СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ РАДИОСИГНАЛА В АКУСТООПТИЧЕСКОМ ПРИЕМНИКЕ-ЧАСТОТОМЕРЕ Российский патент 2014 года по МПК G01R23/17 

Предлагаемое изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения частоты частотно-определительными устройствами, метрологические характеристики которых нелинейны.

Известен "Способ определения частоты радиосигналов в акустооптическом приемнике-частотомере в линейном режиме работы фотоприемника" (Патент на изобретение: RU 2421740 С2), заключающийся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразуют его в акустический и далее в оптический сигнал, который подвергают 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, кроме того, определяют фотодиод с максимальным уровнем сигнала, регистрируют его порядковый номер - k, а уровень сигнала на нем обозначают y_k, далее измеряют уровни сигналов на соседних фотодиодах y_k+1 и y_k-1 и сравнивают их между собой, если y_k+1 больше y_k-1, то дополнительно измеряют уровень сигнала y_k+2, в противном случае измеряют уровень сигнала y_k-2, затем названные уровни сигналов в порядке возрастания их индексов обозначают y_B, y_A, y_C, y_D, а соответствующие этим уровням частоты обозначают f_B, f_A, f_C и f_D, далее вычисляют частоту f₀ по формуле f₀=(c₁-c₂)/(w₁-w₂), где w₁ =(y_A-y_B)/(f_A-f_B), w₂ =(y_D-y_C)/(f_D-f_C), c ₁ =(y_Bf_A-y_Af_B)/(f_A-f_B), c₂ =(y_Cf_D-y_Df_C)/(f_D-f_C).

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются: подача на электрический вход акустооптического дефлектора анализируемого радиосигнала, преобразование его в акустический и далее в оптический сигнал, Фурье-преобразование последнего с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, формирование на их выходах видеосигналов с уровнями, пропорциональными уровням упомянутого распределения интенсивности, последующее вычисление частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, нахождение фотодиода с максимальным уровнем сигнала, регистрация его порядкового номера, измерение его уровня и уровней сигналов на соседних с ним фотодиодах, вычисление частоты анализируемого радиосигнала по формулам, в которых используются частоты настройки фотодиодов и уровни сигналов на фотодиодах.

Причиной, препятствующей достижению приемлемого технического результата в этом аналоге, является низкая точность измерения частоты, из-за нелинейности кривой настройки фотодиодов в полосе рабочих частот приемника-частотомера. Под "кривой настройки" понимается зависимость частот настройки фотодиодов от их порядковых номеров в линейке фотодиодов. А под "частотой настройки" понимается такая частота радиосигнала, анализируемого приемником-частотомером, при которой сигнал на выходе фотодиода достигает максимального уровня.

Нелинейность кривой настройки проявляется в том, что частотные интервалы между частотами настройки соседних фотодиодов различны на различных участках частотного диапазона приемника-частотомера. Эти различия не учитываются в формулах вычисления частот настройки фотодиодов, поскольку эти формулы, по умолчанию, линейны. В результате частоты настройки фотодиодов определяются с погрешностями и, как следствие, частота сигнала, в формулах вычисления которой используются частоты настройки фотодиодов, тоже вычисляется с погрешностью.

Известен также "Способ определения частоты радиосигналов в акустооптическом приемнике-частотомере в режиме сильного сигнала" (Патент на изобретение: RU 2421766 C2), заключающийся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразуют 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, после чего вычисляют частоту радиосигнала, отождествляемую с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами. При этом, устанавливают порог в верхней части линейного участка амплитудной характеристики фотодиодов и определяют уровни сигналов ниже порога на четырех фотодиодах с ближайшими к порогу уровнями, далее обозначают уровни сигналов на этих фотодиодах y_A, y_B, y_C и y_D, а соответствующие этим уровням частоты обозначают в порядке возрастания частоты f_A, f_B, f_C и f_D, затем убеждаются в том, что частоты f_A и f_B находятся ниже по частоте участка ограничения сигнала, образованного порогом, а частоты f_C-f_D - выше, далее сравнивают сигналы на фотодиодах и, если y_A>y_C, вычисляют частоту f₀ по формуле f₀=(f_C+f_A-Δf₁)/2, Δf₁=ΔF(y_A-y_C)/(y_A-y_B), в противном случае частоту f₀ вычисляют по формуле f₀=(f_C+f_A+Δf₂)/2, где Δf₂=ΔF(y_C-y_A)/(y_C-y_D), а ΔF - частотный интервал между фотодиодами.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются: подача на электрический вход акустооптического дефлектора анализируемого радиосигнала, преобразование его в акустический и далее в оптический сигнал, Фурье-преобразование оптического сигнала с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, формирование на их выходах видеосигналов, отождествление частоты анализируемого радиосигнала, с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, вычисление искомой частоты радиосигнала по формулам, в которых используются частоты настройки фотодиодов, уровни сигналов на фотодиодах и частотные интервалы между фотодиодами.

Точность измерения частоты в этом способе-аналоге низка из-за нелинейности кривой настройки фотодиодов в полосе рабочих частот приемника-частотомера. Эта нелинейность, проявляющаяся в неточном вычислении частот настройки фотодиодов из-за неодинаковости частотных интервалов между фотодиодами, на различных участках частотного диапазона приемника-частотомера, не учитывается в формулах вычисления искомой частоты анализируемого радиосигнала.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому способу является, принятый в качестве прототипа, "Способ определения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере" (патент на изобретение: RU 2421767 С2), заключающийся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразуют его в акустический и далее в оптический сигнал, который подвергают 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, при этом на вход дефлектора наряду с анализируемым сигналом подают два эталонных сигнала с частотами F_n и F_v, 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 v (для сигнала с частотой F_v), уровни сигналов на них измеряют и обозначают Y_n и Y_v, уровни сигналов на соседних с ними фотодиодах тоже измеряют и обозначают: Y_n+1, Y_n-1, Y_v+1, Y_v-1, далее вычисляют коэффициенты $$k_n=\frac{1}{2}\cdot \frac{\ln Y_{n+1}-\ln Y_{n-1}}{2\ln Y_n-\ln Y_{n+1}-\ln Y_{n-1}}$$ , $$k_v=\frac{1}{2}\cdot \frac{\ln Y_{v+1}-\ln Y_{v-1}}{2\ln Y_v-\ln Y_{v+1}-\ln Y_{v-1}}$$ , затем вычисляют частотный интервал, соответствующий расстоянию между соседними фотодиодами линейки ΔF=(F_v-F_n)/(v-n-k_n+k_v), частоту, соответствующую номеру n фотодиода f_n=F_n-k_nΔF, и определяют частоты f_q=f_n+ΔF(q-n), соответствующие q-тым фотодиодам, используемые для вычисления абсциссы упомянутой оси симметрии.

Признаками прототипа, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются: подача на электрический вход акустооптического дефлектора анализируемого радиосигнала, преобразование его в акустический и далее в оптический сигнал, Фурье-преобразование последнего с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, формирование на их выходах видеосигналов с уровнями, пропорциональными уровням упомянутого распределения интенсивности, вычисление частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, подача на вход дефлектора наряду с анализируемым и эталонных сигналов, нахождение в линейке фотодиодов, откликнувшихся на эти сигналы, нахождение среди откликов сигналов максимального уровня, регистрация номеров соответствующих им фотодиодов и измерение уровней сигналов и на них, и на рядом стоящих с ними фотодиодах, использование этих данных для вычисления частот, соответствующих номерам фотодиодов с сигналами максимального уровня.

Последовательность действий в способе-прототипе направлена на увеличение точности вычисления частотного интервала ΔF между соседними фотодиодами линейки и на увеличение точности вычисления частоты f_n настройки фотодиода, размещенного вблизи нижней границы частотного диапазона частотомера. Эти данные используются в формуле вычисления частот настройки q-тых фотодиодов f_q, которые, в свою очередь, используются в формулах вычисления абсциссы оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, отождествляемой с искомой частотой анализируемого радиосигнала.

Уточненные значения ΔF и f_n позволяют, в случае линейной кривой настройки фотодиодов, увеличить точность вычисления частот f_q и через них - точность вычисления искомой частоты анализируемого радиосигнала.

Однако на практике кривая настройки фотодиодов нелинейна, эта нелинейность в способе-прототипе не учитывается и, как следствие, частота анализируемого радиосигнала определяется с недостаточной точностью.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение точности определения частоты радиосигналов частотно-определительными устройствами с нелинейными метрологическими характеристиками.

Нужный технический результат достигается тем, что перечисленные действия над откликами фотодиодов выполняют для R (где R>2) эталонных сигналов, у которых частоты F₁, F₂, …, F_j, …, F_R равномерно распределены в частотном диапазоне частотомера и растут вместе с индексом, найденные номера фотодиодов с сигналами максимального уровня обозначают n_j (где 1≤j≤R), уровни сигналов на них и на соседних с ними фотодиодах обозначают Y_nj, Y_nj+1, Y_nj-1 соответственно, далее вычисляют коэффициенты $$k_{nj}=\frac{1}{2}\cdot \frac{\ln Y_{nj+1}-\ln Y_{nj-1}}{2\ln Y_{nj}-\ln Y_{nj+1}-\ln Y_{nj-1}}$$ , затем вычисляют частотные интервалы ΔF_j=(F_j+1-F_j)/(n_j+1-n_j-k_nj+k_nj+1) в полосах частот f_j…f_j+1, где частоты f_j=F_j-k_njΔF_j соответствуют фотодиодам с номерами n_j, после чего определяют соответствующие q-тым (где n_j≤q<n_j+1) фотодиодам частоты f_q=f_j+ΔF_j-(q-n_j), используемые для вычисления абсциссы упомянутой оси симметрии.

Для достижения технического результата в способе определения частоты радиосигнала в акустооптических приемниках-частотомерах, заключающемся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразуют 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, при этом на вход дефлектора наряду с анализируемым подают и эталонные сигналы, находят в линейке фотодиоды, откликнувшиеся на эти сигналы, находят среди откликов сигналы максимального уровня, регистрируют номера соответствующих им фотодиодов и измеряют уровни сигналов и на них, и на рядом стоящих с ними фотодиодах, используют эти данные для вычисления частот, соответствующих номерам фотодиодов с сигналами максимального уровня, перечисленные действия над откликами фотодиодов выполняют для R (где R>2) эталонных сигналов, у которых частоты f₁, f₂, …, F_j, …, F_R равномерно распределены в частотном диапазоне частотомера и растут вместе с индексом, найденные номера фотодиодов с сигналами максимального уровня обозначают n_j (где 1≤j≤R), уровни сигналов на них и на соседних с ними фотодиодах обозначают Y_nj, Y_nj+1, Y_nj-1 соответственно, далее вычисляют коэффициенты $$k_{nj}=\frac{1}{2}\cdot \frac{\ln Y_{nj+1}-\ln Y_{nj-1}}{2\ln Y_{nj}-\ln Y_{nj+1}-\ln Y_{nj-1}}$$ , затем вычисляют частотные интервалы

ΔF_j=(F_j+1-F_j)/(n_j+1-n_j-k_nj+k_nj+1) в полосах частот f_j…f_j+1, где частоты f_j=F_j-k_njΔF_j соответствуют фотодиодам с номерами n_j, после чего определяют соответствующие q-тым (где n_j≤q<n_j+1) фотодиодам частоты f_q=f_j+ΔF_j(q-n_j), используемые для вычисления абсциссы упомянутой оси симметрии.

Сравнение предлагаемого способа с прототипом показывает, что он содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Из сравнения с аналогами следует, что заявляемый способ соответствует критерию "существенные отличия", так как в аналогах не обнаружены новые заявляемые 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.

Идея заявляемого способа состоит в аппроксимации нелинейной кривой настройки фотодиодов отрезками прямых (т.е. линейно-ломаной). При этом вся кривая настройки, в диапазоне частот приемника-частотомера, равномерно разбивается узлами аппроксимации на (R-1) участок. Всего узлов аппроксимации R и каждый из них (за исключением крайних) является общей точкой и для кривой настройки, и для двух соседних аппроксимирующих отрезков прямой.

Все j-тые узлы аппроксимации (где 1≤j≤R) совпадают (по определению кривой настройки) с частотами настройки f_j фотодиодов линейки, поэтому каждой частоте f_j, соответствует фотодиод с порядковым номером n_j в линейке фотодиодов.

Интервалы по оси абсцисс между соседними узлами аппроксимации могут быть неодинаковыми. Они выбираются так, чтобы в пределах j-того интервала нелинейную кривую настройки с допустимой частотной погрешностью можно было бы заменить отрезком прямой, т.е. линеаризовать.

После линеаризации всех участков кривой настройки частотные интервалы ΔF_j между соседними фотодиодами можно считать постоянными, и, следовательно, в пределах j-того интервала, т.е. в полосе частот f_j…f_j+1, можно пользоваться линейной формулой f_q=f_j+ΔF_j(q-n_j), обеспечивающей, если пренебречь погрешностями линеаризации, точное вычисление частот f_q. Поскольку частоты f_q используются в формулах вычисления искомой частоты анализируемого радиосигнала (отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала), то уточнение частот f_q увеличивает точность вычисления искомой частоты, по сравнению со способами-аналогами и способом-прототипом.

Отметим, что погрешности вычисления искомой частоты, связанные с неточным знанием частот f_q, примерно равны погрешностям знания частот f_q. И, следовательно, если максимальное отклонение нелинейной кривой настройки от идеальной (т.е. линейной) составляет Δf, то и максимальная погрешность вычисления искомой частоты составит, примерно, величину Δf.

Таким образом, очевидно, что точность измерения частоты в соответствии с заявляемым способом выше (по сравнению с прототипом), поскольку в результатах измерений уменьшены погрешности, связанные с нелинейностью кривой настройки фотодиодов.

Внедрение заявляемого способа позволит улучшить технические характеристики приемника-частотомера за счет увеличения точности измерения частоты.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике. Способ определения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере, заключающийся в подаче на электрический вход акустооптического дефлектора анализируемого радиосигнала, преобразовании его в акустический и далее в оптический сигнал, Фурье-преобразовании последнего с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, формировании на их выходах видеосигналов с уровнями, пропорциональными уровням упомянутого распределения интенсивности, вычислении частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, подаче на вход дефлектора наряду с анализируемым и эталонных сигналов, нахождении в линейке фотодиодов, откликнувшихся на эти сигналы, нахождении среди откликов сигналов максимального уровня, регистрации номеров соответствующих им фотодиодов и измерении уровней сигналов и на них, и на рядом стоящих с ними фотодиодах, использовании этих данных для вычисления частот, соответствующих номерам фотодиодов с сигналами максимального уровня, выполнении перечисленных действий над откликами фотодиодов для R (где R>2) эталонных сигналов, у которых частоты F₁, F₂, …, F_j, …, F_R равномерно распределены в частотном диапазоне частотомера и растут вместе с индексом, обозначении найденных номеров фотодиодов с сигналами максимального уровня n_j (где (1≤j≤R), обозначении уровней сигналов на них и на соседних с ними фотодиодах Y_nj, Y_nj+1, Y_nj-1 соответственно, вычислении коэффициентов k_nj, вычислении частотных интервалов ΔF_j в полосах частот f_j…f_j+1, где частоты f_j=F_j-k_njΔF_j соответствуют фотодиодам с номерами n_j, последующем определении соответствующих q-тым (где n_j≤q≤n_j+1) фотодиодам частот f_q=f_j+ΔF_j-(q-n_j), используемых для вычисления абсциссы упомянутой оси симметрии. Технический результат заключается в увеличении точности измерения частоты радиосигнала.

Способ определения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере заключающийся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразуют 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, при этом на вход дефлектора наряду с анализируемым подают и эталонные сигналы, находят в линейке фотодиоды, откликнувшиеся на эти сигналы, находят среди откликов сигналы максимального уровня, регистрируют номера соответствующих им фотодиодов и измеряют уровни сигналов и на них, и на рядом стоящих с ними фотодиодах, используют эти данные для вычисления частот, соответствующих номерам фотодиодов с сигналами максимального уровня, отличающийся тем, что перечисленные действия над откликами фотодиодов выполняют для R (где R>2) эталонных сигналов, у которых частоты F₁, F₂, …, F_j, …, F_R равномерно распределены в частотном диапазоне частотомера и растут вместе с индексом, найденные номера фотодиодов с сигналами максимального уровня обозначают n_j (где 1≤j≤R), уровни сигналов на них и на соседних с ними фотодиодах обозначают Y_nj, Y_nj+1, Y_nj-1 соответственно, далее вычисляют коэффициенты , затем вычисляют частотные интервалы ΔF_j=(F_j+1-F_j)/(n_j+1-n_j-k_nj+k_nj+1) в полосах частот f_j…f_j+1, где частоты f_j=F_j-k_njΔF_j соответствуют фотодиодам с номерами n_j, после чего определяют соответствующие q-тым (где n_j≤q≤n_j+1) фотодиодам частоты f_q=f_j+ΔF_j-(q-n_j), используемые для вычисления абсциссы упомянутой оси симметрии.