ВЫСОКОТОЧНЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК-ЧАСТОТОМЕР Российский патент 2000 года по МПК H04B10/06 G01R23/17 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя частотных параметров радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и радиотехнической разведке.

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.В.Тигин/ Под ред. Кулакова С.В. - М.: Радио и связь. -1989. С. 48), в состав которого входят последовательно включенные по свету 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 данным аналогом технического результата, является его недостаточная точность измерения частоты радиосигналов, определяемая как Δf_Σ/2•N, где Δf_Σ - полоса рабочих частот анализатора, N- число элементов в линейке фотоприемников.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, Фурье-линза, осуществляющая Фурье-преобразование светового сигнала, находящегося в плоскости акустооптического дефлектора, и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.

Известен также акустооптический частотомер (а.с. СССР N 1265636, МКИ 4 G 01 R 23/16. Акустооптический частотомер. Вернигоров Н.С., Задорин А.С., Шарангович С.Н.: опубликовано 23 октября 1986 г. в бюллетене N 39 на с. 162). Устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, линзу и позиционно-чувствительный фотоприемник, причем между коллиматором и дефлектором на половине световой апертуры расположено устройство сдвига частоты излучения лазера, а к выходам позиционно-чувствительного фотоприемника подключены фазометры, первые входы которых нагружены на соответствующие выходы фотоприемников, а вторые входы подключены к фотоприемнику, расположенному на оптической оси частотомера.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является его сложность. В рассматриваемом аналоге, частотная дискрета которого равна Δf_Σ/2•N, осуществляется междискретное уточнение частоты измеряемого сигнала путем уточнения частоты, уточнения местоположения дифрагированного пятна света с помощью ряда фазометров, число которых равно числу элементов в позиционно-чувствительном фотоприемнике.

Признаками, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно включенные по свету лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, линза, выполняющая роль интегрирующей линзы, и линейка фотодиодов, в качестве которой в аналоге используется позиционно-чувствительный фотоприемник.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: акустооптический частотомер (опубл. в статье Роздобудько В.В. "Акустооптический СВЧ-частотомер на основе аномальной дифракции в LiNbO₃". Радиоэлектроника. - 1992. - N9. С.75), предназначенный для работы в широком диапазоне рабочих частот; частотомер содержит последовательно включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, регистрирующее устройство, реализованное в виде линейки фотодиодов, выходы которых через набор видеоусилителей и пороговых устройств соединены с входом шифратора, осуществляющего преобразование позиционного кода, несущего информацию о координате центра дифрагированного пятна света, в код частоты.

Признаками, общими с заявляемым предлагаемым изобретением, являются последовательно включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, на вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза и линейка фотодиодов, выходы которой через набор видеоусилителей и набор пороговых устройств соединены с входом шифратора.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является невысокая точность измерения несущей (мгновенной) частоты радиосигналов, определяемая как Δf_Σ/2•N, где Δf_Σ - полоса рабочих частот частотомера, N - число элементов в линейке фотоприемников. Точность измерения частоты ограничивается числом фотодиодов - числом элементов линейки фотодиодов (или линейки фотоприемника, реализованного на любых других фотоэлементах) и, кроме того, точность измерения частоты зависит от используемого алгоритма обработки информации о координатах центра дифрагированного пятна света. При использовании алгоритма обработки информации, в соответствии с которым о частоте входного сигнала судят о крайних из группы засвеченных элементов линейки фотодиодов (или иных фотоприемников), точность измерения и определяется вышеприведенной формулой.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности измерения частотных параметров радиосигналов.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в увеличении точности измерения несущей (мгновенной) частоты радиосигналов в несколько раз для акустооптических приемников частотомеров с типовым набором входящих в них элементов. Например, для акустооптического приемника- частотомера диапазона 1,5-2,0 ГГц, использующего в своем составе 128-элементную линейку фотодиодов и соответственно обладающего точностью измерения частоты ≅ 2 МГц, следует ожидать увеличения точности до ≅ 0,2 МГц. Дополнительным эффектом, достигаемым при осуществлении данного изобретения, является некоторое упрощение приемника-частотомера (в сопоставлении с прототипом и аналогами). Упрощение приемника-частотомера проявится потому, что для обеспечения одинаковой точности измерения частоты заявляемый приемник-частотомер потребует для своей реализации существенно меньшее (примерно на порядок) число каналов по сравнению с прототипом или любым аналогом.

Технический результат в заявляемом устройстве достигается за счет введения в оптическую часть приемника-частотомера новых элементов, обеспечивающих формирование в плоскости фотоприемника прямоугольного распределения интенсивности дифрагированного света определенной протяженности и введения в электрическую часть приемника- частотомера амплитудного дискриминатора, включающего набор видеоусилителей, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и решающее устройство, с помощью которого решается задача междискретного уточнения частоты входного сигнала.

Для достижения технического результата в акустооптический приемник-частотомер, содержащий последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, первую интегрирующую линзу и регистрирующее устройство в виде линейки фотодиодов, выходы которых через набор видеоусилителей и набор пороговых устройств соединены с входом шифратора, между коллиматором и акустооптическим дефлектором размещены диафрагма и вторая интегрирующая линза, а также дополнительно включены набор видеоусилителей, аналого-цифровой преобразователь и решающее устройство, причем четные и нечетные номера выходов первого набора видеоусилителей через набор видеоусилителей включены на неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального усилителя, последовательно соединены с входом аналого-цифрового преобразователя и решающего устройства, которое управляется выходным сигналом шифратора, при этом выход шифратора является каналом грубого, а выход решающего устройства каналом точного измерения частоты.

Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Рассмотрим пару элементов линейки фотодиодов (фиг. 1 а), расположенных на расстоянии P друг от друга, каждый из которых имеет протяженность фоточувствительной площадки, равную l. Пусть на пару элементов линейки фотодиодов падает световое пятно с протяженностью P + l, причем интенсивность в падающем световом пятне не изменяется с координатой. Достаточно очевидно, что по значению амплитуд сигналов, снимаемых с каждого из фотодиодов, можно уточнить местоположение дифрагированного пятна света между элементами линейки фотодиодов и, таким образом, уточнить значение частоты входного сигнала, которое обычно определяется по номеру засвеченного фотодиода в линейке фотодиодов. Это и есть один из отличительных признаков заявляемого устройства, определяющий достигаемый технический результат. Второй отличительный признак заключается в том, что в заявляемом частотомере могут быть засвечены только два элемента линейки фотодиодов. Последнее обеспечивает возможность путем регистрации четных и нечетных сработавших элементов линейки фотодиодов (или, фактически, использовать результаты измерения частоты в канале грубого измерения частоты) устранить возможную неоднозначность в результатах междискретного измерения частоты, как это показано на фиг. 1.б, где приведены эпюры распределения интенсивности света на линейке фотодиодов.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1. приводятся эпюра амплитуды выходного сигнала, снимаемого с единичного фотодиода при перемещении прямоугольного дифрагированного пятна света (фиг. 1а), и распределение интенсивности света на линейки фотодиодов (фиг. 1б). Структурная схема заявляемого устройства представлена на фиг. 2. Процесс уточнения измерения частоты каналом точного измерения частоты показан на фиг. 3.

Заявляемое устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер 1 с длиной волны световых колебаний λ, коллиматор 2, диафрагму 3, которая формирует лазерное излучение с прямоугольным распределением интенсивности протяженностью d, интегрирующую линзу 4, расположенную на расстоянии F₁ от диафрагмы 3 и от последующего акустооптического дефлектора 5, интегрирующую линзу 6 с фокусным расстоянием F₂ и линейку фотодиодов 7 с периодом расположения фотодиодов (фотоприемных элементов) P и длиной каждого фотодиод-элемента l; выходы линейки фотоприемников 7 через набор видеоусилителей 8 и набор видеоусилителей 9, а также пороговых устройств 10 подключены к шифратору 11, являющемуся выходом канала грубого определения частоты радиосигнала, а канал точного измерения включает в себя набор видеоусилителей 8, подключенных к четным и нечетным выходам набора видеоусилителей 9, выходы которых соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами дифференциального усилителя 12, выход которого через аналого-цифровой преобразователь 13 соединен с входом решающего устройства 14, которое в свою очередь управляется выходным сигналом шифратора 11.

Принцип работы заявляемого устройства и обеспечиваемый им технический результат заключается в следующем.

На электрический вход АО дефлектора 5 подается входной радиосигнал частоты f. В среде АО дефлектора 5 радиосигнал распространяется со скоростью U в виде своего акустического аналога. На оптический вход акустооптического дефлектора 5 от лазера 1 через диафрагму 3 и вторую интегрирующую линзу 4 подается излучение, амплитуда которого изменяется по закону sin(πx)/(πx). Данный закон обеспечивается путем Фурье-преобразования (интегрирующей линзой 4) прямоугольного распределения интенсивности лазерного излучения, формируемого диафрагмой 3, имеющей ширину щели, равную d.

В акустооптическом дефлекторе 5 падающее лазерное излучение дифрагирует на акустическом аналоге входного радиосигнала и далее через интегрирующую линзу 6 фокусируется на линейку фотодиодов 7. По той причине, что на оптический вход дефлектора 5 падает излучение, амплитуда которого изменяется по закону sin(πx)/(πx), за счет второго Фурье-преобразования, выполняемого линзой 6, в плоскости линейки фотодиодов 7 вновь формируется прямоугольное распределение интенсивности лазерного излучения, протяженность которого составляет P + l, где P - период расположения элементов в линейки фотодиодов 7, l - длина единичного фотоэлемента в линейке 7. Последнее обеспечивается путем соответствующего выбора фокусных расстояний F₁, F₂ линз 4 и 6, а также размера щели d диафрагмы 3; соотношение между упомянутыми параметрами имеет вид

Обеспечение равенства протяженности прямоугольного распределения интенсивности дифрагированного света длине P + l является принципиальным, поскольку именно при таком соотношении размеров дифрагированного пятна и размеров (числа) засвеченных фотодиодов обеспечивается линейность дискриминационной характеристики дифференциального усилителя 12. С выходов фотодиодов линейки 7 продетектированный световой сигнал (с одного или двух фотодиодов) через набор видеоусилителей 8 и набор пороговых устройств 10 подается на шифратор 11, преобразующий позиционный код, несущий информацию о координатах центра дифрагированного пятна света, в код частоты. Отметим, что эта часть заявляемого устройства в данном структурном составе не отличается от прототипа. С выхода шифратора 11 снимается информация о значении частоты входного радиосигнала, измеряемая с точностью, равной до 0,5 частотной дискреты. Канал, с помощью которого уточняется междискретное значение частоты входного сигнала, работает следующим образом. Четные и нечетные выходы набора видеоусилителей 8 соответственно соединены с входами набора видеоусилителей 9, назначение которого состоит в осуществлении развязки каналов грубого и точного измерения частоты. Выходы набора видеоусилителей 9 соединены с инвертирующими и неинвертирующими входами дифференциального усилителя 12, который регистрирует разность амплитуд сигналов, снимаемых с пары фотодиодов линейки фотодиодов 7. При этом дискриминационная характеристика дифференциального усилителя 12 в пределах расположения фотоэлементов в линейки фотодиодов является линейной. Далее разностный сигнал измеряется ("оцифровывается") аналого-цифровым преобразователем 13 и подается на решающее устройство 14, управляемое сигналом, снимаемым с одного из выходов шифратора 11. Выход решающего устройства 14 является выходом канала точного измерения частоты радиосигнала. Работа канала точного измерения частоты иллюстрируется фиг. 3, на которой дополнительно изображено: а) форма дифрагированного пятна света (протяженностью P + l) в плоскости расположения линейки фотоприемников 7; б) линейка фотодиодов 7 с обозначенными четными и нечетными номерами элементов линейки фотодиодов 7; в) эпюры напряжений, снимаемых с четных и нечетных элементов линейки фотодиодов 7; г) дискриминационная характеристика дифференциального усилителя 12 в форме разностного сигнала четных и нечетных элементов линейки фотодиодов 7; на дискриминационной характеристике цифрами указаны координаты линейки фотодиодов, которые не регистрируются каналом грубого измерения частоты. Из рассмотрения фиг.3. следует, что дискриминационная характеристика дифференциального усилителя 12 является неоднозначной; в пределах двух периодов расположения элементов линейки фотодиодов 7 она имеет различный наклон. Однако всегда отрицательный наклон дискриминационной характеристики соответствует четным элементам линейки фотодиодов 7, а положительный наклон дискриминационной характеристики соответствует нечетным элементам линейки фотодиодов 7. Именно этот признак положен в основу исключения неоднозначности дискриминационной характеристики; т.е. уточнение местоположения дифрагированного пятна света вторым набором видеоусилителей 9, дифференциальным усилителем 12 и аналого-цифровым преобразователем 13 осуществляется до знака, а решающее устройство 14 позволяет уточнить и знак измеряемой частоты. Резюмируя, кратко принцип работы заявляемого высокоточного акустооптического приемника-частотомера можно изложить так: оптической частью частотомера в плоскости расположения линейки фотодиодов формируется прямоугольное распределение интенсивности дифрагированного пятна света (равное по протяженности P + l), координата которого определяется далее обычным способом, например, как в аналогах и прототипе. Уточнение местоположения пятна, например, между двумя соседними элементами линейки фотодиодов осуществляется по результатам измерения разницы между амплитудами продетектированных световых сигналов, снимаемых с каждого из них, при этом для устранения неоднозначности (или определения направления сдвига дифрагированного пятна к одному из элементов линейки фотодиодов) используются результаты измерения, полученные в канале грубого измерения частоты.

Оценивая выигрыш в точности измерения частоты, обеспечиваемый заявляемым устройством по сравнению с прототипом и аналогами, перечислим факторы, ограничивающие эту точность:
а) неидеальность прямоугольного распределения интенсивности в плоскости расположения линейки фотодиодов;
б) неравномерность чувствительности фотодиодов элементов линейки фотодиодов по их фоточувствительным площадкам (в пределах самого элемента);
в) разброс геометрических размеров фотодиодов в линейке фотодиодов;
г) поскольку для уточнения местоположения дифрагированного пятна между всеми фотодиодными элементами линейки фотодиодов используется всего один канал, то разброс - неидеальность характеристик каждого из фотодиодов будет сказываться на точностных характеристиках канала точного измерения;
д) конечная точность аналого-цифрового преобразователя при регистрации уровней сигналов, поступающих с дифференциального усилителя.

Учитывая вышеизложенное применительно к акустооптическому приемнику-частотомеру диапазона (1,5-2,0) ГГц с полосой рабочих частот 500 МГц, имеющему в своем составе линейку фотодиодов со 128 каналами, и соответственно, точность измерения частоты, равную ≅ 2 Мгц, можно утверждать, что в заявляемом устройстве точность измерения частоты может составить величину порядка 0,2 МГц.

Практическая реализация заявляемого высокоточного акустооптического приемника-частотомера сомнений не вызывает: практически все элементы, в него входящие, являются общими для прототипа и аналогов.

Заявляемое устройство может быть выполнено на основе следующих элементов. Лазер 1 целесообразно использовать газовый Ne-He, например, типов ЛГН-219, ЛГН-223, ЛГН-208 или полупроводниковый - видимого (ИЛПН-207) или инфракрасного диапазона. Диафрагма 3, формирующая прямоугольное распределение интенсивности, является стандартным оптическим элементом.

Акустооптический дефлектор 5 для диапазона частот (500 - 3000) МГц может быть выполнен на основе таких материалов, как LiNbO₃ или PbMoO₄, а для диапазона частот менее 500 МГц АО дефлектор 5 может быть выполнен на основе TeO₂.

В качестве линейки фотодиодов 5 в измерителе целесообразно использовать фотодиодные матрицы отечественного производства типов ФПУ-14, МФ-14 и др.

К оптическим элементам, входящим в измеритель, особых требований не предъявляется, и коллиматор 2, и интегрирующие линзы 4,6 могут быть выполнены по стандартной технологии, например, из стекла марки К8. В качестве коллиматора 2 возможно применение стандартного объектива.

К элементам низкочастотной техники, входящим в заявляемое устройство, тоже не предъявляется специфических требований. Они могут быть выполнены на основе микросхем серии 140, 153, 544. Набор видеоусилителей 8 и набор видеоусилителей 9 может быть реализован на основе операционных усилителей серии 153УД5 или 544УД2. Пороговые устройства 10 могут быть реализованы на основе компараторов 544СА1, 544СА2, 544СА3, 544СА4. Дифференциальный усилитель 12 - на основе тех же операционных усилителей.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя частоты радиосигналов. Технический результат, заключающийся в повышении точности измерения частоты, достигается тем, что в акустооптическом приемнике-частотомере, содержащем последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, первую интегрирующую линзу и регистрирующее устройство, выходы которого через первый набор видеоусилителей и пороговых устройств нагружены на шифратор, дополнительно между коллиматором и акустооптическим дефлектором размещены диафрагма и вторая интегрирующая линза и включены второй набор видеоусилителей, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и решающее устройство, причем четные и нечетные номера выходов первого набора видеоусилителей через второй набор видеоусилителей включены на неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя и решающим устройством, которое управляется выходным сигналом, формируемым шифратором, при этом выход шифратора является каналом грубого измерения частоты, а выход решающего устройства - каналом точного измерения частоты входного радиосигнала. 3 ил.

Высокоточный акустооптический приемник-частотомер, содержащий последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, акустический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, первую интегрирующую линзу и регистрирующее устройство в виде линейки фотодиодов, выходы которых через первый набор видеоусилителей и набор пороговых устройств соединены с входами шифратора, отличающийся тем, что между коллиматором и акустооптическим дефлектором расположены последовательно соединенные по свету диафрагма и вторая интегрирующая линза, а также дополнительно включены второй набор видеоусилителей, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и решающее устройство, причем четные и нечетные номера выходов первого набора видеоусилителей через второй набор видеоусилителей соединены с неинвертирующими и инвертирующими входами дифференциального усилителя, выход которого соединен последовательно с входом аналого-цифрового преобразователя и решающего устройства, которое управляется выходным сигналом, формируемым шифратором, при этом выход шифратора является каналом грубого измерения частоты, а выход решающего устройства - каналом точного измерения частоты входного радиосигнала.