Акустооптический анализатор спектра Советский патент 1992 года по МПК G01R23/18 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для измерения частоты и пеленга принимаемых сигналов, а также спектрального анализа сложных сигналов и определения вида их модуляции.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и расширение функциональных возможностей путем однозначного измерения несущей частоты принимаемого сигнала и пеленга на источник его излучения.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1; принцип пеленгации источника излучения сложных сигналов фазовым методом в одной плоскости показан на фиг.2; частотная диаграмма, поясняющая процесс образования дополнительных каналов приема, изображена на фиг.З; возможный вид осциллограмм на экранах блоков индикации показан на фиг.4.

Акустооптический анализатор спектра содержит лазер 1, на пути распространения пучка света которого установлены коллиматор 2 и шесть ячеек Брэгга 3.5, 3.6, 3.1, 3.2, 3.3 и 3.4. На пути дифрагированного пучка света установлена соответствующая линза 4.1 (4.2, 4.3 и 4.4), в фокальной плоскости которой размещается соответствующая матрица фотодетекторов 5.1 (5.2, 5.3, 5.4), выход которой соединен с соответствующим блоком индикации 6.1 (6.2, 6.3, 6.4). Ячейки Брэгга 3.5 и 3.6 примыкают друг к другу, к их электрическим входам подключены соответственно выходы усилителей 7 и 8 промежуточной частоты. К выходу приемной антенны 9.1 последовательно подключены смеситель 10.1, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11.1, усилитель 7 промежуточной частоты, ключ 12, второй вход которого соединен с выходом порогового блока 13, перемножительЧ4.1, полосовой фильтр 15.1, перемножитель 14.2, полосовой фильтр 15.2, перемножитель 14.3, и полосовой фильтр 15.3. К выходу ключа 12 и полосовых фильтров 15.1, 15.2, 15.3 подключены соответствующие ячейки Брэгга 3.1,3.2,3.3 и 3.4. К выходу приемной антенны 9.2 последовательно подключены смеситель 10.2, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11.2 и усилитель 8 промежуточной частоты. Гетеродин 11.1 и смеситель 10.1 образуют преобразователь частоты. Гетеродин 11.2 и смеситель 10.2 образуют преобразователь частоты. На пути пучка света, дифрагированного на ячейках Брэгга 3.5 и 3.6, последовательно установлены линза 4.5 диафрагма 16 и линза 4.6, в фокальной плоскости которой размещается матрица фотодетекторов 5.5, к выходу которой последовательно подключены затвор 17, регистр считывания 18, пороговый блок 19, ключ 20, второй вход которого соединен с выходом матрицы фотодетекторов 5.1, блок регистрации 21 и блок 22 взаимной привязи. К выходу матрицы фотодетекторов 5.5 последовательно под0 ключены ключ 23, второй вход которого соединен с выходом порогового блока 19, блок регистрации 24, выход которого соединен с вторым входом блока 22 взаимной привязки.

5 Акустический анализатор спектра работает следующим образом.

Если на вход устройства поступают сложные сигналы с бинарной фазовой манипуляцией ФМн-2, к(т)0,л: , то их аналити0 чески можно записать следующим образом: Ui(t)Vc ttfct+ip K(t)+ 901 U2(t)Vc л fc+ p K(t)+ (ffi 0$: t« Tc, где Vc, fc, Tc, ,, ,p2 - амплитуда, несущая

5 частота, длительность и начальные фазы сигналов;

(t)0, JT- манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем

0(pK(t)const при к ги t (к+1) ти и

может изменяться скачком при , т.е на границах между элементарными посылками (,2..., N-1)

Ти, N -длительность и количество эле5

ментарных посылок из которых составлен

сигнал длительностью TC( г и).

Сигналы LH(t) и U2(t) с выходов антенн 9.1 и 9.2 поступают на первые входы смесителей 10.1 и 10.2 на вторые входы которых с 0 выходов гетеродинов 11.1 и 11.2 подаются напряжения:

Uri(t) Vricos(2:7r frit+p ri);

Ur2(t)Vr2COS(27r fr2t+Ј r2,,

5 где Vri, Vr2, fr2, fb,p r2 амплитуды, частоты и начальные фазы напряжений гетеродинов.

Причем частоты fri и fr2 гетеродинов 11.1 и 11.2 разнесены на удвоенное значе0 ние промежуточной частоты

fr2-fr1 2fnp

и выбраны симметричными относительно несущей частоты fc принимаемого сигнала5 fc-fn fr2-fc fnp

Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов приема . (фиг.З).

На выходах смесителей 10.1 и 10.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 7 и 8 промежуточной частоты выделяются напряжения промежуточной (разностной)частоты

Unpl(t)Vnp1 COS 2 fnpt- fb(t)+ pnpl Unp2(t)Vnp2 fnpt- рк(1)- , (X t $TC

гдеУПр1 |KVcVri;

Vnp2 KVcVr2;

К - коэффициент передачи смесителей, fnp fc-fri fr2-fc - промежуточная частота;

tp npf РГ пр2 ,

которые поступают на ячейки Брэгга 3.5 и 3.6, где происходит их преобразование в акустические колебания с противоположными направлениями распространения. Пучок света от лазера 1, сколлимированный коллиматором 2, проходит через Ячейки Брэгга 3.5 и 3.6 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных напряжениями Unpi(t) и Unp2(t). На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливается линза 4.5, формирующая пространственный спектр принимаемых сигналов. В фокальной плоскости указанной линзы устанавливается диафрагма 16, пропускающая только ± 1-ые порядки дифракции светового поля. При этом обеспечивается преобразование фазовой модуляции светового потока в амплитудную модуляцию. В фокальной плоскости линзы 4.6 установлена матрица фотодетектора 5.5. Оптическая система формирует в плоскости расположение матрицы фотодетекторов 5.5 изображение, в котором пространственно- временное распределение амплитуды световой волны пропорционально сумме пространственных копий напряжений Unpl(t) и Unp2(t):

A(x,tbUnpi(t-)+Unp2(t-- +r)

где V - скорость звука в ячейках Брэгга, L- продольный размер изображения. Поскольку каждый из фотодетекторов реагирует на интенсивность J(x,t) |A(x,t)| и накапливают фотоиндукционные заряды в течение времени интегрирования Т, в i-ном фотодетекторе по истечении времени Т накапливается заряд, величина которого равна

(t-Ј) +

+ UiP2()fdt

где Xi - координата i-ro фотодетектора.

Накопленные заряды с помощью затвора 17 переносятся из матрицы фотодетекторов 5.5 в регистр считывания 18, из которого информация о величине заряда в каждом

фотодетекторе выводится последовательно во времени в виде отдельных отсчетов в течение интервала Т. Указанные отсчеты являются отсчетами корреляционной функции R( т), которые сравниваются с пороговым

уровнем Vnop в пороговом блоке 19. Пороговый уровень Vnop превышается только при максимальном значении корреляционной функции R(TO). Так как напряжения Unpi(t) и Unp2(t) образуются одним и тем же ФМн

сигналом, принимаемым по двум каналам на одной и той же частоте fc, то между канальными напряжениями существует сильнаякорреляционнаясвязь. Корреляционная функция R(r) имеет ярко

выраженный характер, ее максимальное значение превышает пороговый уровень Vnop в пороговом блоке 19. При превышении порогового уровня Vnop в пороговом блоке 19 формируется постоянное напряжение,

которое поступает на управляющие входы ключей 12, 20 и 23 и открывает их. В исходном состоянии ключи 12, 20 и 23 закрыты. При этом напряжение Unpi(t) с выхода усилителя 7 промежуточной частоты через открытый ключ 12 поступает на ячейку Брэгга 3.1 и на два входа перемножителя 14.1, на выходе которого образуется герметическое напряжение.

Ui(t)Vicos(4jrfnpt+2 pnpi), t Tc

где Vi -I KiVnpi2

KI - коэффициент передачи перемножителя.

Так как 2 (т.)0,2 п , то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение Ui(t) выделяется полосовым фильтром 15.1 и поступает на ячейку Брэгга 3.2 и на два выхода перемножителя 14.2, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U2(t)V2COS(8ttfnpt+4Ј npl), 0$ t Тс

где V2 { KiV22

Это напряжение выделяется полосовым

фильтром 15.2 и поступает на ячейку Брэгга

3.3 и на два входа перемножителя 14.3 на

выходе которого образуется гармоническое

напряжение

U3(t)V3COs(16л: fnpt+8 npi), 0Ј t Tc,

где V3 т|-KiV22

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 15.3 и поступает на ячейку Брэгга 3.4.

Пучок света от лазера 1, сколлимиро- ванный коллиматором 2, проходит через ячейки Брэгга 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных напряжением Unpi(t).

На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливаются линзы 4.1,4.2,4.3 и 4.4, В фокальных плоскостях указанных линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установлены матрицы фотодетекторов 5,1-5,4. Каждому разрешаемому элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор. Ячейки Брэгга состоят из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития соответственно X и Y - 35° среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот. В качестве блоков индикации 6.1, 6.2, 6.3 и 6.4 могут быть использованы осциллографические индикаторы.

Ширина спектра ФМн2 сигнала fc определяется длительностью ти элементарных посылок ( / т и), Тогда как ширина спектра второй A fa, четвертой Af4 и восьмой Afs гармоник определяется длительностью Тс с и г н ал a (A f2 Af4 Af8 1 /Тс. Сл ед о вате л ь н о, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала, сворачивается в N раз ( Afc/Af/A fc/lifi NJH трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания ФМн 2 сигнала. Спектры принимаемого ФМн 2 сигнала и его гармоник визуально наблюдаются на экранах индикаторов 6.1, 6.2, 6.3 и 6.4 (фиг.4а).

Если оптическая система, состоящая из линз 4.5, 4.6 и диафрагмы 16, не меняет масштабов изображения, то распределение светового потока в фокальной плоскости линзы 4.6 может быть описано выражением:

Xi

UnPi(t-f) +

+ Unp2()2dt

где 7 - sin/

d - расстояние между антеннами (измерительная база) фиг.2;

/3-угол прихода радиоволн;

с - скорость распространения радиоволн,

Выходной сигнал i-ro фотодетектора, накопленный за время Т, пропорционален выражению

arcsin- - - rdv

из которого видно, что положение максимума корреляционной функции R(TO) принимаемого сигнала по координате Xi (или номер соответствующего фотодетектора) однозначно связано с истинным пеленгом/ 0 на источник излучения (). Значение истинного пеленга/3 0 (или номера соответствующего фотодетектора) через открытый ключ 23 фиксируется блоком регистрации 24. Значение несущей частоты fc (или номер соответствующего фотодетектора) через открытый ключ 20 фиксируется блоком регистрации 21. Привязка измеренных значений несущей частоты fc принимаемого ФМн 2 сигнала и истинного пеленга/3 0 на источнике его излучения осуществляется по совпадению сигналов двух каналов во времени с

помощью блока 22 взаимной привязки. Причем один канал, состоящий из ячейки Брэгга 3.1, линзы 4.1 матрицы фотодетектора 5.1 индикатора 6.1, ключа 20 и блока 21 регистрации, предназначен для измерения несущей частоты fc принимаемого сигнала ширины спектра Afc и его анализа. Для измерения истинного пеленга /Зона источник излучения ФМн-2 сигнала используется второй канал, состоящий из ячеек Брэгга 3.5

з.б, линз 4.5, 4.6, диафрагмы 16, матрицы фотодетектора 5,5 ключа 23 и блока 24 регистрации.

Если на вход анализатора спектра поступает ФМн-4 K(t)0,- , л: VTT, то на выходе полосового фильтра 15.1 образуется ФМн-2 сигнал у7к(т,)0,л:, 2я , Зя а на выходе полосовых фильтров 15.2 и 15.3 образуются соответствующие гармонические

напряжения Uaft) и Ua(t). В этом случае на экранах индикаторов 6.1 и 6.2. наблюдаются спектры ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экранах индикаторов 6.3 и 6.4 наблюдаются одиночные спектральные составляющие

фиг. 46),

Если на вход устройства поступает ФМн-8

сигнал pK(.f .ту ,л,л,л,л, ,

то на выходах полосовых фильтров 15.1 и 15.2 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 15.3 образуется гармоническое напряжение Us(t). В этом случае на экранах индикаторов 6.1, 6.3 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экране индикатора 6.4 наблюдается одиночная спектральная составляющая (фиг.4в),

Если на вход устройства поступает ЧМн-2 сигнал, то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется частотно-манипулиро- ванный сигнал с индексом девиации частоты . При этом его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2fi и 2f2. На выходе полосового фильтра 15.3 образуется две спектральные составляющие на частотах 8fi и 8f2 (фиг,4г).

Если на вход устройства поступает ЧМн-3 сигнал, то на выходе полосовых фильтров 15.2 и 15.3 образуются три спектральные составляющие на частотах 4fi, 4fCp, 4f2 и 8fi, 8fcp, 8f2, т.е. сплошной спектр трансформируется в три специальные составляющие (фиг.4д). На выходе перемножителя 14.1 спектр ЧМн-3 сигнала трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку . Таким образом, на экранах индикаторов 6.1 и 6.2 визуально будут наблюдаться сплошные спектры.

Если на вход устройства поступает ЧМн-5 сигнал, то на выходе перемножителя 14.3 его сплошной спектр транформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми

значениями на частотах 8fi,8f3,8fcp,8f4,8f2. 25 частоте f3, то в смесителях 10.1 и 10.2 они

На выходах перемножителей 14.1 и 10.2 сплошной спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется в сплошные спектры, так как в этих случаях . Таким образом, на экранах индикаторов 6.1, 6.2, 6.3 будут наблюдаться 30 сплошные спектры, а на экране индикатора 6.4 - пять спектральных лепестков (фиг.4е).

Если на вход устройства поступают сигналы с линейной частотой модуляцией (ЛЧМ)35

U i(t)Vccos(2jr fct+ лу i),

U2(t)VcCOS(27r fct+лу ), 0 t«Tc

где Vc,fc,Tc, f, (pi - амплитуда, начальная частота, длительность и начальные фазы сигналов.40

y Afg/Tc - скорость изменения частоты внутри импульса;

Afg - девиация частоты,

то преобразователями частоты 8 и 13 они переносятся на промежуточную частоту 45

Unpl(T)VnplCOS(2 fnpt+ JTyt2+ ipnpl),

Unp2(t)Vnp2COS(27rfnpt+ y Г+- ,,0«: t$ 6TC.

Напряжение Unpi(t) выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступа- 50 ет на ячейку Брэгга 3.1 и на два входа перемножителя 14.1,на выходе которого образуется ЛЧМ-сигнал

Ui(t)Vicos(4ttfnpt+2;7ryt2+2 pnpi), 0 U Тс ,55

который выделяется полосовым фильтром 15.1 и поступает на ячейку Брэгга 3,2. Так как длительность Тс ЛЧМ-сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте

преобразуются в напряжения следующих частот:

fl1 fr1-f3l fnp fl2 fr2-fs1 3fnp

где первый индекс обозначает канал, по которому приниматеся сигнал, второй индекс обозначает номер гетеродина, частота которого участвует в преобразовании частоты принимаемого сигнала.

Однако только напряжение с частотой fn попадает в полосу пропускания ДЬ усилителя 7 промежуточной частоты. Это напряжение поступает на ячейку Брэгга 3.5. Напряжение на выходе усилителя 8 отсутствует, выходное напряжение акустооптиче- ского коррелятора равна нулю, ключи 12,20, 23 не открываются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому зеркальному каналу на частоте fai, подавляются.

Если ложные сигналы (помехи) принимаются по второму зеркальному каналу на частоте f32, то в смесителях 10.1 и 10.2 они преобразуются в напряжения следующих частот:

f21 f32-fr1 3fnp f22 fs2-fr2 fnp

Однако только напряжение с частотой f22 попадает в полосу пропускания усилителя 8 промежуточной частоты. Напряжение на выходе усилителя 7 промежуточной частоты отсутствует, выходное напряжение акустооптического коррелятора также равно нулю, ключи 12,20 23 не открываются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по

одинакова, то увеличение у в 2 раза происходит за счет увеличения в 2 раза девиации частоты . Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ-сигнала на удвоенной проме- жуточной частоте в 2 раза больше его ширины на основной промежуточной частоте ).

Аналогично на выходах перемножителей 14.2 и 14.3 ширина спектра ЛЧМ-сигна- ла увеличивается в 4 и 8 раз,

Следовательно, на экране индикатора 6.1 визуально наблюдается спектр ЛЧМ-сигнала, а на экранах индикаторов 6.2, 6.3 и 6.4 наблюдаются спектры сигналов, ширина ко- торых в 2,4 и 8 раз больше ширины спектра исходного сигнала (фиг,4ж). Это обстоятельство и является признаком распознавания ЛЧМ-сигнала.

Описанная выше работа устройства со- ответствует случаю приема сложных сигналов по основному каналу на частоте Гс(фиг.З).

Если ложные сигналы (помехи) принимаются по первому зеркальному каналу на

преобразуются в напряжения следующих частот:

fl1 fr1-f3l fnp fl2 fr2-fs1 3fnp

где первый индекс обозначает канал, по которому приниматеся сигнал, второй индекс обозначает номер гетеродина, частота которого участвует в преобразовании частоты принимаемого сигнала.

Однако только напряжение с частотой fn попадает в полосу пропускания ДЬ усилителя 7 промежуточной частоты. Это напряжение поступает на ячейку Брэгга 3.5. Напряжение на выходе усилителя 8 отсутствует, выходное напряжение акустооптиче- ского коррелятора равна нулю, ключи 12,20, 23 не открываются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому зеркальному каналу на частоте fai, подавляются.

Если ложные сигналы (помехи) принимаются по второму зеркальному каналу на частоте f32, то в смесителях 10.1 и 10.2 они преобразуются в напряжения следующих частот:

f21 f32-fr1 3fnp f22 fs2-fr2 fnp

Однако только напряжение с частотой f22 попадает в полосу пропускания усилителя 8 промежуточной частоты. Напряжение на выходе усилителя 7 промежуточной частоты отсутствует, выходное напряжение акустооптического коррелятора также равно нулю, ключи 12,20 23 не открываются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по

второму зеркальному каналу на частоте тЭ2, подавляются.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому комбинированному каналу на час- тоте fKi или по второму комбинационному каналу на частоте fK2 или по любому другому комбинационному каналу.

Если ложные сигналы (помехи) одновременно принимаются по первому f3i и второ- му f32 зеркальным каналам или по двум другим дополнительным каналам, то на выходах усилителей 7 и 8 промежуточной частоты образуются напряжения, которые поступают на ячейки Брэггера 3.5 и 3.6. Од- нако выходное напряжение акустооптиче- ского коррелятора не превышает порогового уровня Vnop. Это объясняется тем, что канальные напряжения образуются разными ложными сигналами (помехи), при- нимаемые на разных частотах. Между канальными напряжениями существует слабая корреляционная связь и выходное напряжение коррелятора не превышает порогового уровня V пор. Ключи 12, 20, 23 не открываются и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по двум дополнительным каналам, подавляются.

Пороговый уровень Vnop в пороговом блоке 19 превышается только при приеме сложных сигналов по основному каналу на частоте fc, корреляционная функция которых имеет один главный лепесток с высоким уровнем и несколько боковых лепестков с низким уровнем.

Формула изобретения Акустооптический анализатор спектра по авт.св.№ 1626182, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустой- чивости и расширения функциональных возможностей путем измерения несущей частоты принимаемого сигнала и пеленга на источник его излучения, в него введены вто

рая антенна, второй смеситель, второй гетеродин, второй усилитель промежуточной частоты, пятая и шестая ячейки Брэгга, пятая и шестая линзы, пятая матрица фотодетекторов, диафрагма, пороговый блок, три ключа, затвор, регистр считывания, два блока регистрации и блок взаимной привязки, причем к выходу первого усилителя промежуточной частоты подключен пьезоэлектрический преобразователь пятой ячейки Брэгга, между выходом первого усилителя промежуточной частоты и входами первого перемножителя включен первый ключ, второй вход которого соединен с выходом порогового блока, вторая антенна подключена к первому входу второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход - с входом второго усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с пьезоэлектрическим преобразователем шестой ячейки Брэгга, пятая и шестая ячейка Брэгга расположены на оптической оси устройства плотную одна к другой с противоположными направлениями распространения в них акустических волн, а на пути распространения их дифрагированного пучка света последовательно установлены пятая линза, в фокальной плоскости которой размещена диафрагма, шестая линза, в фокальной плоскости которой размещена пятая матрица фотодетекторов, к выходу которой последовательно подключены затвор, регистр считывания, пороговый блок, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом первой матрицы фотодетекторов, первый блок регистрации и блок взаимной привязки, к выходу порогового блока последовательно подключены третий ключ, второй вход которого соединен с выходом пятой матрицы фотодетекторов, а выход - с вторым блоком регистрации, выход которого соединен с вторым входом блока взаимной привязки.

Использование: в радиоизмерительной технике для измерения частоты и пеленга сигналов, их спектрального анализа и опреТ0/ деления вида их модуляции. Сущность изобретения : анализатор содержит лазер 1, коллиматор 2, ячейки Брэгга 3,1-3,6 линзы 4 1-4,6, матрицы фотодетекторов 5.1-5.5, блоки индикации 6,1-6.4, антенну 7, гетеродин 8.1 и смеситель 8,2 первого преобразователя частоты, усилитель промежуточной частоты, перемножители 10.1-10.3, полосовые фильтры 11,1-11,3, антенну 12, гетеродин 13.1 и смеситель 13.2 второго преобразователя частоты, усилитель 14 промежуточной частоты, ключи 15, 20 и 21, диафрагму 16, затвор 17, регистр считывания 18, пороговый блок 19, блоки регистрации 22 и 23, блок взаимной привязки 24, 4 ил сл С XI Сл О ICJ 0 ND

/

VV

л ГТГ

Vuzi

/

Y

ffnp

2fnp 2fnp

fnp

fjt fff fc ftf fdZ $rt Hftl fff2 f#3 2frZ f#4

фие.З x2x4 3

a

5

ж

2/np2ffip

К 1 /ТА

J i /IV /iv i M-

./

фиг.