АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК G01R23/17 

Предполагаемое изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя мгновенной частоты радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и пассивной радиолокации.

Известен (см. фиг.1) акустооптический 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 1, вспомогательный дефлектор 2, управляемый низкочастотным сигналом, высокочастотный дефлектор 3, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза 4, регистрирующее устройство - фотоприемник 5, в качестве которого используется фотоэлектронный умножитель, а также измеритель временных интервалов 6 с устройством управления 7; 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 только одного фотоприемника и одного измерителя временных интервалов, которые дают один отсчет частоты.

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

Известен также акустооптческий приемник - частотомер (Роздобудько В.В. Акустооптический СВЧ частотомер последовательного типа // Радиотехника. - 1991. - №12. - с.81-86.), включающий в своем составе последовательно расположенные лазер, коллиматор, генератор линейных частотно-модулированных колебаний (ЛЧМ генератор), работающий в автоколебательном или ждущем режиме, вспомогательный дефлектор, формирователь импульса запуска, оптическую систему переноса изображения, высокочастотный дефлектор, на электрический вход которого подается входной радиосигнал, фокусирующую оптическую систему, фотоприемник и измеритель временных интервалов.

Принцип действия данного аналога заключается в следующем. Передним фронтом измеряемого входного сигнала формируется импульс запуска ЛЧМ генератора и измерителя временных интервалов. Под действием ЧМ колебаний вспомогательный дефлектор сканирует угол падения света и соответственно перестраивает частотную область акустооптического взаимодействия высокочастотного дефлектора. Фотоприемник “откликается” в момент совпадения частоты входного сигнала и перестраиваемой узкополосной частотной области акустооптического 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.

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

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является наличие только одного фотоприемника и одного измерителя временных интервалов, которые дают один отсчет частоты.

Признаками второго аналога, совпадающими с признаками предполагаемого изобретения, являются последовательно включенные (по свету) лазер, коллиматор, высокочастотный дефлектор, интегрирующая линза, вспомогательный дефлектор, а также фотоприемник и измеритель временных интервалов.

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 / Кулаков С.В. Л.: Наука. - 1978. - 144 с., на стр.38 - см. фиг.2). Устройство-прототип (фиг.2) содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер 1, коллиматор 2, высокочастотный дефлектор 3, интегрирующую линзу 4, вспомогательный дефлектор 5 и фотоприемник 6, причем фотоприемник соединен с входом измерителя временных интервалов 7. В качестве измерителя временных интервалов в прототипе 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, высокочастотный дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза, вспомогательный дефлектор, фотоприемник и измеритель временных интервалов.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является наличие только одного фотоприемника и измерителя временных интервалов, которые могут зафиксировать измерение только одного временного интервала, одну частоту. Сигналы с другими несущими частотами не попадут на вход единственного фотоприемника. Последняя особенность является принципиальной, поскольку она положена в основу улучшения характеристик прототипа.

Задачей, на решение которой направленно предполагаемое изобретение, является повышение разрешающей способности при приеме одновременных разнесенных по частоте сигналов.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в повышении разрешающей способности в несколько раз.

Технический результат достигается тем, что в акустооптический измеритель параметров радиосигналов, содержащий последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, высокочастотный дефлектор, первую интегрирующую линзу, вспомогательный дефлектор, первый фотоприемник и первый измеритель временных интервалов, введены вторая интегрирующая линза, расположенная между вспомогательным дефлектором и первым фотоприемником, а также (n-1) фотоприемников, (n-1) измерителей временных интервалов и устройство управления, причем выходы (n-1) фотоприемников соединены с одноименными входами (n-1) измерителей временных интервалов, другие входы всех измерителей временных интервалов соединены с одноименными выходами устройства управления, а вход акустооптического измерителя через делитель мощности подключен ко входам устройства управления и высокочастотного дефлектора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлена структурная схема акустооптического анализатора спектра последовательного типа с пространственным интегрированием, на фигуре 2 представлена структурная схема акустооптического анализатора спектра со считыванием продифрагированного светового распределения с помощью вспомогательного (зеркального биморфного) дефлектора, на фигуре 3 представлена структурная схема заявляемого акустооптического измерителя параметров радиосигналов, а на фигуре 4 представлены эпюры напряжений в контрольных точках.

Предлагаемый акустооптический измеритель параметров радиосигналов (фиг.3) содержит лазер 1, коллиматор 2, высокочастотный дефлектор 3, первую интегрирующую линзу 4, делитель мощности 5, вспомогательный дефлектор 9, вторую интегрирующую линзу 10, n фотоприемников 11-1,..., 11-n, n измерителей временных интервалов 12-1,..., 12-n и устройство управления 15, содержащее амплитудный детектор 6, формирователь видеоимпульсов 7, n линий задержки 8-1,..., 8-n, n генераторов высокочастотных радиоимпульсов 13-1,..., 13-n, сумматор 14.

Заявляемый акустооптический измеритель параметров радиосигналов работает следующим образом. Принцип работы описывается по схеме фиг.3 с помощью эпюр напряжений на фиг.4.

Входной сигнал через делитель мощности 5 поступает на высокочастотный дефлектор 3 и вызывает отклонение оптического луча от лазера 1 на угол, зависящий от значения частоты входного сигнала. Коллиматор 2 формирует требуемый диаметр луча лазера. Первая интегрирующая линза 4 фокусирует луч лазера. Вспомогательный дефлектор 9 отклоняет луч лазера на угол Брэгга, при этом отклоненный луч, пройдя через вторую интегрирующую линзу 10, попадает на один из фотоприемников 11-1,..., 11-n, где продетектируется. Измерители временных интервалов 12-1,..., 12-n измеряют счетно-импульсным методом временной интервал между стартовым импульсом, поступившим от устройства управления 15 (фиг.4е-з), и стоповым импульсом, поступившим от одного из фотоприемников 11-1,..., 11-n (фиг.4н-р). Измеренный временной интервал пропорционален коду частоты, поэтому выходной информацией предлагаемого акустооптического измерителя параметров радиосигналов является код частоты (фиг.4ф-ц).

Устройство управления 15 работает следующим образом. Его входной радиосигнал (фиг.4а-в) детектируется амплитудным детектором 6, с помощью формирователя видеоимпульсов 7 формируется сигнал логического уровня, который задерживается в линиях задержки 8-1,..., 8-n и разновременно запускает генераторы высокочастотных радиоимпульсов 13-1,..., 13-n. Радиоимпульсы от n генераторов высокочастотных радиоимпульсов суммируются в сумматоре 14 и поступают на вход вспомогательного дефлектора.

Таким образом, при поступлении нескольких одновременных радиосигналов на вход акустооптического измерителя параметров сигналов на выходе вспомогательнго дефлектора возникают разновременные сигналы, поступающие на разные фотоприемники и на разные измерители временных интервалов, что позволяет достичь положительный эффект.

Предлагаемый акустооптический измеритель параметров 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-223, ЛГН-208, или полупроводниковый - видимого (ИЛПН-207), или инфракрасного диапазона.

Высокочастотный дефлектор для диапазона частот (500-3000) МГц может быть выполнен на основе таких материалов, как LiNbО₃ или РbМоO₄, а для диапазона частот менее 500 МГц высокочастотные дефлекторы могут быть выполнены на основе ТеO₂. Вспомогательные дефлекторы (низкочастотные и высокоэффективные) также могут быть выполнены на основе ТеО₂; не исключена возможность применения и промышленных изделий, например, типа МЛ-201.

В качестве фотоприемников 11 в предлагаемом акустооптическом измерителе параметров радиосигналов можно использовать как малогабаритные фотоэлектронные умножители, например, типов ФЭУ-147, ФЭУ-148 и другие, так и полупроводниковые фотоприемники на основе ЛФД или p-i-n диодов.

Что касается измерителя временных интервалов 12, то его реализация возможна на основе счетчика калиброванных импульсов. В этом случае инициирование начала отсчета временного интервала осуществляется устройством управления 15, а концом измеряемого временного интервала является короткий импульс, снимаемый с выхода фотоприемника 11; по количеству тактовых импульсов, вырабатываемых счетчиком, можно судить о длительности временного интервала и соответственно о частоте сигнала на входе акустооптического измерителя параметров радиосигналов.

Устройство управления 15 представляет собой следующее. Амплитудный детектор 6 может быть реализован в виде серийно выпускаемого изделия М33403 бШ2.245.115ТУ. Формирователь видеоимпульсов 7 может быть выполнен на микросхеме компаратора типа 521СА2 бК0.347.015ТУ1. Линии задержки 8-1,8-2,..., 8-n могут быть выполнены на серийных линиях задержки МЛЗ - 0,25-600 ЭР 0.206.017 ТУ. Генераторы высокочастотных радиоимпульсов 13-1,13-2,..., 13-n могут быть выполнены на микросхемах автогенераторов типа 530ГГ1. Сумматор 14 может быть выполнен на резисторах.

К оптическим элементам, входящим в измеритель, особых требований не предъявляется; и коллиматор 2 и обе интегрирующие линзы 4 и 10 могут быть выполнены по стандартной технологии, например из стекла марки К8. В качестве коллиматора 2 возможно применение стандартного объектива.

Технике - экономическим преимуществом предполагаемого изобретения по сравнению с известными устройствами является повышение разрешающей способности при приеме одновременных разнесенных по частоте при следующих типовых параметрах элементной базы акустооптического измерителя параметров 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 и ЛФД.

Акустооптический измеритель параметров радиосигналов содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, высокочастотный дефлектор, первую интегрирующую линзу, вспомогательный дефлектор, устройство управления, n фотоприемников, соединенных с одноименными n измерителями временных интервалов. Между вспомогательным дефлектором и фотоприемниками введена вторая интегрирующая линза, причем другие входы всех измерителей временных интервалов соединены с одноименными выходами устройства управления, дополнительный выход устройства управления соединен со входом вспомогательного дефлектора. Вход акустооптического измерителя параметров радиосигналов через делитель мощности подключен ко входам устройства управления и высокочастотного дефлектора. Устройство управления содержит последовательно соединенные амплитудный детектор и формирователь видеоимпульсов, выход которого соединен со входами n линий задержки, выходы которых соединены с n одноименными выходами устройства управления непосредственно, а с дополнительным выходом - через n генераторов высокочастотных радиоимпульсов и сумматор. Обеспечивается повышение разрешающей способности. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Акустооптический измеритель параметров радиосигналов, содержащий последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, высокочастотный дефлектор, первую интегрирующую линзу, вспомогательный дефлектор, первый фотоприемник и первый измеритель временных интервалов, причем первый фотоприемник соединен с входом первого измерителя временных интервалов, отличающийся тем, что введены устройство управления, (n-1) фотоприемников, соединенных с одноименными (n-1) измерителями временных интервалов, а между вспомогательным дефлектором и фотоприемниками введена вторая интегрирующая линза, причем другие входы всех измерителей временных интервалов соединены с одноименными выходами устройства управления, дополнительный выход устройства управления соединен со входом вспомогательного дефлектора, а вход акустооптического измерителя параметров радиосигналов через делитель мощности подключен ко входам устройства управления и высокочастотного дефлектора.2. Акустооптический измеритель по п.1, отличающийся тем, что устройство управления содержит последовательно соединенные амплитудный детектор и формирователь видеоимпульсов, причем выход формирователя видеоимпульсов соединен со входами n линий задержки, выходы линий задержки соединены с n одноименными выходами устройства управления непосредственно, а с дополнительным выходом, соединенным с вспомогательным дефлектором, - через одноименные n генераторов высокочастотных радиоимпульсов и сумматор.