитудный детектор 13 (27) и ключ 14 (30), второй вход которого соединен с выходом сумматора 10, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю ячейки Брэгга 17 (33). К выходу приемной антенны 1 последовательно подключены второй смеситель 5, второй вход которого через первый фазовращатель 6 на +90^o, соединен с вторым выходом гетеродина 4, второй усилитель 8 промежуточной частоты и второй фазовращатель 9 на +90^o, выход которого соединен с вторым входом сумматора 10. К выходу второго усилителя 8 промежуточной частоты последовательно подключены фазовращатель на -90^o, второй сумматор 22, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 7 промежуточной частоты, второй перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны 1, узкополосный фильтр 25 (26), амплитудный детектор 28 (29) и ключ 31 (32), второй вход которого соединен с выходом сумматора 22, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю ячейки Брэгга 34 (35). На пути распространения пучка света лазера 15 последовательно установлены коллиматор 16, ячейки Брэгга 17, 33, 34 и 35, на пути распространения дифрагированных частей пучка света которых установлены линзы 18, 36, 37 и 38 соответственно, в фокальных плоскостях которых размещены матрицы 19, 39, 40 и 41 фотодетекторов. Последовательно включенные гетеродин 4 и смеситель 3 образуют преобразователь 2 частоты.

Акустический приемник работает следующим образом.

Просмотр заданного диапазона частот Df осуществляется с помощью блока 20 источника, который периодически с периодом T_п по пилообразному закону изменяет частоту гетеродина 4. Ключи 14, 30-32 в исходном состоянии всегда закрыты.

Частота настройки f_н1 узкополосных фильтров 12 и 25 выбирается равной начальной частоте f_г гетеродина 4: f_н1 = f_г.

Частота настройки f_н2 узкополосных фильтров 24 и 26 выбирается равной второй гармонике частоты гетеродина 4: f_н2 = 2f_г.

Принимаемый сложный сигнал, например, фазовой манипуляцией (ФМн)
U_c(t) = U_c•cos[2πf_ct+ϕ_к(t)+ϕ_c], 0 ≤ t ≤ T_c,
где U_c, f_c, ϕ_c, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;
ϕ_к(t) = {0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем ϕ_к(t) = const при kτ_и< t < (k+1)τ_и и может изменяться скачком при t = kτ_и, т.е. на границах между элементарными посылками (k = 1,...,N-1);
τ_и, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c= N•τ_и),
с выхода приемной антенны 1 одновременно поступает на первые входы смесителей 3, 5 и перемножителей 11 и 23. На вторые входы смесителей 3 и 5 с выходов гетеродина 4 и фазовращателя 6 на +90^o подаются соответственно напряжения линейно-изменяющейся частоты:
U_г1(t) = U_гcos(2πf_гt+πγ₁t²+ϕ_г),
U_г2(t) = U_гcos(2πf_гt+πγ₁t²+ϕ_г+90^°), 0 ≤ t ≤ T_п,
где U_г, f_г, ϕ_г, T_п - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и период повторения напряжения гетеродина;
скорость изменения частоты гетеродина (скорость перестройки). На выходе смесителей 3 и 5 образуются напряжения комбинационных частот:
f_c1= f_c-f_г-γ₁t = f_пр-γ₁t,
f_c2= 2f_г+γ₂t-f_c,
где первый индекс обозначает канал, по которому принимается сигнал; второй индекс обозначает номер гармоники частоты гетеродина, участвующей в преобразовании несущей частоты принимаемого сигнала; γ₂= 2γ₁.
Частота настройки f_н и полоса пропускание Δf_n усилителей 7 и 8 промежуточной частоты выбирается следующим образом:
f_н= f_пр, Δf_п= 2f_пр.
Поэтому в полосу пропускания Δf_п усилителей 7 и 8 промежуточной частоты попадают напряжения только с частотой f_с1 (фиг.2,а):
U_пр1(t) = U_пр1cos[2πf_прt+ϕ_к(t)-πγ₁t²+ϕ_пр1],
U_пр2(t) = U_пр1cos[2πf_прt+ϕ_к(t)-πγ₁t²+ϕ_пр-90^°],
где U_пр1 = 1/2K₁•U_с•U_г;
0≤t≤Т_с
K₁ - коэффициент передачи смесителей;
f_пр = f_с - f_г - промежуточная частота;
ϕ_пр1= ϕ_c-ϕ_г.
Эти напряжения представляют собой сложные сигналы с комбинированной фазовой модуляцией и линейной частотной модуляцией ФМн-ЛЧМ). Напряжение U_пр2(t) с выхода усилителя 8 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 9 и 21 на +90^o и -90^o, на выходе которых образуются напряжения:


Напряжения U_пр1(t) и U_пр4(t), поступающие на два входа сумматора 22, на его выходе компенсируются. Напряжения U_пр1(t) и U_пр3(t) поступают на два входа сумматора 10, на выходе которого образуется результирующее напряжение
U_Σ1(t) = U_Σ1•cos[2πf_прt+ϕ_к(t)-πγ₁t²+ϕ_пр1],
где U_Σ1= 2U_пр1, 0 ≤ t ≤ T_с.

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 11, на выходе которого образуется напряжение
U₁(t) = U₁•cos(2πf_гt+πγ₁t²+ϕ_г), 0 ≤ t ≤ T_c,
где
K₂ - коэффициент передачи перемножителя.

Данное напряжение выделяется узкополосным фильтром 12, детектируется амплитудным детектором 13 и поступает на управляющий вход ключа 14, открывая его. При этом напряжение U_Σ1(t) c выхода сумматора 10 через открытый ключ 14 поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брегга 17, где происходит его преобразование в акустическое колебание.

Каждая ячейка Брегга состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития соответственно X и Y - 35^o среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брегга и работу ячейки в широком диапазоне частот.

Пучок света от лазера 15, сколлимированный коллиматором 16, проходит через ячейку Брегга и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных суммарным напряжением U_Σ1(t). При этом следует отметить, что дифрагирует только примерно десятая часть пучка света источника излучения. На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливается линза 18, в фокальной плоскости которой размещается матрица 19 фотодетекторов. Следовательно, в фокальной плоскости линзы 18 формируется пространственный спектр принимаемого сложного сигнала. Причем каждому разрешающему элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор.

Описанная работа приемника соответствует случаю приема сложных сигналов по основному каналу на частоте f_с (фиг.2.а).

Если сложный ФМн сигнал принимается по зеркальному каналу на частоте f_з (фиг.2.б)
U_з(t) = U_з•cos[2πf_зt+ϕ_к(t)+ϕ_з], 0 ≤ t ≤ T_з,
то усилителями 7 и 8 промежуточной частоты выделяются напряжения:
U_пр5(t) = U_пр2•cos[2πf_прt-ϕ_кt+πγ₁t²+ϕ_пр2],
U_пр6(t) = U_пр2•cos[2πf_прt-ϕ_к(t)+πγ₁t²+ϕ_пр2+90^°],
где U_пр2 = 1/2K₁•U_з•U_г, 0 ≤ t ≤ T_з,
f_пр = f_г - f_з - промежуточная частота;
ϕ_пр2= ϕ_г-ϕ_з.
Напряжение U_пр6(t) с выхода усилителя 8 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 9 и 21 на +90^o и -90^o, на выходе которых образуются напряжения:


Напряжения U_пр5(t) и U_пр7(t), поступающие на два входа сумматора 10, на его выходе компенсируются. Напряжения U_пр5(t) и U_пр8(t) поступают на два входа сумматора 22, на выходе которого образуется напряжение
U_Σ2(t) = U_Σ2•cos[2πf_пpt-ϕ_к(t)+πγ₁t²+ϕ_пр2],
которое поступает на второй вход перемножителя 23, на выходе которого образуется напряжение
где U₂(t) = U₂•cos[2πf_гt+πγ₁t²+ϕ_г], 0 ≤ t ≤ T_з,

Указанное напряжение выделяется узкополосным фильтром 25, детектируется амплитудным детектором 28 и поступает на управляющий вход ключа 31, открывая его. При этом напряжение U_Σ2(t) c выхода сумматора 22 через открытый ключ 31 поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брегга 34, где происходит его преобразование в акустическое колебание. В этом случае спектр принимаемого сложного сигнала анализируется матрицей 40 фотодетекторов.

Если сложный ФМн сигнал принимается по первому комбинационному каналу на частоте f_k1 (фиг.2.в)
U_к1(t) = U_к1•cos[2πf_к1+ϕ_к(t)+ϕ_к1], 0 ≤ t ≤ T_к1,
то усилителями 7 и 8 промежуточной частоты выделяются напряжения:
U_пр9(t) = U_пр3•cos[2πf_прt-ϕ_к(t)+πγ₂t²+ϕ_пр3],
U_пр10(t) = U_пр3•cos[2πf_прt-ϕ_к(t)+πγ₂t²+ϕ_пр3+90^°],
где U_пр3 = 1/2K₁•U_k1•U_г; 0 ≤ t ≤ T_k1;
f_пр = 2f_г - f_k1 - промежуточная частота,
ϕ_пр3= ϕ_г-ϕ_к1.
Напряжение U_пр10(t) с выхода усилителя 8 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 9 и 21 на +90^o и -90^o, на выходе которых образуются напряжения:


Напряжения U_пр9(t) и U_пр11(t), поступающие на два входа сумматора 10, на его выходе компенсируются. Напряжения U_пр9(t) и U_пр12(t) поступают на два входа сумматора 22, на выходе которого образуется напряжение

где U_Σ3= 2U_пр3.
Это напряжение подается на второй вход перемножителя 23, на выходе которого образуется напряжение
U₃(t) = U₃•cos[4πf_гt+πγ₂t²+ϕ_г], 0 ≤ t ≤ T_к1,
где
Данное напряжение выделяется узкополосным фильтром 26, детектируется амплитудным детектором 29 и поступает на управляющий вход ключа 32, открывая его. При этом напряжение U_Σ3(t) с выхода сумматора 22 через открытый вход 32 поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брегга 35, где происходит его преобразование в акустическое колебание. В этом случае спектр принимаемого сложного сигнала анализируется матрицей 41 фотодетекторов.

Если сложный ФМн сигнал принимается по второму комбинационному каналу на частоте f_k2 (фиг.2.г)
U_к2(t) = U_к2•cos[2πf_к2t+ϕ_к(t)+ϕ_к2], 0 ≤ t ≤ T_к2
то усилителями 7 и 8 промежуточной частоты выделяются напряжения:
U_пр13(t) = U_пр4•cos[2πf_прt+ϕ_к(t)-πγ₂t²+ϕ_пр4],

где U_пр4 = 1/2K₁•U_к2•U_г;
f_пр = f_к2 - 2f_г - промежуточная частота;
ϕ_пр4= ϕ_к2-ϕ_г.
Напряжение U_пр14(t) с выхода усилителя 8 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателя 9 и 21 на +90^o и -90^o, на выходе которых образуются напряжения:


Напряжения U_пр13(t) и U_пр16(t), поступающие на два входа сумматора 22, на его выходе компенсируются. Напряжения U_пр13(t) и U_пр15(t) поступают на два входа сумматора 10, на выходе которого образуется суммарное напряжение
U_Σ4(t) = U_Σ4•cos[2πf_прt+ϕ_к(t)-πγ₂t²+ϕ_пр4],
где U_Σ4= 2U_пр4.
Это напряжение подается на второй вход перемножителя 11, на выходе которого образуется напряжение
U₄(t) = U₄•cos(4πf_г+πγ₂t²+ϕ_г), 0 ≤ t ≤ T_к2,
где
Данное напряжение выделяется узкополосным фильтром 24, детектируется амплитудным детектором 27 и поступает на управляющий вход ключа 30, открывая его. При этом суммарное напряжение U_Σ4(t) c выхода сумматора 10 через открытый ключ 30 поступают на пьзоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 33, где происходит его преобразование в акустическое колебание. В этом случае спектр принимаемого сложного сигнала анализируется матрицей 39 фотодетекторов.

Если сложные ФМн-сигналы принимаются одновременно по основному каналу на частоте f_с по зеркальному каналу на частоте f_з, по первому комбинационному каналу на частоте f_к1 и по второму комбинационному каналу на частоте f_к2, то в работе участвуют все блоки акустооптического приемника.

Таким образом, предлагаемый акустооптический приемник по сравнению с прототипом обеспечивает расширение диапазона частотного поиска сложных сигналов без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина. Это достигается использованием дополнительных (зеркального и комбинационных) каналов приема.

Предлагаемый приемник относится к радиотехнике и может использоваться для приема сложных сигналов и анализа их амплитудного спектра. Технический результат - расширение диапазона частотного поиска сложных сигналов без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина путем использования дополнительных каналов приема. Акустооптический приемник содержит приемную антенну, преобразователь частоты, первый смеситель, гетеродин, второй смеситель, первый фазовращатель на +90^oC, первый и второй усилители промежуточной частоты, второй фазовращатель на +90^oC, первый сумматор, первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, первый ключ, лазер, коллиматор, первую ячейку Брэгга, первую линзу, первую матрицу фотодетекторов, блок поиска, фазовращатель на -90^o, второй сумматор, второй перемножитель, второй, третий и четвертый узкополосные фильтры и второй, третий и четвертый амплитудные детекторы и второй, третий и четвертый ключи и вторую, третью и четвертую ячейки Брэгга и вторую, третью и четвертую линзы и вторую, третью и четвертую матрицы фотодетекторов. 2 ил.

Акустооптический приемник, содержащий лазер, на пути распространения пучка света которого последовательно установлены коллиматор и первая ячейка Брэгга, на пути распространения дифрагированной части пучка света которой установлена первая линза, в фокальной плоскости которой размещена первая матрица фотодетекторов, а также последовательно включенные приемную антенну, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, первый усилитель промежуточной частоты (УЧП), первый сумматор, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны, первый узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор и первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю первой ячейки Брэгга, последовательно подключенные к выходу приемной антенны второй смеситель, второй вход которого через первый фазовращатель на +90^o соединен с вторым выходом гетеродина, второй УПЧ и второй фазовращатель на 90^o, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, отличающийся тем, что в него введены блок поиска, фазовращатель на -90^o, второй сумматор, второй перемножитель, второй, третий и четвертый узкополосные фильтры, второй, третий и четвертый амплитудные детекторы, второй, третий и четвертый ключи, вторая, третья и четвертая ячейки Брэгга, вторая, третья и четвертая линзы, вторая, третья и четвертая матрицы фотодетекторов, причем на пути распространения пучка света лазера последовательно установлены вторая, третья и четвертая ячейки Брэгга, на пути распространения дифрагированных частей пучка света которых установлены соответственно вторая, третья и четвертая линзы, в фокальных плоскостях которых размещены вторая, третья и четвертая матрицы фотодетекторов, вход гетеродина соединен с выходом блока поиска, к выходу первого перемножителя последовательно подключены второй узкополосный фильтр, второй амплитудный детектор и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю второй ячейки Брэгга, к выходу второго усилителя промежуточной частоты последовательно подключены фазовращатель на -90^o, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом приемной антенны, третий узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор и третий ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю третьей ячейки Брэгга, к выходу второго перемножителя последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр, четвертый амплитудный детектор и четвертый ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю четвертой ячейки Брэгга.