ПАНОРАМНЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК-ЧАСТОТОМЕР Российский патент 2004 года по МПК G01R23/17 H04B10/06 

Предлагаемое изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя частоты радиосигналов в широкополосных системах связи, радиолокации и радиоразведке.

Известен (см. фиг.1) акустооптический (АО) анализатор спектра последовательного типа с пространственным интегрированием (опубликован. в кн.: Голография и обработка информации // Под ред. проф. С.Б. Гуревича. - Л.: Наука. - 1976. - 196 с.; на стр. 110), в состав которого входят последовательно по свету включенные лазер, низкочастотный АО дефлектор, управляемый низкочастотным (НЧ) сигналом, формируемым устройством управления, высокочастотный АО 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 частоте входного радиосигнала судят по результатам измерения осциллографом длительности временного интервала, начало которому задает устройство управления, а окончанием измеряемого временного интервала является продетектированный световой сигнал, снимаемый с выхода фотоприемника.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются недостаточные точность измерения частоты и разрешающая способность АО анализатора. В данном аналоге точность измерения частоты связана с точностью регистрации соответствующего временного интервала, которая, в свою очередь, зависит от формы, длительности и амплитуды продетектированного светового импульса, являющегося “реакцией” на входной радиосигнал. Что касается разрешения по частоте, то этот параметр определяется числом угловых положений луча лазерного излучения, задаваемым НЧ акустооптическим дефлектором, которое у современных дефлекторов не превышает N≤(100-500) единиц; в аналоге разрешение по частоте ориентировочно не может превышать значения, равного Δf_p=ΔfΣ/N, где ΔfΣ - полоса рабочих частот анализатора.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются последовательно по свету включенные лазер, низкочастотный АО дефлектор, управляемый сигналом, формируемым устройством управления, высокочастотный АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, регистрирующее устройство - фотоприемник, а также измеритель временных интервалов с устройством управления.

Известен АО анализатор спектра со считыванием продифрагированного светового распределения с помощью вспомогательного (зеркального, биморфного) дефлектора; он опубликован в кн.: Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа сигналов // С.В. Кулаков. - Л.: Наука. - 1978. - 144 с. - на стр. 38. Устройство-аналог (см. фиг.2) содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, сигнальный АО дефлектор, интегрирующую линзу, вспомогательный дефлектор и фотоприемник, причем фотоприемник соединен с входом измерителя временных интервалов, в качестве которого применяется осциллограф, осуществляющий на экране развертку интенсивности светового распределения, несущего информацию о квадрате модуля спектральной плотности анализируемого сигнала. В данном аналоге временное местоположение (координата) максимума спектральной плотности мощности входного радиосигнала однозначно связано с его центральной частотой. Признаками этого аналога, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно включенные лазер, коллиматор, сигнальный АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза, вспомогательный дефлектор, управляемый сигналом, формируемым устройством управления, фотоприемник и измеритель временных интервалов, один из входов которого соединен с устройством управления.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является недостаточная точность измерения частоты, что обусловлено, главным образом, использованием в данном аналоге в качестве измерителя временных интервалов осциллографа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: панорамный АО приемник-частотомер, описанный в статье: Роздобудько В.В. Акустооптический СВЧ частотомер последовательного типа // Радиотехника. - 1991. - №12. - с.81-86. Устройство-прототип (см. фиг.3) в своем составе содержит последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, управляющий АО дефлектор, оптическую систему переноса изображения, сигнальный АО дефлектор, оптическую согласующую систему и широкоапертурный фотоприемник, соединенный с одним из входов измерителя временных интервалов, а также формирователь импульсов и генератор управляющих сигналов, в качестве которого применяется генератор линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов, перестраиваемый в полосе частот ΔΩ; в устройстве-прототипе входной радиосигнал подается на электрический вход сигнального АО дефлектора и на вход формирователя импульсов, выход которого соединен со входом генератора управляющих сигналов, включенного на электрический вход управляющего АО дефлектора и одновременно на второй вход измерителя временных интервалов.

Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, управляющий АО дефлектор, оптическая система переноса изображения, сигнальный АО дефлектор, оптическая согласующая система и широкоапертурный фотоприемник, нагруженный на вход измерителя временных интервалов, а также формирователь импульсов и генератор управляющих сигналов.

Конкретно же работа устройства прототипа связана с применением в его составе сигнального АО дефлектора, функционирующего в так называемом режиме авторасстройки, теория которого изложена в работах: Роздобудько В.В. Полоса взаимодействия в акустооптических дефлекторах в режиме авторасстройки // Изв. ВУЗов СССР - Радиоэлектроника. - 1991. - №8. - с.53-56; Баренбойм А.Б., Невский Ю.Е. Режим авторасстройки угла Брэгга в акустооптических ячейках с многоэлементными пьезопреобразователями // Радиофизика. - 1989. - №1. - с.125-128.

Устройство-прототип работает следующим образом. Передним фронтом измеряемого входного радиосигнала формируется импульс запуска генератора управляющих (ЛЧМ) сигналов и измерителя временных интервалов. Под действием ЧМ колебаний управляющий АО дефлектор сканирует угол падения света и, соответственно, перестраивает частотную область АО взаимодействия сигнального АО дефлектора. Широкоапертурный фотоприемник “откликается” в момент совпадения частоты входного сигнала и перестраиваемой узкополосной частотной области АО взаимодействия. Выход широкоапертурного фотоприемника соединен со вторым входом измерителя временных интервалов. При этом длительность регистрируемого временного интервала отсчитывается от момента запуска измерителя временных интервалов до момента появления отклика с выхода фотоприемника. Таким образом, в прототипе формируется временной интервал, пропорциональный частоте входного радиосигнала, который и фиксируется измерителем временных интервалов.

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

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в повышении точности измерения частоты на порядок в сопоставлении с прототипом и аналогами.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в панорамный акустооптический приемник-частотомер после оптической согласующей системы по направлению дифрагированного луча света дополнительно введены следующие элементы: светоделитель, линейка фотоприемников (ФПУ), набор видеоусилителей, набор пороговых устройств, решающее устройство и сумматор. Функциональное назначение набора перечисленных элементов состоит в уточнении частоты измеряемого радиосигнала в пределах диапазона рабочих частот, задаваемого управляющим дефлектором для одного из углов падения света на сигнальный акустооптический дефлектор.

Для достижения технического результата в панорамный акустооптический приемник-частотомер, содержащий последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, управляющий акустооптический дефлектор, оптическую систему переноса изображения, сигнальный акустооптический дефлектор, оптическую согласующую систему и широкоапертурный фотоприемник, соединенный с одним из входов измерителя временных интервалов, а также последовательно включенных формирователя импульсов и генератора управляющих сигналов, подаваемых на вход управляющего акустооптического дефлектора, причем входной радиосигнал в приемнике-частотомере подается на электрический вход сигнального акустооптического дефлектора и одновременно на вход формирователя импульсов, выход которого нагружен на второй вход измерителя временных интервалов, в него после оптической согласующей системы по направлению дифрагированного луча света последовательно включены светоделитель, линейка фотоприемников, набор видеоусилителей, набор пороговых устройств, решающее устройство и сумматор, причем выходы линейки фотоприемников последовательно соединены с набором видеоусилителей, набором пороговых устройств и решающим устройством, выход которого, а также выход измерителя временных интервалов соединены со входом сумматора.

Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом рассмотрим принцип работы прототипа и, в частности, работу сигнального АО дефлектора, функционирующего в так называемом режиме авторасстройки, характерном для акустооптических дефлекторов, в которых возбуждение звука осуществляется системой (решеткой) противофазных преобразователей, в том числе встречно-штыревых преобразователей (ВШП). В последнем случае в АО дефлекторах в качестве звукопровода применяются пьезоэлектрические кристаллы, а возбуждение ультразвука осуществляется системой металлических электродов непосредственно с поверхности пьезокристалла (см.: Роздобудько В.В. Исследование АЧХ акустооптического СВЧ дефлектора с возбуждением звука системой встречно-штыревых преобразователей // Изв. ВУЗов СССР -Радиоэлектроника. - 1991. - №9. - с.42-46).

Рассмотрим эквидистантный ВШП - преобразователь, расположенный на поверхности изотропного пьезоэлектрика с кристаллографическими осями X, Y и Z, предположив, что его ширина L составляет много периодов - d (см. фиг.4), а высота в направлении оси Y значительно превосходит его остальные геометрические размеры.

Каждая пара электродов ВШП может рассматриваться как источник объемных акустических волн, причем каждая пара электродов возбуждает звуковую волну, сдвинутую по фазе на 180° по сравнению с соседней.

В данном случае эти электроды представляют собой систему противофазных ненаправленных излучателей (встречающуюся в радионавигационных устройствах) с большой базой, поскольку d>>Λ, где Λ=ϑ/f - длина волны ультразвуковых колебаний.

При этом полная мощность объемных волн, генерируемых ВШП, будет относительно большой в том случае, если волны, возбуждаемые отдельными электродами, будут суммироваться когерентно. Если d - период расположения электродов ВШП, то это условие будет удовлетворяться для объемной волны, распространяющейся под углом θ к поверхности расположения ВШП, так что длина генерируемой волны Λ=dcosθ.

Отсюда f=ϑ/dcosθ, где f - частота, ϑ - скорость объемной волны. Угловое распределение амплитуды звукового поля S(ϕ,z), излучаемого решеткой ВШП в дальней зоне, описывается выражением

в котором S_n - амплитуды генерируемых объемных звуковых волн по направлениям ϕ_n;

эти направления определяются как

их общее число определяется из условия а амплитуды S_n изменяются по закону 2/nπ.

При этом амплитуды S_n, соответствующие n=±1, значительно превосходят остальные, потому выражение (1) можно записать в виде:

где

S₀ - амплитуда звуковой волны в плоскости расположения ВШП;

Каждый из двух лепестков диаграммы направленности (ДН) S(ϕ,z) ВШП в пределах δϕ≈Λ/L=ϑ/fL, по направлениям ϕ±, изменяющихся с частотой как ϕ±=ϑ/2df, содержит (2/π)² суммарной мощности Р_ак=(S₀)² звука, возбуждаемой в плоскости расположения ВШП.

В свою очередь, в приближении "плоского поля" взаимосвязь между мощностью акустических колебаний Р_ак и тангенциальной Е_х составляющей электрического поля Е, действующего на верхней грани пьезоэлектрического кристалла, может быть выражена посредством

где k - коэффициент электромеханической связи,

ε - диэлектрическая проницаемость кристалла в направлении приложенного поля,

(m-1)ab - площадь излучения с полем Е_х,

b и а - длина и ширина электродов ВШП.

Последнее может быть рассчитано по формуле

где

G(Δ) - параметр, определяемый выражением

- в данном случае эллиптический интеграл первого рода;

Р_m(cosΔ) - полином Лежандра.

Таким образом, из предпринятого рассмотрения следует, что ВШП в дальней зоне возбуждает два ультразвуковых пучка с одинаковой мощностью Р_ак, расходимостью, равной δϕ=ϑ/fL, углы отклонения которых изменяются с частотой входного сигнала в соответствии ϕ±=ϑ/2df.

При подаче на один из звуковых лучей лазерного излучения нормированная АЧХ АО взаимодействия может быть описана соотношением

в котором функция sincχ=sinχ/χ;

m - в данном случае число электродов в ВШП;

F=(f-f₀)/f₀ - безразмерная частота;

f₀ - центральная частота АО взаимодействия, выбранная из условия θ_Б(f)=ϕ₊(f);

Θ_П - нормированный к углу Брэгга на частоте f₀ угол падения света на боковую грань АО дефлектора.

Из анализа соотношения (4) следует, что при работе АО дефлектора в режиме авторасстройки, т.е. с таким углом падения θ_П света, когда с изменением частоты угол падения света θ_П и угол отклонения одного из лучей ДН ВШП изменяются в противоположные стороны, центральная частота АО взаимодействия f_ц, равная

где знаки ± соответствуют

перестраивается в пределах двух октав: от до

При этом полоса АО взаимодействия в первом приближении, равная ΔF=f₀/(m-1), что также следует из соотношения (4), сохраняет свое постоянное значение во всем диапазоне перестройки, т.е. при всех углах падения света. Дифрагировавший свет локализован в пространстве в направлении θd₁=λf₀/nϑ, не зависящем от частоты входного сигнала, причем интервал изменения угла дифракции, в пределах которого интенсивность света отлична от нуля, составляет

Таким образом, наличие причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом определяется тем фактом, что в предлагаемом приемнике-частотомере значение частоты входного сигнала в пределах грубой частотной дискреты дополнительно уточняется путем включения в схему приемника линейки ФПУ, набора видеоусилителей, пороговых устройств и решающего устройства. При этом перечисленный набор элементов функционирует только потому, что, как показано выше, дифрагированный свет во всем диапазоне рабочих частот локализован в пространстве и изменяет свое направление только в пределах Δθ_d1 или в пределах грубой частотной дискреты ~ ΔF.

На фиг.5 представлена структурная схема заявляемого панорамного АО приемника-частотомера, в котором обзор полосы рабочих частот ΔfΣ осуществляется последовательно за время Т_обз с дискретностью ΔF, а при обнаружении в полосе ΔF радиосигнала его частота уточняется - измеряется параллельной частью приемника с повышенной точностью.

Позиции на фиг.5 обозначают: 1 - лазер, 2 - коллиматор, 3 -управляющий АО дефлектор, 4 - генератор управляющих сигналов, 5 - формирователь импульсов, 6 - оптическая система переноса изображения, 7 - сигнальный АО дефлектор, 8 - оптическая согласующая система, 9 - светоделитель, 10 - фотоприемник, 11 - измеритель временных интервалов, 12 - линейка фотоприемников, 13 - набор видеоусилителей, 14 - набор пороговых устройств, 15 - решающее устройство, 16 - сумматор.

Работает предлагаемый панорамный АО приемник-частотомер следующим образом.

Лазерный источник света 1 с длиной волны λ через коллиматор 2, назначение которого состоит в формировании пучка света заданной геометрии, падает под углом Брэгга на управляющий АО дефлектор 3.

По приходу на вход панорамного АО приемника-частотомера измеряемого сигнала его передний фронт формирователем импульсов 5 инициирует запуск измерителя временных интервалов 11, который начинает отсчет времени. Одновременно формирователь импульсов 5 запускает генератор управляющих сигналов 4, который автоматически осуществляет запуск последовательности радиоимпульсов с разными частотами Ω₁, Ω₂, Ω₃... заполнения и выходной мощностью P₁, Р₂, Р₃....

Набор частот и мощностей - Ω_n, Р_n, генерируемых генератором управляющих сигналов 4, таков, что при их подаче на пьезопреобразователь управляющего АО дефлектора 3, он последовательно формирует перестраиваемый по углу световой пучок, который, пройдя через оптическую систему переноса изображения 6, падает под разными углами θ₁, θ₂, θ₃.... Этим углам падения соответствуют различные области АО взаимодействия в сигнальном АО дефлекторе 7. Выбор частот Ω_n и углов падения θ_n таков, что им соответствующие частотные области одинаковой ширины ΔF=f₀/(m-1) перекрываются на одинаковом уровне своей неравномерности.

При этом равенство интенсивностей дифрагированного света на выходе сигнального АО дефлектора 7 обеспечивается путем выбора (задания) уровней мощностей сигналов Р₁, Р₂, Р₃.... Последнее иллюстрируется фиг.6, на верхней части которого - фиг.6,а - изображена сформированная генератором управляющих сигналов 4 последовательность радиоимпульсов с частотами заполнения Ω_n, а на фиг.6,б показаны АЧХ сигнального АО дефлектора 7, имеющие место при различных углах падения света θ_n на его боковую грань.

Таким образом, сигнальным АО дефлектором 7 обеспечивается возможность формирования перестраиваемой по частоте узкополосной области АО взаимодействия, форма и параметры которой не изменяются в диапазоне рабочих частот.

При попадании частоты измеряемого СВЧ радиосигнала в одну из этих областей лазерное излучение еще раз дифрагирует и с помощью оптической согласующей системы 8 через светоделитель 9 попадает на фотоприемник 10. Продетектированный световой сигнал, снимаемый с выхода фотоприемника 10, прекращает работу измерителя временных интервалов 11.

Измерителем 11 формируется временной интервал, длительность которого с точностью до Δt/2 (или ΔF/2) пропорциональна частоте измеряемого сигнала.

Часть продифрагировавшего на измеряемом сигнале в сигнальном АО дефлекторе 7 лазерного излучения через светоделитель 9 попадает на линейку фотоприемников 12. С помощью набора видеоусилителей 13, набора пороговых устройств 14 и решающего устройства 15 определяется номер центрального из группы "засвеченных" фотодиодов в линейке фотоприемных устройств 12. Поскольку на линейку 12 с общим числом фотодиодов NΣ "приходится" полоса рабочих частот, равная ΔF, то точность регистрации частоты входного радиосигнала составляет 0,5 частотной дискреты или

Сказанное также иллюстрируется на фиг.6,б, где изображено дифрагированное пятно света, попадающее на линейку фотоприемников 12; местоположение максимума дифрагированного пятна света и соответствует несущей частоте измеряемого радиосигнала. С выхода измерителя временных интервалов - 11 сигнал в виде кода грубого значения частоты и с выхода решающего устройства - 15 сигнал в виде кода точного значения частоты поступает на входы сумматора 16, с выхода которого потребителю предъявляются частотные параметры измеряемого радиосигнала.

В заключение оценим степень повышения точности измерения частоты и разрешения предлагаемым устройством.

В прототипе и аналогах эта точность, определяемая числом частотных областей АО взаимодействия - ΔF, укладывающихся в пределах полосы рабочих частот приемника ΔfΣ, составляет величину, равную ~ 0,5ΔF.

В предлагаемом частотомере точность определения частоты зависит от числа NΣ фотодиодов в применяемой линейке ФПУ и в абсолютном отношении составляет величину

Таким образом, увеличение точности будет равно Что касается частотного разрешения, то в предлагаемом АО приемнике значение этого параметра определяется размером временной апертуры сигнального АО дефлектора, которая может составить величину, равную единицам МГц и, таким образом, в десятки раз превысить частотное разрешение прототипа, равное 10-80 МГц.

Предлагаемый панорамный акустооптический приемник-частотомер включает в себя набор элементов, параметры которых характерны для сегодняшнего промышленного уровня развития акустооптики. В частности, для диапазона частот (500-2000) МГц частотомер может быть выполнен на основе следующей отечественной акустооптической элементной базы.

Лазер 1 целесообразно использовать газовый Ne-He, например, типов ЛГН-219, ЛГН-223, ЛГН-208, или полупроводниковый видимого (ИЛПН-207) или инфракрасного диапазона. Сигнальный акустооптический дефлектор для указанного диапазона частот может быть выполнен на основе такого материала, как LiNbO₃. В качестве возбудителя звука в этом дефлекторе должна быть система противофазных преобразователей, например, выполненных на основе ZnO, или же возбуждение звука может осуществляться непосредственно с поверхности LiNbO₃ системой электродов типа ВШП. Примеры практической реализации (в том числе промышленной) таких сигнальных дефлекторов известны: см., например, Роздобудько В.В. Исследование АЧХ акустооптического СВЧ дефлектора с возбуждением звука системой встречно-штыревых преобразователей // Радиоэлектроника. -1991. - №9. - с.42-46.

Управляющий АО дефлектор 3 - низкочастотный и высокоэффективный также может быть выполнен на основе LiNbO₃ или ТеО₂; не исключена возможность применения промышленных АО дефлекторов, например, типа МЛ-201 и др.

В качестве фотоприемника 10 целесообразно применение p-i-n либо лавинного фотодиодов типа ЛФД-2.

Линейка фотоприемников 13 может быть реализована на основе отечественных фотоматриц типов ФПУ-14 или МФ-14. Что касается измерителя временных интервалов 11, то его реализация возможна, например, на основе счетчика калиброванных импульсов. В этом случае инициирование начала отсчета временного интервала осуществляется формирователем импульсов 5, а концом измеряемого временного интервала является короткий импульс, снимаемый с выхода фотоприемника 10. По количеству тактовых импульсов, вырабатываемых счетчиком, можно судить о длительности временного интервала и соответственно о частоте радиосигнала на входе панорамного АО приемника-частотомера.

К оптическим элементам, входящим в заявляемое устройство, особых требований не предъявляется: коллиматор 2, оптическая система переноса изображения 6, оптическая согласующая система 8 и светоделитель 9 могут быть выполнены по стандартной технологии, например, из стекла марки К8. В качестве коллиматора 2 возможно применение стандартного объектива.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя частотных параметров радиосигналов в широкополосных системах связи, радиолокации и радиоразведке. Заявленное устройство состоит из лазера, коллиматора, управляющего акустооптического дефлектора, оптической системы переноса изображения, сигнального акустооптического дефлектора, оптической согласующей системы, широкоапертурного фотоприемника, измерителя временных интервалов, формирователя импульсов, генератора управляющих сигналов, светоделителя, линейки фотоприемников, набора видеоусилителей, набора пороговых устройств, решающего устройства и сумматора. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности измерения частоты радиосигналов. 6 ил.

Панорамный акустооптический приемник-частотомер, содержащий последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, управляющий акустооптический дефлектор, оптическую систему переноса изображения, сигнальный акустооптический дефлектор, оптическую согласующую систему и широкоапертурный фотоприемник, соединенный с одним из входов измерителя временных интервалов, а также формирователь импульсов, который запускает генератор управляющих сигналов, подаваемых на вход управляющего акустооптического дефлектора, причем входной радиосигнал в приемнике-частотомере подается на электрический вход сигнального акустооптического дефлектора и одновременно на вход формирователя импульсов, выход которого соединен со вторым входом измерителя временных интервалов, отличающийся тем, что в него после оптической согласующей системы по направлению дифрагированного луча света включены светоделитель, линейка фотоприемников, набор видеоусилителей, набор пороговых устройств, решающее устройство и сумматор, причем выходы линейки фотоприемников последовательно нагружены на набор видеоусилителей, набор пороговых устройств и решающее устройство, выход которого, а также выход измерителя временных интервалов включены на вход сумматора.