АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ Российский патент 2001 года по МПК G01R23/17 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя мгновенной частоты радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и радиоразведке.

Известен (см. фиг. 1) акустооптический (АО) анализатор спектра последовательного типа с пространственным интегрированием (опубл. в кн.: Голография и обработка информации / Под редакцией проф. С.Б. Гуревича - Л.: Наука. - 1976. - 196 с. , на стр. 110), в состав которого входят последовательно включенные (по свету) лазер, низкочастотный акустооптический дефлектор, управляемый НЧ сигналом, формируемым устройством управления, высокочастотный акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза, регистрирующее устройство - фотоприемник, в качестве которого используется фотоэлектронный умножитель, а также измеритель временных интервалов с устройством управления; в качестве измерителя временных интервалов использован осциллограф. В данном аналоге о мгновенной частоте (несущей частоте) входного радиосигнала судят по результатам измерения осциллографом длительности временного интервала, начало которого задает устройство управления, а концом измеряемого временного интервала является продетектированный световой сигнал, снимаемый с выхода фотоприемника.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является наличие погрешности, связанной с неточностью измерения частоты быстроперестраиваемых ЧМ радиосигналов. Причина появления погрешности обусловлена временным расширением отклика анализатора при совпадении направления перестройки входного ЧМ сигнала с направлением развертки осциллографа или с направлением обзора полосы рабочих частот анализатора. Указанная погрешность тем больше, чем более широкополосным является анализатор спектра и чем более значительна скорость перестройки частоты измеряемого ЧМ сигнала.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются последовательно включенные (по свету) лазер, низкочастотный акустооптический дефлектор, высокочастотный акустооптический дефлектор, интегрирующая линза, регистрирующее устройство - фотоприемник, а также устройство управления и измеритель временных интервалов.

Известен также АО приемник-частотомер (Роздобудько В.В. Акустооптический СВЧ частотомер последовательного типа // Радиотехника. - 1991. - N 12, - с. 81-86) включающий в своем составе последовательно расположенные лазер, коллиматор, ЛЧМ генератор, работающий в автоколебательном или ждущем режиме, управляющий дефлектор, формирователь импульса запуска, оптическую систему переноса изображения, сигнальный АО дефлектор, на электрический вход которого подается входной радиосигнал, фокусирующую оптическую систему, фотоприемник и измеритель временных интервалов.

Принцип работы данного аналога заключается в следующем. Передним фронтом измеряемого входного сигнала формируется импульс запуска ЛЧМ генератора и измерителя временных интервалов. Под действием ЧМ колебаний управляющий дефлектор сканирует угол падения света и соответственно перестраивает частотную область АО взаимодействия сигнального дефлектора. Фотоприемник "откликается" в момент совпадения частоты входного сигнала и перестраиваемой узкополосной частотной области АО взаимодействия. Выход фотоприемника нагружен на второй вход измерителя временных интервалов. При этом длительность регистрируемого временного интервала отсчитывается от момента запуска измерителя временных интервалов до момента появления отклика с выходом фотоприемника.

Таким образом, в данном аналоге формируется временной интервал, пропорциональный частоте входного сигнала, который фиксируется измерителем временных интервалов.

Описанный аналог обладает тем недостатком, что в нем возможна погрешность измерения несущей частоты ЧМ радиосигналов в случае, если направление их перестройки будет совпадать с направлением перестройки частоты, используемого в составе частотомера, ЛЧМ генератора. В этом случае регистрируемый временной интервал будет расширяться (увеличиваться), причем тем больше, чем меньше будут отличаться по скорости перестройки два упомянутых ЧМ сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: акустооптический анализатор спектра со считыванием продифрагированного светового распределения с помощью вспомогательного (зеркального биморфного) дефлектора (опубл. в кн.: Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа сигналов / С.В. Кулаков - Л.: Наука, - 1978. - 144 с., на стр. 38 - см. фиг. 2). Устройство-прототип содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, интегрирующую линзу, вспомогательный дефлектор и фотоприемник, причем фотоприемник соединен с входом измерителя временных интервалов, в качестве которого в прототипе также использовался осциллограф, осуществляющий на экране развертку интенсивности светового распределения, несущего информацию о квадрате модуля спектральной плотности анализируемого сигнала.

В данном устройстве временное местоположение - координата максимума спектральной плотности мощности входного радиосигнала однозначно связано с его мгновенной частотой.

Признаками, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно включенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза, вспомогательный дефлектор, управляемый НЧ сигналом, формируемым устройством управления, фотоприемник и измеритель временных интервалов, один из входов которого соединен с устройством управления.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является наличие погрешности, связанной с неточностью измерения мгновенной частоты быстроперестраиваемых ЧМ радиосигналов.

Наиболее ярко проиллюстрировать недостаток аналогов и прототипа можно следующим образом. Предположим, что скорость перестройки частоты измеряемого ЧМ радиосигнала совпадает по величине и направлению со скоростью развертки интенсивности дифрагированного светового распределения. В этом случае в устройстве прототипа невозможно будет зафиксировать окончание измеряемого временного интервала, длительность которого в целом должна быть пропорциональна частоте входного сигнала. Соответственно в данном предельном случае измерение мгновенной частоты в прототипе становится невозможным. Сказанное иллюстрируется фиг. 4, на которой условно изображены отклики анализатора при действии на его входе непрерывного сигнала и ЧМ сигналов с различной скоростью перестройки частоты. Во втором случае с увеличением скорости перестройки ЧМ сигнала увеличивается и временная длительность откликов анализатора, что препятствует точному отсчету частоты входного радиосигнала, причем вне зависимости как будет осуществляться отсчет интервала t_f: по переднему фронту отклика или по его центру.

Следует отметить, что в другом случае, а именно, если направление перестройки ЧМ сигнала будет противоположным направлению развертки дифрагированного света, то в устройстве прототипа не будет наблюдаться погрешности измерения длительности временного интервала, поскольку его окончание будет жестко фиксированным. Последняя особенность является принципиальной, поскольку она положена в основу улучшения точностных характеристик прототипа.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности измерения частотных параметров радиосигналов, в частности их мгновенной частоты или, в частном случае, их несущей частоты.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в увеличении точности измерения мгновенной частоты примерно на порядок при следующих типовых параметрах элементной базы АО измерителя радиосигналов, работающего, например, в диапазоне частот (1,5-2,0) ГГц ( Δf=500 МГц), а именно: лазера, с λ = 0,63 мкм, акустооптических дефлекторов со скоростью ультразвука υ ≈ (0,6-6)•10³ м/с и временной апертурой по свету Т ≈ 5 мкс, а также фотоприемников на основе ФЭУ или ЛФД.

Указанная степень улучшения относится к ЧМ сигналам со скоростью перестройки большей ≈ (30÷100) МГц/мкс и направление которой совпадает с направлением распространения ультразвука в теле АО дефлектора. Таким образом, основным эффектом, достигаемым при осуществлении изобретения, является уменьшение погрешности измерения частотных параметров (мгновенной частоты) высокоскоростных ЧМ сигналов.

Технический результат достигается за счет введения в известный АО измеритель новых элементов, а именно, светового делителя дифрагированного лазерного излучения, второго вспомогательного дефлектора, второго фотоприемника и селектора длительности импульсов, а также нового - встречного расположения двух вспомогательных дефлекторов; дефлекторы расположены таким образом, что в них направление распространения ультразвуковых волн является противоположным.

Для достижения заявляемого технического результата в предлагаемом АО измерителе параметров радиосигналов, содержащем последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, первый вспомогательный дефлектор, управляемый НЧ сигналом, формируемым устройством управления, первый фотоприемник и измеритель временных интервалов, один из входов которого соединен с устройством управления, после интегрирующей линзы дополнительно введены световой делитель, второй вспомогательный дефлектор, второй фотоприемник и селектор длительности импульсов, причем второй вспомогательный дефлектор включен встречно по отношению к первому вспомогательному дефлектору, а выходы фотоприемников нагружены на входы селектора длительности импульсов, выход которого включен на второй вход измерителя временных интервалов.

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

Предположим, что на входе АО анализатора спектра прототипа или аналогов действует входной сигнал с линейной частотной модуляцией, скорость перестройки которого по величине и направлению совпадает со скоростью обзора полосы рабочих частот анализатора; в прототипе это осуществляется путем сканирования зеркальным биморфным дефлектором угла поворота, в свою очередь связанным с разверткой осциллографа применяемого в качестве измерителя временных интервалов.

Обратившись к фиг. 4 становится достаточно очевидным невозможность отсчета частоты входного сигнала из-за увеличения протяженности (длительности) отклика, которым заканчивается формирование длительности временного интервала, пропорционального мгновенной частоте входного сигнала.

При других скоростях перестройки будет иметь место ошибка в отсчете мгновенной частоты тем меньшая, чем меньшей будет скорость перестройки входного ЧМ сигнала.

В предлагаемом измерителе параметров радиосигналов данный недостаток устраняется путем введения второго вспомогательного дефлектора, включенного встречно по отношению к первому вспомогательному дефлектору. Такое расположение вспомогательных дефлекторов обеспечивает возможность получения коротких откликов на любой ЧМ сигнал с любым направлением скорости перестройки частоты. При этом в зависимости от направления скорости перестройки ЧМ сигнала на выходе одного из вспомогательных дефлекторов будет формироваться отклик большей длительности, а на выходе второго вспомогательного дефлектора - малой. Если в дефлекторе направление распространения ультразвука и направление скорости перестройки ЧМ сигнала совпадают - длительность отклика будет большей, а если они окажутся противоположными, то длительность отклика будет малой.

В предлагаемом измерителе выходы вспомогательных дефлекторов через фотоприемники нагружены на селектор длительности импульсов, пропускающий отклик (импульс) меньшей длительности, которая, являясь постоянной, фиксированной не оказывает влияния на погрешность последующего измерителя временных интервалов и, в целом, на погрешность акустооптического измерителя.

Таким образом, наличие причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом определяется тем фактом, что в предлагаемом измерителе параметров радиосигналов вне зависимости от скорости перестройки ЧМ сигнала и ее направления длительность продетектированного светового импульса будет фиксированной и малой в сопоставлении с самим временным интервалом, что и обеспечит постоянство погрешности отсчета соответствующего значения частоты входного сигнала.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема АО анализатора спектра последовательного типа с пространственным интегрированием, на фиг. 2 представлена структурная схема АО анализатора спектра со считыванием продифрагированного светового распределения с помощью вспомогательного (зеркального биморфного) дефлектора, на фиг. 3 представлена структурная схема заявляемого измерителя параметров радиосигналов, а на фиг. 4 представлена иллюстрация, поясняющая механизм возникновения погрешности отсчета частоты в анализаторе спектра, показанном на фиг. 2.

Позиции на чертежах обозначают:
1 - лазер;
2 - низкочастотный АО дефлектор;
3 - высокочастотный АО дефлектор;
4 - интегрирующая линза;
5 - фотоприемник;
6 - измеритель временных интервалов;
7 - устройство управления.

8 - лазер;
9 - коллиматор;
10 - сигнальный акустооптический дефлектор;
11 - интегрирующая линза;
12 - вспомогательный дефлектор (зеркальный биморфный);
13 - фотоприемник;
14 - измеритель временных интервалов;
15 - лазер;
16 - коллиматор;
17 - сигнальный акустооптический дефлектор;
18 - интегрирующая линза;
19 - световой делитель дифрагируемого лазерного излучения;
20 - первый вспомогательный акустооптический дефлектор;
21 - второй вспомогательный акустооптический дефлектор;
22 - первый фотоприемник;
23 - второй фотоприемник;
24 - селектор длительности импульсов;
25 - измеритель временных интервалов;
26 - устройство управления.

Заявляемое устройство содержит (см. фиг. 3) последовательно соединенные лазер 15 с длинной волны световых колебаний λ; коллиматор 16; сигнальный акустооптический дефлектор (САОД) 17, имеющий электрический вход, оптический вход и выход и скорость ультразвука в среде которого, равна υ; интегрирующую линзу 18 с фокусным расстоянием F; световой делитель дифрагируемого лазерного излучения (СДДЛИ) 19; два вспомогательных АО дефлектора (ВАОД) 20 и 21, причем направления распространения ультразвука во вспомогательных АО дефлекторах 20 и 21 пространственно противоположны; два фотоприемника (ФП) 22 и 23, выходы которых нагружены на селектор длительности импульсов (СДИ) 24, в свою очередь, выход которого соединен с одним из входов измерителя временных интервалов (ИВИ) 25, а на второй вход измерителя временных интервалов 25 и одновременно на электрические входы вспомогательных АО дефлекторов 20 и 21 включено устройство управления (УУ) 26.

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

На электрический вход АО дефлектора 17 подается входной радиосигнал частоты f. В среде АО дефлектора 17 радиосигнал распространяется со скоростью υ в виде своего акустического аналога. На оптический вход АО дефлектора 17 через коллиматор 16 от лазера 15 подаются световые колебания с длиной волны λ Коллиматор 16 служит для формирования необходимой геометрии пучка света, которая определяет такие технические параметры АО измерителя параметров радиосигналов, как разрешение, чувствительность и другие. Луч света падает на оптический вход дефлектора 17 под углом Брэгга, обеспечивающим эффективную работу АО измерителя параметров радиосигналов в полосе рабочих частот - Δf.

В АО дефлекторе 17 свет дифрагирует на акустическом аналоге входного радиосигнала и с оптического выхода АО дефлектора 17 свет, проходя через интегрирующую линзу 18 и световой делитель дифрагированного лазерного излучения 19, подается синхронно на два вспомогательных АО дефлектора 20 и 21. На электрические входы АО дефлекторов 20 и 21 подается короткий импульс от устройства управления 26.

Одновременно сигнал от устройства управления 26 поступает на один из входов измерителя временных интервалов 25, который начинает отсчет времени движения короткого импульса ("цуга") в двух вспомогательных дефлекторах 20 и 21. Таким образом, вспомогательные дефлекторы 20 и 21 выполняют роль устройств считывания местоположения дифрагированного пятна света и преобразования его координаты в соответствующий временной интервал.

При этом дефлекторы 20 и 21 включены встречно по направлению друг к другу: в них направление распространения короткого импульса ("цуга") является встречным.

Вспомогательные дефлекторы 20 и 21 включены таким образом, что при наличии на входе АО измерителя изменяющегося по частоте сигнала S(t) (ЧМ сигнала), соответствующее направление перемещения дифрагированного лазерного пучка в одном из них будет совпадать с направлением движения ультразвукового цуга в теле дефлектора, а в другом эти направления будут противоположными - встречными.

Когда распространяющийся в среде вспомогательных дефлекторов 20 и 21 короткий импульс - цуг от устройства управления 26 достигнет точки падения продифрагировавшего на входном сигнале S(t) света, то падающий на дефлекторы 20 и 21 свет еще раз продифрагирует и попадет на фотоприемники 22 и 23. При этом с выхода одного из фотоприемников 22 или 23 будет сниматься импульс большой длительности, а с выхода другого фотоприемника 23 и 22 будет сниматься импульс малой длительности. Далее оба продетектированных световых импульса попадают на входы селектора длительности импульсов 24, на выход которого "проходит" импульс меньшей длительности. Именно он подается на второй вход измерителя временных интервалов 25 и именно им завершается отсчет временного интервала, пропорционального мгновенной частоте входного сигнала S(t).

Предлагаемый АО измеритель параметров радиосигналов, использующийся в качестве быстродействующего частотомера СВЧ диапазона длин волн, может быть выполнен на основе следующих элементов. Лазер 15 целесообразно использовать газовый Ne-He, например, типов ЛГН-219, ЛГН-223, ЛГН-208, или полупроводниковый - видимого (ИЛПН-207), или инфракрасного диапазона.

Акустооптические дефлекторы 17, 20 и 21 для диапазона частот (500-3000) МГц могут быть выполнены на основе таких материалов, как LiNbO₃ или PbMoO₄, а для диапазона частот менее 500 МГц АО дефлекторы могут быть выполнены на основе TeO₂. Вспомогательные АО дефлекторы (низкочастотные и высокоэффективные) также могут быть выполнены на основе TeO₂; не исключена возможность применения и промышленных АОД, например, типа МЛ-201.

В качестве фотоприемников 22 и 23 в измерителе можно использовать как малогабаритные фотоэлектронные умножители, типов ФЭУ-147, ФЭУ-168 и др., так и полупроводниковые фотоприемники на основе ЛФД или p-i-n диодов.

Конкретная реализация селектора длительности импульсов 24 может быть осуществлена по типу описанному в кн.: Импульсные устройства /Ю.Н. Ерофеев. - М.: Высш. шк. - 1989. - 527 с., на стр. 510.

Что касается измерителя временных интервалов 25, то его реализация возможна на основе счетчика калиброванных импульсов. В этом случае инициирование начала отсчета временного интервала осуществляется устройством управления 26, а концом измеряемого временного интервала является короткий импульс, снимаемый с выхода селектора длительности импульсов 24; по количеству тактовых импульсов, вырабатываемых счетчиком, можно судить о длительности временного интервала и соответственно о частоте сигнала на входе акустооптического измерителя.

Устройство управления 26 представляет собой генератор импульсов фиксированной частоты, постоянство которой обеспечивает постоянство угла дифракции лазерного излучения.

К оптическим элементам, входящим в измеритель, особых требований не предъявляется; и коллиматор 16, и интегрирующая линза 18 могут быть выполнены по стандартной технологии, например, из стекла марки К8. В качестве коллиматора 16 возможно применение стандартного объектива.

Что касается светового делителя лазерного излучения 19, то его простейшей реализацией может быть дифракционная решетка, работающая на проход, пример изготовления которой описан в кн. Апенко М.И., Дубовик А.С. Прикладная оптика. - М.: Наука. - 1982. - 352 с.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя мгновенной частоты радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и радиоразведке. Технический результат заключается в увеличении точности измерения мгновенной частоты. Для этого акустооптический измеритель параметров радиосигналов содержит лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, интегрирующую линзу, вспомогательные акустооптические дефлекторы, устройство управления, фотоприемники, измеритель временных интервалов, световой делитель дифрагированного лазерного излучения, селектор длительности импульсов. 4 ил.

Акустооптический измеритель параметров радиосигналов, состоящий из последовательно расположенных по ходу светового луча лазера, коллиматора, сигнального акустооптического дефлектора и интегрирующей линзы, первого вспомогательного акустооптического дефлектора, соединенного с первым фотоприемником, и измерителя временных интервалов, при этом на электрический вход сигнального акустооптического дефлектора подается измеряемый радиосигнал, устройство управления выполнено с возможностью формирования короткого импульса и подачи этого импульса на электрический вход первого вспомогательного акустооптического дефлектора, отличающийся тем, что один из входов измерителя временных интервалов соединен с устройством управления, между интегрирующей линзой и измерителем временных интервалов введены последовательно расположенные по ходу светового луча световой делитель дифрагированного лазерного излучения, второй вспомогательный акустооптический дефлектор и второй фотоприемник, при этом делитель дифрагированного лазерного излучения выполнен с возможностью подачи лазерного излучения на первый вспомогательный акустооптический дефлектор, второй вспомогательный акустооптический дефлектор выполнен с возможностью распространения упомянутого короткого импульса встречно направлению распространения короткого импульса в первом вспомогательном акустооптическом дефлекторе, выходы первого и второго фотоприемников нагружены на входы селектора длительности импульсов, выход которого подключен ко входу измерителя временных интервалов.