ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ РАДИОСИГНАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК G01R23/17 

Предлагаемое изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве быстродействующего панорамного измерителя несущей частоты радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и радиоразведке.

Известен акустооптический (АО) приемник-частотомер (см. Роздобудько В.В. Акустооптический СВЧ частотомер последовательного типа // Радиотехника, -1991. - 12. - с.81-86), включающий в своем составе последовательно расположенные лазер, коллиматор, линейно частотно-модулированный (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 (см. фиг.1). Принцип работы данного аналога заключается в следующем. Передним фронтом измеряемого входного радиосигнала формируются импульсы 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 выхода фотоприемника.

В аналоге формируется временной интервал, пропорциональный частоте входного сигнала, который и фиксируется измерителем временных интервалов.

Недостаток описанного аналога заключается а том, что при T_обз≥τ, где Т_обз - время перестройки частотной области АО взаимодействия или время обзора полосы рабочих частот, а τ- длительность измеряемого радиосигнала, прием и измерение приемником-частотомером параметров сигналов становится вероятностным и зависит от частоты самого сигнала. Так, например, пусть за время Т_обз частотная область АО взаимодействия ΔF изменяется от f_min до f_max в пределах Δf_Σ = f_max-f_min, где Δf_Σ- полоса обзора.

Тогда, если на вход приемника частотомера поступает сигнал с частотой, находящейся вблизи f_max, а длительность сигнала τ<T_обз, то ясно, что такой сигнал приемником регистрироваться не будет: сигнал прекратит свое существование прежде чем к нему "дойдет" перестраиваемая область АО взаимодействия. Возможен и другой случай, а именно, когда во время перестройки ΔF от f_min до f_max, на вход приемника придет сигнал с несущей частотой вблизи f_min, опять же с τ<T_обз, то такой сигнал также будет "пропущен".

Таким образом, данный аналог позволяет измерять значения несущих частот радиосигналов, длительности которых превышают время обзора полосы его рабочих частот.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, управляющий АО дефлектор, формирователь импульса запуска, оптическая система, сигнальный АО дефлектор, фокусирующая оптическая система, фотоприемник и измеритель временных интервалов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: измеритель частоты радиосигналов на основе акустооптического анализатора изображений; он описан в обзорной статье: Роздобудько В. В. Широкополосные акустооптические измерители частотных и фазовых параметров радиосигналов // Радиотехника. 1, 2001, с. 79-92. Теория функционирования устройства-прототипа, а также обсуждение набора технических параметров, которыми он может обладать, приведены в статье Роздобудько В.В. Измеритель частоты радиосигналов на основе акустооптического анализатора изображений // Радиоэлектроника. 2000, 12, с. 22-32.

Устройство-прототип в своем составе содержит последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор (АОД), интегрирующую линзу, вспомогательный АОД, фокусирующую линзу и фотоприемник, выход которого соединен с вторым входом измерителя временных интервалов, причем измеряемый радиосигнал подается через делитель на электрический вход сигнального АОД, а второй выход делителя нагружен на детектор и формирователь, имеющий два выхода, один из которых через вспомогательный генератор фиксированной частоты включен на электрический вход вспомогательного АОД, а второй выход делителя соединен с первым входом измерителя временных интервалов. Информационным выходом устройства-прототипа является выход измерителя временных интервалов.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Свет от лазера 1 с длиной волны λ и апертурой L₁, формируемой коллиматором 2, под углом θ_п1 падает на сигнальный дефлектор 3, скорость ультразвука в теле которого v₁; на электрический вход АОД 3 через делитель 5 подается измеряемый радиосигнал S(t).

Одновременно S(t) детектируется устройством 6 (детектором 6); передний фронт продетектированного S(t) инициирует с помощью формирователя 7 работу измерителя временных интервалов 12 и вспомогательного генератора 8 фиксированной частоты Ω₀; длительность сформированных генератором 8 прямоугольных импульсов τ(t), их период повторения Т_cл. Начало движения импульса τ(t) в теле АОД 9 совпадает с моментом начала работы измерителя временных интервалов 12.

Лазерное излучение на акустическом аналоге S(t) дифрагирует и с помощью интегрирующей линзы 4 с фокусным расстоянием F₁ подается на вспомогательный АО дефлектор 9 (низкочастотный и высокоэффективный) со скоростью ультразвука v₂; назначение второго вспомогательного АОД 9 заключается в считывании местоположения дифрагированного пятна света диаметром L₂ = λF₁/L₁, координата центра которого
X_c = F₁(θ_п1+λf_c/v₁), (1)
пропорциональна частоте f_c сигнала S(t), "приходящейся" на центр апертуры L₁ сигнального АОД 3.

Полоса рабочих частот АО измерителя Δf_Σ = f_в-f_н задает в плоскости размещения вспомогательного АОД 9 пространственный отрезок
ΔX_Σ = X_в-X_н = F₁λΔf_Σ/v₁,
в пределах которого должен сканировать дифрагированный на S(t) луч лазера.

Когда распространяющийся в теле вспомогательного АОД 9 короткий цуг τ(t) встречает пятно света, координата которого соответствует (1), свет на нем еще раз дифрагирует, отклоняясь на фиксированный угол
θ_п2 = λΩ₀/v₂ = const,
затем фокусируется линзой 10 на фотоприемник (ФПУ) 11; сигнал с выхода ФПУ прекращает работу измерителя временных интервалов 12.

Таким образом, в рассматриваемом АО измерителе обзор Δf_Σ осуществляется за время
T_Σ = T₂₀+T_обз = L₂₀/v₂+ΔX_Σ/v₂,
включающее как активное время Т_обз, так и "мертвое" Т₀₂, обусловленное конечной величиной темновой апертуры L₂₀ вспомогательного АОД 9.

При этом измеритель временных интервалов 12 фиксирует интервал
T_c = T₂₀+X_c/v₂,
длительность которого пропорциональна частоте f_c измеряемого радиосигнала.

Признаками устройства-прототипа, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, интегрирующая линза, вспомогательный акустооптический дефлектор, фокусирующая линза и фотоприемник, выход которого соединен с вторым входом измерителя временных интервалов, причем измеряемый радиосигнал подается через делитель на электрический вход сигнального акустооптического дефлектора, а второй выход делителя нагружен на детектор и формирователь, выход которого через вспомогательный генератор включен на электрический вход вспомогательного акустооптического дефлектора и одновременно на первый вход измерителя временных интервалов.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является наличие в прототипе времени, равного времени обзора его полосы рабочих частот, когда прием и измерение параметров (частоты) входных сигналов становится вероятностным. Данный недостаток легко просматривается, если предположить, что после того как вспомогательный генератор 8 сформировал короткий цуг длительностью τ(t) фиксированной частоты Ω₀ и он начал движение в теле вспомогательного АОД 9, считывая от начальной граничной частоты f_min местоположение дифрагированного входного сигнала, то, если при этом на вход измерителя придет радиосигнал с несущей частотой вблизи f_min и длительностью, меньшей Т_oбз, то такой сигнал измерителем зарегистрирован не будет. И наоборот, возможен вариант, когда входной радиосигнал придется на верхнюю часть диапазона рабочих частот измерителя, то его частота также не будет определена, если длительность сигнала будет меньше Т_oбз: сигнал прекратит свое существование, когда к нему "подойдет" цуг считывания.

Таким образом, прототип характеризуется вероятностным временем приема, равным Т_обз, причем вероятность приема определяется не только соотношением τ/T_обз, но и зависит от значения частоты измеряемого радиосигнала.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение времени вероятностного приема радиосигналов АО измерителем за счет уменьшения времени получения информации о частоте входного радиосигнала.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в уменьшении вероятностного времени в n раз, где n - число коротких цугов τ(t) с разными частотами заполнения, с помощью которых осуществляется обзор полосы рабочих частот измерителя. При этом в предлагаемом измерителе время обзора не изменяется. Дополнительным техническим результатом является повышение точности измерения частоты радиосигналов в несколько раз. Последнее распространяется на сигналы с τ>T_обз.
Технический результат в предлагаемом измерителе достигается за счет того, что в нем обеспечены условия для получения информации о координатах дифрагированного пятна света и соответственно частоте входного сигнала несколькими регистрирующими устройствами, каждый из которых включает в себя линию задержки, вспомогательный генератор, сумматор, фотоприемник и измеритель временных интервалов. Запуск каждого из регистрирующих устройств осуществляется последовательно, а информация потребителю о частоте входного сигнала предъявляется параллельно. Именно поэтому в предлагаемом устройстве время обзора полосы рабочих частот остается без изменения и в то же время в n раз сокращается время вероятностного приема, где n - число упомянутых устройств регистрации.

Для достижения заявляемого технического результата в предлагаемый измеритель частоты радиосигналов, содержащий последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, интегрирующую линзу, вспомогательный акустооптический дефлектор, фокусирующую линзу и фотоприемник, выход которого включен на второй вход измерителя временных интервалов, причем измеряемый радиосигнал подается через делитель на электрический вход сигнального акустооптического дефлектора, а второй выход делителя нагружен на детектор и формирователь, выход которого через вспомогательный генератор включен на электрический вход вспомогательного акустооптического дефлектора и одновременно на первый вход измерителя временных интервалов, введены n линий задержек, n-1 вспомогательных генераторов с разными несущими частотами, n-1 фотоприемников, n-1 измерителей временных интервалов и сумматор, причем n входов линий задержек параллельно соединены с выходом формирователя, n выходов которых включены на n одноименных входов вспомогательных генераторов и n одноименных первых входов n измерителей временных интервалов, а n выходов вспомогательных генераторов через сумматор соединены с электрическим входом вспомогательного акустооптического дефлектора, а n выходов фотоприемников соединены с n вторыми входами измерителей временных интервалов.

Доказательство причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом следует из рассмотрения принципа работы заявляемого измерителя частоты и его сопоставления с прототипом и аналогами.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема аналога - акустооптического анализатора спектра последовательного типа; на фиг.2 представлена структурная схема прототипа - измерителя частоты радиосигналов на основе акустооптического анализатора изображений; на фиг.3 приведена схема заявляемого измерителя частоты радиосигналов; на фиг.4 поясняется начальное местоположение импульсов считывания в теле вспомогательного АОД, при котором обеспечивается уменьшение времени получения информации о координатах дифрагированного пятна света в n раз.

Позиции на фиг.3 обозначают: 1 - лазер, 2 - коллиматор, 3 - сигнальный акустооптический дефлектор, 4 - интегрирующая линза, 5 - делитель, 6 - детектор, 7 - формирователь, 8 - набор линий задержек, 9 - набор вспомогательных генераторов, 10 - сумматор, 11 - вспомогательный акустооптический дефлектор, 12 - фокусирующая линза, 13 - набор фотоприемников, 14 - набор измерителей временных интервалов.

Заявляемое устройство работает (см. фиг.3) следующим образом. Свет от лазера 1 с длиной волны λ и апертурой L₁, формируемой коллиматором 2, под углом θ_п1' падает на сигнальный АОД 3. Величина темновой апертуры АОД 3 выбрана равной L₁₀. Входной электрический сигнал S(t), подаваемый через делитель 5 на электрический вход АОД 3, проходит путь, равный L₁₀, задерживаясь на время L₁₀/v₁, прежде чем на нем продифрагирует лазерное излучение. В данном случае назначение темновой апертуры АОД 3 состоит в обеспечении предварительных условий, при которых (см. ниже) часть считывающих импульсов (цугов) размещается в теле вспомогательного АОД 11, прежде чем лазерное излучение источника 1 продифрагирует на сигнале S(t) и появится в виде соответствующего пятна на оптическом входе вспомогательного АОД 11. Лазерное излучение на акустическом аналоге S(t) дифрагирует и, пройдя интегрирующую линзу 4 с фокусным расстоянием F₁, подается на вспомогательный АОД 11, в теле которого последовательно с интервалом ~ Т_обз/n распространяются n коротких импульсов-цугов с разными несущими частотами Ω_n (они задаются набором из n вспомогательных генераторов 9), с помощью которых осуществляется считывание местоположения дифрагированного пятна света, координата центра которого пропорциональна частоте измеряемого сигнала S(t). Повторно дифрагированный свет на n коротких импульсах-цугах через фокусирующую линзу 12 подается на n фотоприемников 13. Также как и в прототипе во вспомогательном АОД 11 апертура, равная ΣX_Σ = X_в-X_н, соответствует диапазону рабочих частот измерителя
Δf_Σ = ΔX_Σv₁/λF₁.
Формирование серии n коротких импульсов считывания, отстоящих друг от друга на приблизительно одинаковые временные отрезки, осуществляется с помощью набора линий задержек 8, набора вспомогательных генераторов 9 и сумматора 10. Формируются импульсы считывания передним фронтом сигнала S(t), который, пройдя делитель 5, детектируется детектором 6 и своим передним фронтом запускает формирователь 7, назначение которого состоит в инициировании запуска n измерителей временных интервалов 14 и n вспомогательных АОД 11. При этом, в отличие от прототипа, запуск этих устройств осуществляется последовательно во времени через набор линий задержек 8 с тем, чтобы рассредоточить в плоскости размещения вспомогательного АОД 11 (в пределах ΔX_Σ) начальное местоположение импульсов считывания. Таким образом, на пространственном отрезке апертуры вспомогательного АОД 11, равном ΔX_Σ, в пределах которого может перемещаться дифрагированный на S(t) луч лазера 1, размещается n импульсов считывания с частотами заполнения Ω_н, на каждом или на части из которых падающее лазерное излучение еще раз дифрагирует. При этом излучение каждый раз отклоняется на фиксированные разные углы, соответствующие частотам Ω_н "своего" цуга; т.е. каждому импульсу считывания соответствует свой угол отклонения повторно дифрагированного света

где v₂ - скорость ультразвука в теле вспомогательного АОД 11. Каждый считывающий импульс обслуживается отдельными линиями задержки 8, вспомогательным генератором 9, фотоприемником 13 и измерителем временных интервалов 14. По направлению углов θ_n повторной дифракции включены n фотоприемников 13 и n измерителей временных интервалов 14. Каждый из n измерителей временных интервалов 14 фиксирует время от начала движения своего n-го цуга считывания в теле АОД 11 до момента, когда он продифрагирует на световом пятне, местоположение которого соответствует частоте входного сигнала S(t). Таким образом, в предлагаемом измерителе осуществляется фиксация n временных интервалов, каждый из которых с учетом временных задержек устройств 8 пропорционален частоте входного сигнала. Сокращение же времени получения информации о частоте входного сигнала при последовательном обзоре Δf_Σ/ достигается за счет использования n считывающих импульсов и их предварительного размещения в пределах ΔX_Σ.
В заключение оценим в предлагаемом измерителе степень уменьшения времени получения информации о несущей частоте действующего на его входе сигнала, а также рассмотрим виды сигналов, для которых имеется возможность измерения частоты с повышенной точностью. Достаточно очевидно, что степень уменьшения упомянутого времени определяется числом используемых импульсов считывания и порядком их размещения по апертуре вспомогательного АОД 11. Как следует из фиг.4, для трех считывающих цугов и их ориентировочно равномерного расположения в пределах ΔX_Σ вспомогательного АОД 11, выигрыш составит примерно три раза.

При этом, как и в прототипе, время обзора полосы рабочих частот Δf_Σ ≡ ΔX_Σ остается равным Т_обз времени движения цуга вдоль всей апертуры вспомогательного АОД 11, на которую приходится Δf_Σ.
Что касается повышения точности, то в предлагаемой конфигурации измерителя это будет иметь место только для тех радиосигналов, длительность которых превышает время обзора Т_обз, т.е., если будут обеспечены условия, когда один и тот же сигнал S(t) будет считываться (измеряться) несколько раз. И, таким образом, за счет усреднения n измерений точность регистрации несущей частоты S(t) повысится в раз.

Предлагаемый акустооптический измеритель частоты радиосигналов, использующийся в качестве быстродействующего частотомера СВЧ диапазона длин волн, может быть выполнен на основе следующих элементов. Лазер 1 целесообразно использовать газовый Ne-Не, например типов ЛГН-219, ЛГН-208, ЛГН-224-1, или полупроводниковый видимого (ИЛПН-207) или инфракрасного диапазона. Сигнальный акустооптический дефлектор 3 для диапазона частот 500-3000 МГц может быть выполнен на основе таких материалов, как LiNbO₃ или РbМоO₄, а для диапазона частот менее 500 МГц он может быть выполнен на основе ТеO₂. Вспомогательный дефлектор 11 (низкочастотный и высокоэффективный) также может быть выполнен на основе Т_обз; не исключена возможность применения и промышленного дефлектора, например типа МЛ-201.

В качестве фотоприемников 13 в заявляемом измерителе целесообразно использовать как малогабаритные фотоприемные умножители, например, типов ФЭУ-147, ФЭУ-168 и др., так и полупроводниковые фотоприемники на основе ЛФД или p-i-n диодов.

К оптическим элементам, входящим в измеритель, особых требований не предъявляется. Коллиматор 2, интегрирующая 4 и фокусирующая 12 линзы могут быть выполнены по стандартной технологии, например, из стекла марки К8. В качестве коллиматора 2 возможно применение стандартного объектива. Что касается измерителей временных интервалов 14, то их реализация возможна на основе счетчиков калиброванных импульсов. В этом случае инициирование начала отсчета временных интервалов может осуществляться самим входным сигналом (через делитель 5, детектор 6, формирователь 7 и соответствующую линию задержки 8), а концом измеряемого временного интервала будет являться короткий импульс, снимаемый с фотоприемника 13. По количеству тактовых импульсов, вырабатываемых счетчиком, можно судить о длительности временного интервала и соответственно о частоте сигнала действующего на входе акустооптического измерителя.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве быстродействующего панорамного измерителя несущей частоты радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и радиоразведке. Техническим результатом является уменьшение времени вероятностного приема радиосигналов акустооптическим измерителем за счет уменьшения времени получения информации о частоте входного радиосигнала. В измеритель частоты радиосигналов, содержащий последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, интегрирующую линзу, вспомогательный акустооптический дефлектор, фокусирующую линзу и фотоприемник, выход которого включен на второй вход измерителя временных интервалов, причем измеряемый радиосигнал подается через делитель на электрический вход сигнального акустооптического дефлектора, а второй выход делителя нагружен на детектор и формирователь, выход которого через вспомогательный генератор включен на электрический вход вспомогательного акустооптического дефлектора и одновременно на первый вход измерителя временных интервалов, введено n линий задержек, n-1 вспомогательных генераторов с разными несущими частотами, n-1 фотоприемников, n-1 измерителей временных интервалов и сумматор, причем n входов линий задержек параллельно соединены с выходом формирователя, n выходов которых включены на n одноименных входов вспомогательных генераторов и на n одноименных первых входов n измерителей временных интервалов, а n выходов вспомогательных генераторов через сумматор соединены с электрическим входом вспомогательного акустооптического дефлектора, а n выходов фотоприемников соединены с n вторыми входами измерителей временных интервалов. 4 ил.

Измеритель частоты радиосигналов, содержащий последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, интегрирующую линзу, вспомогательный акустооптический дефлектор, фокусирующую линзу и фотоприемник, выход которого включен на второй вход измерителя временных интервалов, причем измеряемый радиосигнал подается через делитель на электрический вход сигнального акустооптического дефлектора, а второй выход делителя нагружен на детектор и формирователь, выход которого через вспомогательный генератор включен на электрический вход вспомогательного акустооптического дефлектора и одновременно на первый вход измерителя временных интервалов, отличающийся тем, что в него введены n линий задержек, n-1 вспомогательных генераторов с разными несущими частотами, n-1 фотоприемников, n-1 измерителей временных интервалов и сумматор, причем n входов линий задержек параллельно соединены с выходом формирователя, n выходов линий задержек включены на n одноименных входов вспомогательных генераторов и на n одноименных первых входов n измерителей временных интервалов, а n выходов вспомогательных генераторов через сумматор соединены с электрическим входом вспомогательного акустооптического дефлектора, а n выходов фотоприемников соединены с n вторыми входами измерителей временных интервалов.