АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК-ЧАСТОТОМЕР Российский патент 2002 года по МПК G01R23/17 G01R23/16 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного приемника-частотомера, работающего в автоматическом режиме.

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. Б. Тигин; под ред. Кулакова С. В. - М. : Радио и связь. - 1989. - 136 с. , стр. 48), в состав которого входят последовательно по свету включенные 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 технического результата, является наличие частотной и амплитудной погрешностей измерения параметров - мгновенной частоты и амплитуды радиосигналов со сложными законами внутриимпульсной модуляции. Погрешности обусловлены тем, что при попадании в апертуру АО дефлектора "отрезка", например, быстроперестраиваемого сигнала или сигнала, частота которого изменяется по закону, отличному от линейного, аппаратная функция АО анализатора спектра претерпевает искажения: она изменяет свою форму, в частности становится нецентросимметричной. Последнее и обуславливает упомянутые погрешности отсчета частоты и амплитуды действующего на входе АО анализатора радиосигнала.

Признаками данного аналога, совпадающего с признаками изобретения, являются последовательно включенные по свету лазер, коллиматор, АО дефлектор, Фурье-линза, осуществляющая интегральное Фурье-преобразование, и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников.

Известен АО частотомер (опубл. в статье Роздобудько В. В. Акустооптический СВЧ частотомер на основе аномальной дифракции в LiNbO₃// Радиоэлектроника. - 1992. - 9. - с. 74-78, стр. 75), предназначенный для работы в широком диапазоне рабочих частот; частотомер содержит последовательно включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, регистрирующее устройство, реализованное в виде линейки фотоприемников, выходы которых через набор видеоусилителей и пороговых устройств нагружены на шифратор, осуществляющий преобразование позиционного кода, несущего информацию о координате центра дифрагированного пятна света, в код частоты.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является наличие в аналоге систематической частотной погрешности, зависимой, как будет показано ниже, от вида закона перестройки частоты, действующего на входе частотомера, радиосигнала.

Признаками, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, интегрирующая линза и линейка фотоприемников, в качестве которой в аналоге используется линейка фотодиодов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: АО частотомер - см. фиг. 1. описанный в статье: Гуревич А. С. , Нахмансон Г. С. Точность измерения ширины спектра широкополосных радиосигналов на фоне помех в АО спектроаналиваторе//Радиотехника. - 1982. - т. 25. - 4. - с. 62-69, а также: Гуревич А. С. , Нахмансон Г. С. Обнаружение и измерение частоты узкополосных радиосигналов на фоне помех в акустоэлектронном спектроанализаторе// Радиотехника. - 1981. - т. 24. - 4. - с. 26-33.

Устройство-прототип содержит в своем составе последовательно по свету расположенные лазер, конденсор и коллиматор, формирующие плоскую световую волну, АО дефлектор, на вход которого подается измеряемый сигнал S(t), линзу, выполняющую преобразование Фурье и оптоэлектронную систему, обрабатывающую оптические сигналы и включающую в себя линейку фотоприемников, набор видеоусилителей, набор пороговых устройств и решающее устройство. Признаками прототипа, общими с заявляемым техническим решением, являются последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза и линейка фотоприемников с параллельным выходом.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является недостаточная точность измерения мгновенной частоты (и амплитуды) радиосигналов, имеющих сложные законы внутриимпульсной модуляции. Поясним подробно данный недостаток прототипа и вышеописанных аналогов, для чего рассмотрим используемый ими алгоритм регистрации мгновенной частоты - f(t) и амплитуды - a(t) входного радиосигнала - S(t).

Алгоритм регистрации f(t) и a(t) заключается в том, что в момент времени t_n= t₀+nT₀, где n= 1, 2, 3. . . ; T₀= L/υ и t₀= L₁/υ - длительности апертуры и темновой апертуры акустооптического дефлектора (АОД), υ- - скорость ультразвука, т. е. через Т₀ регистрируется координата энергетического центра тяжести (центроиды) дифрагированного света - x₀(t) и значение его интенсивности в максимуме - I_0m(t); I_0m(t) -пропорциональна а(t), а координата x_n(t) линейно-зависит от f(t) - cм. фиг. 1.

Для линейки фотоприемных устройств (ФПУ) отклонение центроиды от начала координат, совпадающего с центром одного из фотодиодов, определяется как

где b - период расположения фотодиодов в линейке фотоприемных устройств (ФПУ); m - их порядковый номер; N_m- число "засвеченных" фотодиодов; I_m - сигнал, снимаемый с m-го фотодиода. Таким образом, регистрируемые прототипом и аналогом x₀(t_n) и I_0m(t_n) и, соответственно, частоты и амплитуды соотносятся значениями мгновенной частоты f(t_n) и амплитуды a(t_n) в центре апертуры АОД в моменты времени t_n. Исходными данными для последующего восстановления законов f(t) и a(t) являются значения f(t_n) и a(t_n).

Описанный алгоритм, а также схемы аналогов и прототипа "работают" в том случае, если размещаемый в апертуре АОД сигнал S(t) можно считать гармоническим или "квазигармоническим" в соответствии с результатами работы: Егоров Ю. В. и др. Акустооптические процессоры. M. : Радио и связь - 1991. - 160 с. В том случае, если на входе приемника-частотомера действует сигнал со сложным нелинейным законом внутриимпульсной модуляции или, в общем случае, сигнал, энергетический центр спектра которого не совпадает с несущей (центральной) частотой, в схеме прототипа возможна ошибка при измерении мгновенных f(t_n) и a(t_n). Сказанное иллюстрируется (см. фиг. 2) расчетом частотной Δf(t_n) и амплитудной Δa(t_n) погрешностей регистрации f(t_n) и a(t_n), проведенного для схемы прототипа, временная протяженность апертуры АОД которого удовлетворяет упомянутому условию "квазигармоничности":

где β- скорость перестройки, действующего на входе частотомера ЧМ радиосигнала. Расчет интенсивности дифрагированного света I_0,3= ϕ(x₁) в плоскости ФПУ устройства прототипа проводился на основе интеграла

в котором действующий сигнал S(t) длительностью τ = T₀ и амплитудой в пределах апертуры АОД a(t)= const, аппроксимировался зависимостью вида
S(t) = a(t)cos{2π(f₀t+β(t-τ/2)²+γ(t-τ/2)³)}
и представлялся в виде своего пространственного аналога
S(x) ≡ a(p)cos[ϕ₁(p)+ϕ₂(p)²+ϕ₃(p)³],
где p= 2x/L; ϕ₁ = πf₀T₀; ϕ₂= 1/4πβT20

; ϕ₃= 1/4πγT30- максимальные значения линейного, квадратичного и кубического набегов фазы радиосигнала на краях апертуры АОД, причем двум последним значениям ϕ₂ и ϕ₃ соответствуют составляющие девиации S(t), равные
f_g2g3= 2ϕ_2,3/πT₀.
В приведенном расчетном соотношении х, х₁ - пространственные координаты, отсчитываемые от центра апертуры АОД - х и от оптической оси в фокальной плоскости интегрирующей линзы - х₁; k = 2π/λ;λ - длина волны света; F - фокусное расстояние интегрирующей линзы; Е(х) - весовая функция, учитывающая распределение света по апертуре АОД, которая представляется усеченной гауссоидой Е(х)= ехр(-х²/D₀ ²), где 2D₀ - ширина лазерного пучка по уровню ехр(-1); соотношение размеров L и 2D₀ характеризуется параметром усечения χ = L/2D₀.
На фиг. 2А условно изображены два отрезка измеряемого сигнала S(t), длительность которых - τ ограничена размерами временной апертуры - Т₀; сигналы отличаются только знаком коэффициента γ и как следствие знаком отличаются их временные -θ ≡ 2πγ(t-τ/2)³ и пространственные - ϕ = ϕ₃(p)³ = 1/4πγT30(2x/L)³- (см. фиг. 2Б) - фазовые характеристики. Для обоих отрезков сигналов в центре апертуры АОД "расположена" частота f₀, которую должен регистрировать АО приемник-частотомер, поскольку в схеме прототипа ей - частоте - соответствует координата x₁₀= F(θ_n+λf₀/υ), где θ_n- угол падения лазерного излучения на АОД. Однако из расчета распределений I_0,3= ϕ(x₁) (см. фиг. 2В) для обоих отрезков сигналов с противоположной разницей набега фазы на краях апертуры АОД следует, что соответствующие координаты максимумов I_03m сдвинуты относительно x₁₀ в противоположные стороны на величину

причем сами I_03m несколько меньше аналогичных максимумов интенсивности, имеющих место, если в апертуре АОД присутствует гармонический сигнал частоты f₀. Более подробное рассмотрение (см. статью Роздобудько В. В. Анализ динамических погрешностей в акустооптических измерителях мгновенной частоты РЛ сигналов//Радиоэлектроника. - 1997. - 12. - с. 3-10) показывает, что частотная Δf(t_n) и квадрат относительной амплитудной Δa2отн(t_n) ошибки АО устройства-прототипа могут быть представлены в виде зависимостей

Δa2отн= |0.06ϕ₂+0.04ϕ22+0.02ϕ33|,
первая из которых с 5% погрешностью аппроксимирует соответствующие теоретические зависимости упомянутой работы для сигналов с ϕ_2,3≤ π и χ ≤ 1.5, а вторая для сигналов с ϕ_2,3≤ π и равноамплитудного освещения апертуры АОД, т. е. χ = 0. Из приведенных теоретических соотношений следует, что даже для умеренно быстроперестраиваемых ЧМ сигналов с ϕ₂ = π = ϕ₃, частотная погрешность прототипа будет сопоставима с его релеевским разрешением, пропорциональным 1/Т₀, а амплитудная погрешность может составлять десятки процентов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности измерения частотных и амплитудных параметров радиосигналов со сложными законами внутриимпульсной модуляции.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в увеличении точности измерения мгновенной частоты примерно на порядок, а амплитуды в 5-10 раз при типовых параметрах приемника-частотомера (диапазон частот 1,5-2,0 ГГц), использующего в своем составе следующие элементы: лазер с υ дефлектор со скоростью ультразвука λ = 0.63 мкм;= 3,6 м/с и апертурой по свету Т₀= 1 мкс; 128-элементную линейку фотоприемников с общим размером h= 32 мм.

Технический результат достигается за счет организации в устройстве-прототипе дифракции света, как на самом отрезке измеряемого сигнала, так и на его зеркальном отображении, и последующем суммировании двух световых распределений, максимумы которых имеют частотные ошибки противоположного знака.

Для достижения технического результата в акустооптический приемник-частотомер, содержащий последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, линейный АО дефлектор, на возбуждаемый входным радиосигналом в теле которого ультразвуковой столб лазерное излучение падает под отрицательным или положительным углом Брэгга, первую интегрирующую линзу и первую линейку фотоприемников с параллельным выходом, по направлению луча лазера нулевого порядка после АО дефлектора расположено переотражающее зеркало, обеспечивающее повторное падение света на ультразвуковой столб АОД под положительным или отрицательным углом Брэгга, а по направлению повторно продифрагировавшего света расположены последовательно по свету вторая интегрирующая линза и вторая линейка фотоприемников, одноименные выходы которой соединены с одноименными выходами первой линейки фотоприемников соответственно.

Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. В предлагаемой схеме, как отмечалось выше, организована дифракция света на прямом и зеркальном отрезке измеряемого сигнала. Последнее обеспечивается за счет одновременной дифракции ±1 порядков путем подачи света на противоположные стороны возбуждаемого в теле дефлектора ультразвукового столба и получением неперекрывающихся в пространстве дифракционных световых сигналов. Как следует из предыдущего рассмотрения, именно при такой геометрии АО взаимодействия в ±1 дифракционных порядках будет иметь место противоположный сдвиг максимумов интенсивности дифрагированного света по оси пространственных частот для одного и того же отрезка нелинейного радиосигнала, размещенного в апертуре АОД.

Сдвиг максимума I_03m будет происходить в сторону низких и высоких пространственных частот по той причине, что для каждого из падающих на АОД со стороны противоположных граней лазерных лучей соответствующие фазовые распределения входного радиосигнала будут противоположными, зеркальными и будут иметь отличающиеся по знаку значения фазовых набегов на краях апертуры АОД.

Таким образом, в предложенной схеме приемника-частотомера обеспечиваются условия, при которых с линеек ФПУ снимается симметричный выходной сигнал, координата максимума которого, вне зависимости от закона ЧМ и амплитуды измеряемого входного сигнала, соответствует мгновенной частоте f₀ сигнала S(t) в момент времени t_n, приходящейся на центр апертуры АОД.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 3 представлена структурная схема АО приемника-частотомера, в которой обозначено: лазер - 1, коллиматор - 2, АОД - 3, интегрирующие линзы 4 и 7, переотражающее зеркало - 5, линейки фотоприемников 6 и 8.

Заявляемый высокоточный приемник-частотомер содержит (см. фиг. 3) последовательно расположенные лазер - 1 с длиной волны световых колебаний λ, коллиматор - 2, обеспечивающий формирование лазерного пучка заданной геометрии, АОД - 3 со скоростью ультразвука υ, на возбуждаемый входным радиосигналом частоты f₀ в теле которого ультразвуковой столб лазерное излучение падает под отрицательным углом Брэгга - θ = λf₀/υ, первую интегрирующую линзу 4 и первую линейку фотоприемников 6; в приемнике-частотомере по направлению луча лазера нулевого порядка включено переотражающее зеркало - 5, обеспечивающее повторное, но зеркальное падение света на ультразвуковой столб под положительным углом Брэгга и повторное дифрагирование лазерного излучения; далее это излучение фокусируется второй интегрирующей линзой - 7 на вторую линейку фотоприемников - 8, выходы которой запараллелены с одноименными выходами первой линейки фотоприемников - 6. По той причине, что в предложенной схеме приемника-частотомера направление дифрагировавших на входном радиосигнале лучей света симметрично, то работа схемы не будет нарушена, если будет обеспечиваться падение света на ультразвуковой столб АОД под положительным углом Брэгга, а повторное падение света, наоборот, под отрицательным углом Брэгга. Принцип работы заявляемого приемника-частотомера не отличается от принципа работы аналога и прототипа и состоит в следующем. Лазерное излучение, подаваемое от лазера 1 на одну из граней АОД 3, дифрагирует на акустическом аналоге входного радиосигнала и с помощью интегрирующей линзы 4 фокусируется на линейку фотоприемников 6; с выхода линейки 6 снимается сигнал, пространственное положение максимума (центра) которого соответствует частоте измеряемого радиосигнала. Непродифрагировавший свет - свет нулевого порядка дифракции - повторно подается на вторую из граней линзы АОД 3 и повторно дифрагирует на входном радиосигнале; с помощью второй интегрирующей линзы 7 он подается на вторую линейку фотоприемников 8, с выхода которой также снимается сигнал, координата центра которого соответствует частоте радиосигнала, "размещенного" в апертуре АОД 3. При наличии на входе АОД 3 гармонического радиосигнала пространственное положение соответствующих пятен света, подаваемых на линейку фотоприемников 6 и 8, является одинаковым; регистрация их максимумов и обеспечивает возможности отсчета частоты входного радиосигнала. Обеспечиваемый заявляемым устройством технический результат - повышение точности измерения частоты и амплитуды радиосигналов - поясним на следующем примере.

При наличии на входе АОД - 3 входного радиосигнала со сложным законом внутриимпульсной модуляции в плоскостях расположения обеих линеек фотоприемников формируются световые распределения (см. фиг. 2), максимумы которых сдвинуты в противоположные стороны. Однако поскольку одноименные выходы обеих линеек запараллелены, то суммарное световое распределение будет оставаться симметричным, максимум которого будет соответствовать частоте f₀, приходящейся на центр апертуры АОД; таким образом будет устраняться ошибка измерения частоты (и амплитуды), характерная для аналога и прототипа. Отметим, что в предлагаемом частотомере динамическая ошибка измерения частоты, зависимая от вида модуляции и параметров входного сигнала, устраняется полностью.

В заключении перечислим ограничивающие факторы, налагаемые на архитектуру предложенного приемника-частотомера и на параметры входных сигналов, в пределах изменения которых он будет сохранять работоспособность. В предложенном приемнике-частотомере дифракционная эффективность используемого АОД должна быть малой, что необходимо для поддержания равенства уровней дифрагированных световых сигналов; в противном случае необходимо принимать меры, обеспечивающие такое равенство, например, путем деления основного луча лазера и использования в составе приемника-частотомера второго АОД, направление распространения сигнала в котором противоположно направлению в первом АОД.

Ориентировочно можно считать, что для предложенного частотомера предельным будет такой сигнал, с такой комбинацией параметров β, χ, γ и Т₀, для которого частотный разнос между двумя дифрагированными пятнами будет таким, что приемник-частотомер станет воспринимать их как два разных сигнала. Последнее будет иметь место, если 2Δx₁₀ (см. фиг. 2) будет сопоставимо с шириной светового распределения I_0,3= ϕ(x₁), равного по уровню 0,5

Предлагаемый высокоточный АО приемник-частотомер может быть выполнен на основе следующих элементов.

Лазер - 1 целесообразно использовать газовый He-Ne, например типов ЛГН-219, ЛГН-223, ЛГН-208, или полупроводниковый - видимого (ИЛПН-207) или инфракрасного диапазона.

АОД - для диапазона частот (500-4000) МГц может быть выполнен на основе таких материалов, как LiNbO₃ или РbМoО₄, а для диапазона частот менее 500 МГц АОД может быть выполнен на основе ТеО₂ и других материалов.

В качестве линеек фотоприемников 6 и 8 в частотомере могут быть применены либо приборы с зарядовой связью, например линейки типа 1200ЦЛ1, 1200ЦЛ5 и др. , либо фотодиодные матрицы типов ФПУ-14, МФ-14 и др. К оптическим элементам, входящим в частотомер, особых требований не предъявляется: и коллиматор - 2, и зеркало 5, и интегрирующие линзы 4 и 7 могут быть выполнены по стандартной технологии, например, из стекла марки К8; в качестве коллиматора 2 возможно применение стандартного объектива.

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники и может быть использовано в качестве высокоточного приемника-частотомера, работающего в автоматическом режиме. Технический результат, заключающийся в увеличении точности измерения частоты радиосигналов, достигается за счет того, что в акустооптический приемник-частотомер, состоящий из последовательно по свету включенных лазера, коллиматора, линейного акустооптического дефлектора, на возбуждаемый входным радиосигналом в теле которого ультразвуковой столб лазерное излучение падает под отрицательным или положительным углом Брэгга, первой интегрирующей линзы и первой линейки фотоприемников с параллельным выходом, дополнительно по направлению луча лазера нулевого порядка после акустооптического дефлектора расположено переотражающее зеркало, обеспечивающее повторное падение света на ультразвуковой столб акустооптического дефлектора под отрицательным или положительным углом Брэгга, а по направлению повторно продифрагировавшего света расположены последовательно по свету вторая интегрирующая линза и вторая линейка фотоприемников, одноименные выходы которой соединены с одноименными выходами первой линейки фотоприемников соответственно. 7 ил.

Акустооптический приемник-частотомер, состоящий из последовательно по свету включенных лазера, коллиматора, акустооптического дефлектора, на возбуждаемый входным радиосигналом в теле которого ультразвуковой столб лазерное излучение падает под отрицательным или положительным углом Брэгга, первой интегрирующей линзы и первой линейки фотоприемников с параллельным выходом, отличающийся тем, что по направлению луча лазера нулевого порядка после акустооптического дефлектора расположено переотражающее зеркало, обеспечивающее повторное падение света на ультразвуковой столб акустооптического дефлектора под положительным или отрицательным углом Брэгга, а по направлению повторно дифрагированного света расположены последовательно по свету вторая интегрирующая линза и вторая линейка фотоприемников, одноименные выходы которой соединены с одноименными выходами первой линейки фотоприемников соответственно.