СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ РАДИОСИГНАЛА В АКУСТООПТИЧЕСКОМ ПРИЕМНИКЕ-ЧАСТОТОМЕРЕ Российский патент 2011 года по МПК G02F1/33 G01R23/00 

Предлагаемое изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения частоты частотно-определительными устройствами, метрологические параметры которых меняются под воздействием дестабилизирующих факторов.

Известен (см. фиг.1) способ измерения несущей частоты радиосигналов, реализованный в акустооптическом процессоре (Гуревич А.С., Нахмансон Г.С. Обнаружение и измерение частоты узкополосных радиосигналов на фоне помех в акустооптоэлектронном спектроанализаторе // Известия ВУЗов СССР - Радиоэлектроника. - 1981. - Т.24. - №4. - С.26-33), заключающийся в том, что сигнал S(t), частота которого подлежит измерению, подают на электрический вход акустооптического дефлектора 2, где он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует лазерное излучение 1, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью линзы 3 выполняют операцию оптического интегрирования с последующим детектированием при помощи линейки фотоприемников 4, состоящей из дискретного набора фотодиодов, формирующих набор видеосигналов, обрабатывая которые электронной системой 5 и решающим устройством 6, определяют порядковый номер фотодиода с максимальным уровнем сигнала и значение частоты сигнала S(t), соответствующей найденному номеру.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акустооптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция оптического интегрирования (операция Фурье-преобразования в заявляемом способе), детектирование светового сигнала линейкой фотоприемников с формированием на их выходах видеосигналов, уровни которых пропорциональны распределению интенсивности светового сигнала, последующая сортировка уровней видеосигналов и вычисление частоты радиосигнала.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкая точность измерения частоты радиосигналов, которая для полосы рабочих частот процессора Δf_Σ и числа фотодиодов N в линейке фотоприемников не превышает величины 0,5(Δf_Σ/N), что соответствует половине частотного интервала между фотодиодами.

Известен также способ (см. фиг.2) измерения несущей частоты радиосигналов, реализованный в акустооптическом приемнике-частотомере (Роздобудько В.В., Дикарев Б.Д. Высокоточный акустооптический приемник-частотомер комбинированного типа // Радиотехника. 2003. - №9. - С.31-36), заключающийся в том, что сигнал S(t), частота которого подлежит измерению, подают на электрический вход акустооптического дефлектора, где он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует лазерное излучение, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью интегрирующей линзы 3 выполняют операцию Фурье-преобразования и детектирование при помощи линейки фотоприемников 4, формирование на их выходах видеосигналов, которые усиливают затем видеоусилителями 7, сравнивают с пороговым уровнем в пороговых устройствах 8 (при превышении порогового уровня уровнем видеосигнала пороговое устройство срабатывает) с последующим грубым определением частоты радиосигнала регистрирующим устройством I-9 и уточнением частоты с использованием коммутатора 10, дискриминатора 11 и регистрирующего устройства II-12 путем сопоставления уровней сигналов U_n и U_з, снимаемых с двух крайних фотодиодов, уровни которых превышают уровень 14 (фиг.3) срабатывания пороговых устройств, и путем уточнения положения максимума распределения светового сигнала 13 (фиг.3), продетектированного фотодиодами линейки фотоприемников.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акустооптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция Фурье-преобразования, детектирование светового сигнала фотодиодами линейки фотоприемников, формирование на их выходах видеосигналов с последующей обработкой и вычислением частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, продетектированного фотодиодами.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является недостаточная точность измерения частоты радиосигналов при значительном усложнении схемы устройства. Точность измерения частоты в этом способе-аналоге неприемлемо низка из-за того, что она определяется не только техническим решением, являющимся существом способа, но и дестабилизирующими факторами, изменяющими (во времени) положение оси симметрии распределения светового сигнала, облучающего N-элементную линейку фотодиодов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ-прототип, реализованный в акустооптическом частотомере (фиг.4) (Роздобудько В.В. Широкополосные акустооптические измерители частотных и фазовых параметров радиосигналов // Радиотехника. - 2001. - №1. - С.79-92) и заключающийся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора 2 подают измеряемый радиосигнал S(t), в акустооптическом дефлекторе он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует оптическое излучение, сформированное лазером 15 и коллиматором 16, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью линзы 3 выполняют операцию Фурье-преобразования с последующим детектированием при помощи линейки фотоприемников 4, состоящей из дискретного набора фотодиодов, формирующих набор видеосигналов, которые усиливают затем видеоусилителями 7, сравнивают с пороговым уровнем в пороговых устройствах 8 (при превышении порогового уровня уровнем видеосигнала пороговое устройство срабатывает), далее определяют номера первого m_n и последнего m_з сработавшего порогового устройства (см. фиг.5, на которой: 13 - распределение светового сигнала, продетектированное фотодиодами линейки фотоприемников, 14 - уровень порога) и определяют частоту радиосигнала при помощи решающего устройства 6 по формуле

где f_n - частота, на которой достигается максимум аналогового сигнала на фотодиоде с номером n (частота f_n выбирается вблизи нижней границы диапазона частот Δf_Σ, анализируемых частотомером), М - число фотодиодов N-элементной линейки, соответствующих диапазону частот Δf_Σ.

Признаками прототипа, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акустооптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция Фурье-преобразования, детектирование светового сигнала фотодиодами линейки фотоприемников, формирование на их выходах видеосигналов с последующей обработкой и вычислением частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, продетектированного фотодиодами.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкая точность измерения частоты радиосигналов, которая не превышает величины 0,25(Δf_Σ/М), что соответствует четверти частотного интервала между фотодиодами. Причем такая точность может быть достигнута только при отсутствии дестабилизирующих факторов, изменяющих (во времени) положение оси симметрии распределения светового сигнала, облучающего линейку фотодиодов.

На практике упомянутые факторы (например, дрейф длины волны лазерного излучения или ее (длины волны) зависимость от температуры) почти всегда имеют место. Они приводят к дрейфу частотной шкалы, т.е. к явлению, при котором частота сигнала, на которой достигается максимум аналогового сигнала на фотодиоде с номером "n", меняется во времени. Дрейф частотной шкалы в формуле вычисления частоты не учитывается.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение точности измерения частоты радиосигналов при наличии в процессе измерений дестабилизирующих факторов.

Технический результат достигается тем, что на вход дефлектора наряду с анализируемым сигналом подают два эталонных сигнала с частотами F_n и F_ν, выбираемыми вблизи нижней и верхней границ частотного диапазона приемника-частотомера соответственно, для каждого из эталонных сигналов находят в N-элементной линейке фотодиод с максимальным уровнем сигнала, регистрируют его порядковый номер - n (для сигнала с частотой F_n) и ν (для сигнала с частотой F_ν), уровни сигналов на них измеряют и обозначают Y_n и Y_ν, уровни сигналов на соседних с ними фотодиодах тоже измеряют и обозначают Y_n+1, Y_n-1, Y_ν+1, Y_ν-1, далее вычисляют коэффициенты , , затем вычисляют частотный интервал, соответствующий расстоянию между соседними фотодиодами линейки ΔF=(F_ν-F_n)/(ν-n-k_n+k_ν), частоту, соответствующую номеру n фотодиода f_n=F_n-k_nΔF, и определяют частоты f_q=f_n+ΔF(q-n), соответствующие фотодиодам с номерами q, используемым для вычисления абсциссы упомянутой оси симметрии.

Для достижения технического результата в способе измерения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере, заключающемся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразовывают его в акустический и далее в оптический сигнал, затем подвергают его Фурье-преобразованию с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, далее формируют на их выходах видеосигналы с уровнями, пропорциональными уровням упомянутого распределения интенсивности, после чего вычисляют частоту радиосигнала, отождествляемую с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, на вход дефлектора наряду с анализируемым сигналом подают два эталонных сигнала с частотами F_n и F_ν, выбираемыми вблизи нижней и верхней границ частотного диапазона приемника-частотомера соответственно, для каждого из эталонных сигналов находят в N-элементной линейке фотодиод с максимальным уровнем сигнала, регистрируют его порядковый номер - n (для сигнала с частотой F_n) и ν (для сигнала с частотой F_ν), уровни сигналов на них измеряют и обозначают Y_n и Y_ν, уровни сигналов на соседних с ними фотодиодах тоже измеряют и обозначают Y_n+1, Y_n-1, Y_ν+1, Y_ν-1, далее вычисляют коэффициенты , , затем вычисляют частотный интервал, соответствующий расстоянию между соседними фотодиодами линейки ΔF=(F_ν-F_n)/(ν-n-k_n+k_ν), частоту, соответствующую номеру n фотодиода f_n=F_n-k_nΔF, и определяют частоты f_q=f_n+ΔF(q-n), соответствующие фотодиодам с номерами q, используемым для вычисления абсциссы упомянутой оси симметрии.

Сравнивая предлагаемый способ с прототипом, видно, что он содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, видно, что заявляемый способ соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.

Для доказательства существования причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом рассмотрим сущность предлагаемого способа измерения частоты и сопоставим его со способом-прототипом и способами-аналогами.

Сущность заявляемого способа поясняется иллюстрацией, показанной на фиг.6, и нижеприведенным обоснованием.

Схема устройства, реализующего заявляемый способ, а также принцип его действия аналогичны приведенному на фиг.4 и отличаются лишь способом обработки сигнала, снимаемого с фотоприемника. На фиг.6 в координатах частота-уровень показано распределение интенсивности светового сигнала на дискретном (состоящем из фотодиодов) фотоприемнике. Такое распределение формируется при подаче на электрический вход дефлектора одного из эталонных сигналов; для определенности сигнала с частотой F_n. Такое же (не показанное на фиг.6) распределение формируется при подаче на электрический вход дефлектора эталонного сигнала с частотой F_ν. Распределение считается гауссовым. Считается также, что абсцисса оси симметрии распределения проходит через точку F_n, а частота f₂=f_n. Частота F_n равна известной частоте эталонного сигнала, а f_n - неизвестной частоте, при которой на фотодиоде с номером "n" достигается максимум аналогового сигнала. Уровни сигналов на фотодиодах: y₁, y₂ и y₃ известны (их можно измерить).

Очевидно (см. фиг.6), что неизвестная частота f_n=f₂ может быть найдена по формуле:

где Δf_n=Δf.

Аналогично может быть найдена частота f_ν для верхней границы частотного диапазона:

Частотные поправки Δf_n и Δf_ν вычисляются единообразно в соответствии с выражением для Δf (см. Шибаев С.С., Вольфовский Б.Н., Роздобудько В.В. Аппроксимативные алгоритмы вычисления частоты радиосигналов в акустооптических спектроанализаторах. Вопросы специальной радиоэлектроники, выпуск 1, серия ОВР, с.77-83. Москва - Таганрог. 2008 г.)

Введем обозначение:

и отметим, что величина k всегда может быть вычислена, поскольку, в каждом конкретном случае, известны уровни сигналов y₁, y₂ и y₃. С учетом этого обозначения можно записать:

или применительно к формулам (1) и (2):

С учетом этих выражений формулы (2) и (3) можно переписать в виде:

Входящий в эти формулы частотный интервал ΔF может быть определен по формуле:

После подстановки в (10) формул (8) и (9) и разрешения полученного выражения относительно ΔF получим искомый интервал ΔF в виде:

Полученные выражения для k, ΔF и f_n могут быть использованы для увеличения точности измерения частоты. Проиллюстрируем это на примере последовательности действий, направленных на измерение частоты радиосигнала, в соответствии с заявляемым способом. Такая последовательность действий включает в себя следующие шаги.

1. Подают на электрический вход акустооптического приемника-частотомера анализируемый сигнал, частоту которого надо измерить, и два эталонных сигнала с известными частотами F_n и F_ν, выбираемыми вблизи нижней и верхней границ частотного диапазона приемника-частотомера соответственно.

2. Определяют фотодиоды с максимальным уровнем сигнала вблизи границ частотного диапазона и регистрируют их порядковые номера: "n" и "ν". Уровни сигнала на них обозначают Y_n и Y_ν.

3. Измеряют уровни сигналов на фотодиодах с порядковыми номерами (n+1), (n-1), (ν+1) и (ν-1) и обозначают измеренные уровни: Y_n+1, Y_n-1, Y_ν+1 и Y_ν-1.

4. Вычисляют коэффициенты: , по формулам, аналогичным формуле (5).

5. Вычисляют частотный интервал, соответствующий расстоянию между соседними фотодиодами линейки, по формуле (11): ΔF=(F_ν-F_n)/(ν-n-k_n+k_ν).

6. Вычисляют частоту, соответствующую номеру "n" фотодиода, по формуле (8): .

7. Пользуясь формулой f_q=f_n+ΔF(q-n), вычисляют частоты, соответствующие фотодиодам с номерами "q". Частоты f_q используют в дальнейшей последовательности действий для определения неизвестной частоты сигнала.

Последовательность действий, предложенных в заявляемом способе, обеспечивает автоматическую, адаптивную нейтрализацию погрешностей измерений, связанных с дрейфом частотной шкалы. Этим он выгодно отличается от известных способов и, в частности, от способа прототипа.

Внедрение заявляемого способа позволит улучшить технические характеристики частотоопределительных устройств за счет увеличения точности измерения.

Настоящее изобретение касается способа измерения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере. Заявленный способ заключается в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразовывают его в акустический и далее в оптический сигнал, затем подвергают его Фурье-преобразованию с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, далее формируют на их выходах видеосигналы с уровнями, пропорциональными уровням упомянутого распределения интенсивности, после чего вычисляют частоту радиосигнала, отождествляемую с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами. На вход дефлектора наряду с анализируемым сигналом подают два эталонных сигнала с частотами, выбираемыми вблизи нижней и верхней границ частотного диапазона приемника-частотомера соответственно, для каждого из эталонных сигналов находят в N-элементной линейке фотодиод с максимальным уровнем сигнала, регистрируют его порядковый номер, измеряют уровни сигналов на них и на соседних с ними фотодиодах, затем вычисляют частотный интервал, соответствующий расстоянию между соседними фотодиодами линейки, частоту, соответствующую номеру фотодиода с максимальным уровнем сигнала для эталонного сигнала, выбранного вблизи нижней границы частотного диапазона, и определяют частоты, соответствующие фотодиодам с последующими номерами, используемым для вычисления абсциссы упомянутой оси симметрии. Данный способ позволяет повысить точность измерения частоты радиосигнала. 6 ил.

Способ определения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере, заключающийся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразовывают его в акустический и далее в оптический сигнал, затем подвергают его Фурье-преобразованию с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, далее формируют на их выходах видеосигналы с уровнями, пропорциональными уровням упомянутого распределения интенсивности, после чего вычисляют частоту радиосигнала, отождествляемую с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, отличающийся тем, что на вход дефлектора наряду с анализируемым сигналом подают два эталонных сигнала с частотами F_n и F_ν, выбираемыми вблизи нижней и верхней границ частотного диапазона приемника-частотомера соответственно, для каждого из эталонных сигналов находят в N-элементной линейке фотодиод с максимальным уровнем сигнала, регистрируют его порядковый номер n (для сигнала с частотой F_n) и ν (для сигнала с частотой F_ν, уровни сигналов на них измеряют и обозначают Y_n и Y_ν, уровни сигналов на соседних с ними фотодиодах тоже измеряют и обозначают Y_n+l, Y_n-l, Y_ν+l, Y_ν-1, далее вычисляют коэффициенты , , затем вычисляют частотный интервал, соответствующий расстоянию между соседними фотодиодами линейки ΔF=(F_ν-F_n)/(ν-n-k_n+k_ν), частоту, соответствующую номеру n фотодиода f_n=F_n-k_nΔF, и определяют частоты f_q=f_n+ΔF(q-n), соответствующие фотодиодам с номерами q, используемым для вычисления абсциссы упомянутой оси симметрии.