Акустооптический анализатор спектра Советский патент 1992 года по МПК G01R23/00 

ел

с

Использование: в радиоизмерительной технике и может использоваться для визуального анализа спектра исследуемых сигналов, определения вида их модуляции и измерения фазовых сдвигов, определяющих направление на источник излучения в двух плоскостях. Сущность изобретения: содержит лазер, коллиматор, ячейки Брегга, линзы, матрицы фотодетекторов и индикаторы, гетеродины, смесители, усилители первой промежуточной частоты, усилитель второй промежуточной частоты, корреляторы, пороговые блоки, перемножители, узкополосные фильтры, ключи, фазовые детекторы. Особенностью изобретения является введение парэлл ель н ых канало с азимута и угла места, что позволило расширить область использования за счет точной и однозначной пеленгации источника излучения принимаемого сигна ла в двух плоскостях. 4 ил.

Предлагаэмое /стройство относится к радиоизмеригельн и технике и может ис- пользоватьсч для визуального анализа спектра наследуемых сигналов, определения вида их модуляции и измерения фазовых сдвигов, определяющих направление на источник излучения в двух плоскостях.

Акустооптический анализатор спектра по основному изобретению (положительное решение ВНИИГПЭ от 28.07.89 г, по заявке № 4.667.136/21 обеспечивает детальный анализ спектра и визуальное определение вида модуляции принимаемого сигнала. Это достигается испол зованием в качестве информативных при: наков ширины спектра и изменений в его с руктуре при умножении фазы принимаемо о сигнала на два, четыре и восемь.

Однако указанный анализатор не обеспечивает возможности для пеленгации источника излучения ci/гнала в двух плоскостях.

Целью настоящего изобретения янляет- ся расширение области использования за счет определения точного и однозначного направления на источник принимаемого сигнала в двух плоскостях.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены вторая и третья антенны, второй, третий и четвертый смесители, второй и третий усилители первой промежуточной частоты, второй гетеродин, пятый и шестой индикаторы, усилитель второй промежуточной частоты, два коррелятора два пороговых блока, два ключа, два узкополосных фильтра, два фазовых детектора, причем к выходу первого усилителя первой промежуточной частоты последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соедин эн с F ыходом второго гете ч

00

W

Јь СП

о

ю

родина, и усилитель второй промежуточной частоты, к выходу второй (третьей) антенны последовательно подключены третий (четвертый) смесит ель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, второй (третий) усилитель первой промежуточной частоты, первый (второй) перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, первый (второй) узкополосный фильтр, первый (второй) ключ, первый (второй) фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и пятый (шестой) индикатор, к выходу второго (третьего) усилителя первой промежуточной частоты последОЁательно подключены первый (второй) коррелятор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя первой промежуточной частоты, и первый (второй) пороговый блок, выход которого соединен с вторым входом первого (второго) ключа.

Структурная схема предлагаемого анализатора спектра представлена на фиг.1. Возможный вид осциллограмм показан на фиг.2. Частотные диаграммы изображены на фиг.З. Принцип пеленгации источника излучения в двух плоскостях иллюстрируется фиг,4.

Акустооптический анализатор спектра содержит три канала приема: основной, азимутальный и угломестный. Основной канал приема содержит последовательно включенные антенну А, Смеситель 8.2, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 8.1, усилитель 9 промежуточной частоты, смеситель 13, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 12, и усилитель 14 второй промежуточной частоты. К выходу усилителя 9 промежуточной частоты последовательно подключены перемножитель 10.1, полосовый фильтр 11.1, перемножитель 10.2, полосовой фильтр 11.2, перемножитель 10.3 и полосовой фильтр 11.3. На пути распространений пучка света лазера 1 последовательно установлены коллиматор 2 и четыре ячейки Брэгга 3, 3.1, 3.2 и 3.3. На пути распространения дифрагированного пучка света установлена линза 4 (4Д, 4.2,4.3) в фокальной плоскости которой размещается соответствующая матрица фотодетек-оров 5 (5.1,5.2,5.3), выход которой соединен с соответствующим блоком индикации 6 (6.1, 6.2, 6.3). Азимутальный (угломестный) канал приема состоит из последовательно включенных антенны В (С), смесителя 15 (16), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 8.1, усилитель 17 (18) первой промежуточной частоты, перемножитель 23 (24),

второй вход которого соединен с выходом усилителя 14 второй промежуточной частоты, узкополосный фильтр 25 (26), ключ 27 (28), фазовый детектор 29 (30), второй вход

которого соединен с выходом гетеродина 12, и индикатор 31 (32). К выходу усилителя 17 (18) первой промежуточной частоты последовательно подключены коррелятор 19 (20), второй вход которого соединен с выходом усилителя 9 промежуточной частоты, и пороговый блок 21 (22), выход которого соединен с вторым входом ключа 27 (28).

Акустооптический анализатор спектра работает следующим образом.

v Если на вход анализатора спектра поступают сложные сигналы с бинарной фазовой манипуляцией (ФМн-2), то их аналитически можно записать следующим образом:

ui(t) Uccos ufct + pk(t)pi,

U2 (t) Uc COS U)c t + fb (t) (pi ,

из (t) Uc cos (0C t + pk (t) (рз, 0 t Tc, где Uc, Qk, Tc, 901, р2,рз- амплитуда, несущая частота, длительность и начальные фазы сигналов;

рч (t) - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой мани- пуляции,.причем pk (t) const при kru t (К + 1) ru и может изменяться скачком при

t К Гц , т.е. на границах между элементарными посылками (К 1,2N-1);

ти N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен

сигнал длительностью Тс (Тс N ги).

Эти сигналы с выходов антенн А, В и С поступают на первые входы смесителей 8.2, 15 и 16, на BTOpbfe входы которых подается напряжение гетеродина 8.1

Ur1 (t) Ur1 COS ((УМ t + рм),

где Uri, ftH t + pri - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина 8.1. На выходах смесителей 8.2, 15 и 16 образуются напряжения комбинационных ча- стот. Усилителями 9, 17 и 18 выделяются напряжения первой промежуточной частоты

Unpl(t)Unp1COS 0 np1 t +pk(t) + pnpl,

Unp2(t) Unp1COS(ynpi t + fk (t) + np2

Unp3{t) Unp1COS(ynpl t (t) + |рпрз,

,

где Unpi - I Kt Uc Uri,

Kt - коэффициент передачи смесителей; ЕУПр1 (Ус-й)г1 - первая промежуточная частота;

Pnpl , , прЗ

Напряжение Unpi (t) поступает на два входа перемножителя 10.1, на выходе которого образуется гармоническое напряжениеui (t) Ui cos (2 fflhpi t - 2 pnpi), 0 t Tc.

17

rfleUi ;r K2 Unpi ;

«2 - коэффициент передачи перемножителя.

Так как 2 рь (t) 0,2 я, то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение u1 (t) выделяется по- лосовым фильтром 11.1 и поступает на два входа перемножителя 10.2, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U2 (t) U2 COS (4 Wnpl t + A phpl), 0 t Tc.

гдеи2 K2Ui2.

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.2 и поступает на да входа перемножителя 10.3, на выходе которого об- разуется гармоническое напряжение из (t) Ua cos (8 %р11 + 8 pnpi), 0 t :Ј Tc.

где Us - TJ- K2 U22.

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.3.

Напряжения иПр1 (t), щ (t), u2 (t) и из (t) с выходов усилителя 9 первой промежуточной частоты, полосовых фильтров 11.1,11.2 и 11.3 поступают на пьезопреобразователи ячеек Брэгга 3,3.1,3.2 и 3.3 соответственно, где происходит их преобразование в акустические колебания.

- Пучок света от лазера 1, сколлимиро- ванный коллиматором 2, проходит через ячейки Брэгга 3, 3.1, 3.2 и 3.3 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных указанными напряжениями. На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливаются линзы 4, 4.1, 4.2 и 4.3. В фокальных плоскостях указанных линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установлены матрицы фотодетекторов 5, 5.1, 5.2 и 5.3. Каждому разрешаемому элементу анализи- руемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор. Ячейка Брэгга 3 (3.1, 3.2, 3.3) состоит 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, 6.1, 6.2 и 6,3 могут быть использо- ваны осциллографические индикаторы.

Ширина спектра ФМн-2 сигнала Д fc определяется длительностью ru его элементарных посылок (Afc - ). Тогда как

и

ширина спектра второй Af2, четвертой Af и восьмой Д fa гармоник определяется длительностью Тс сигнала (ДТ2 Af4 Afa - -).

Ј

Следовательно, приумножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала сворачивается в N раз (-A-I -г-Д ) и

Дт2 ДТд Дта

трансформируется в одиночные слсктраль- ные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания ФМн-2 сигнала. Спектры принимаемого ФМн-2 и его гармоник визуально наблюдаются на экранах индикаторов 6, 6.1, 6.2 и 6.3 соответственно (фиг.2а).

Напряжение unpi (t) с выхода усилителя 9 первой промежуточной частоты одновременно поступает на первый вход смесителя 13, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 12

Ur2 (t) Ur2 COS (Мг2 ),

где Ur2, Уг2, - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина 12,

На выходе смесителя 13 образуются напряжения комбинационных частот Усилителем 14 выделяется только напряжение второй промежуточной частоты

Unp4(t) Unp2 COS t 4- fk (t) + рпр4 ,

О

1 где Unp2 Kl UnP1 Ur2:

ОДФ2 - Wr2 - вторая промежуточная частота;

pnp4 пр1 рг2Напряжения ипр2 (t) и ипрз (t) с выходов усилителей 17 и 18 первой промежуточной частоты поступают на первые входы перемножителей 23 и 24, на вторые входы которых подается напряжение с выхода усилителя 14 второй промежуточной частоты. На выходах перемножителей 23 и 24 образуются гармонические напряжения

U4 (t) IM COS (ftV2 t + рг2 + ). U5 (t) U4 COS (ОД2 t Ч- рг2 + Д ),

0 t Tc,

1 где U4 2 K2 Unpi Unp2;

2 л-j- sin a - фазовый

сдвиг, опредепяющий направление на источник излучения сигнала в азимутальной плоскости;

- fb-tp 2 л -j- sin ft - фазовый

сдвиг, определяющий направление на источник излучения сигнала в угломестной плоскости;

di, d2 - измерительные базы (фиг.4);

А-длина волны;

а,/3-углы прихода радиоволн; которые выделяются узкополосными фильтрами 25 и 26.

Для исключения неоднозначности пеленгации источника излучения сложного сигнала в предлагаемом устройстве используется корреляционная обработка канальных ФМн СИГНаЛОВ Unp1 (t) И Unp2 (t), Unp1 (t) И

Unp3 (t). При этом максимум корреляционной функции R (т) соответствует зоне однозначности, т.е. области, где разности фаз Afi и A f2 изменяются на величину, равную или меньшую 2тт.

Напряжения ипр1 (t) и unp2 (t) (unpi (t) и Unp3 (t)) с выходов усилителя 9 первой промежуточной частоты и усилителя 17 первой промежуточной частоты (с выходов усилителя 9 первой промежуточной частоты и усилителя 18 первой промежуточной частоты) поступают на коррелятор 19 (20), на выходе которого образуется напряжение UKI (и«2), пропорциональное корреляционной функции R (т) Напряжение будет иметь максимальное значение только при R (r0) «o, т0 , где оь,Дэ - истинные пеленги. При зтом пороговый уровень Unop в пороговом блоке 21 (22) превышается только при максимальном значении корреляционной функции R (r0), а следовательно, при максимальном напряжении UKimax (UK2max)

1)К1тлах Unop, UK2max Unop И HQ превышается при значениях т, соответствующих боковым лепесткам корреляционной функции R fr) (UK1 Unop, U«2 Unop). При превышении порогового уровня Unop в пороговом блоке 21 (22) (UK1max Unop, Unop)

формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 27 (28) и открывает его. Ключи 27 и 28 в исходном состоянии всегда закрыты. При этом напряжения U4 (t) и us (t) с выходов узкополосных фильтров 25 и 26 через открытые ключи 27 и 28 поступают на первые входы фазовых детекторов 29 и 30, на вторые входы которых подается напряжение Ur2 (t) с выхода гетеродина 12. На выходах фазовых детекторов-29 и 30 образуются постоянные напряжения

Чн1 UH COS Др1 , UH2 UH COS ,

где UH - Ј Кз U4 Ur2,

Кз - коэффициент передачи фазовых детекторов;

пропорциональные фазовым сдвигам и Ада. Эти напряжения регистрируются индикаторами 31 и 32.

Если на вход анализатора спектра поступает ФМн-4 сигнал у (t) 0, к, Як л,

то на выходе полосового фильтра 11.1 обра- зуется ФМн-2 сигнал рк (t) 0, я, 2 я, 3 я, а на выходах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются соответствующие гармонические напряжения U2 (t) и из (t). В этом случае на экранах индикаторов 6 и 6.1 наблюдают- 0 ся спектры ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экранах индикаторов 6.2 и 6.3 наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг.2б).

Если на вход устройства поступает ФМн-8

сигнал рк (t) 0, тЈ, я, я, | я, я, я,

то на выходах полосовых фильтров 11.1 и 11,2 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе пбл осового фильтра 11.3 образу0 ется гармоническое напряжение из (t). В этом случае на экранах индикаторов 6, 6.1 и 6.2 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4 и ФМн-2 сигналов, а на экране индикйтора 6.3 наблюдается одиночная спектральная со5 ставляющая (фиг.Зв)

Если на вход устройства поступает ЧМн-2 сигнал (фиг.За), то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется частотно-ма- нипулированный сигнал с индексом

0 девиации частоты h 1. При этом его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2fi и 2f2. На выходе полосового фильтра 11.2 образуются две спектральные составляющие на частотах 4fi

5 и 4f2. А на выходе полосового фильтра 11.3 образуются две спектральные составляющие на частотах 8fi и 8f2 (фиг 2г)

Если на вход устройства поступает ЧМн-3 сигнал (фиг 36), то на выходах поло0 совых фильтров 11.2 и 11,3 образуются три спектральные составляющие на частотах 4fi, 4fCp, 4f2 и 8fi, 8fCp, 8(2, т.е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие (фиг.2д).

В На выходе перемножителя 10.1 спектр ЧМн-3 сигнала трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку п 1. Таким образом, на экранах индикаторов б и 6.1 визуально будут наблюдаться сплошные спектры.

0 Если на вход устройства поступает ЧМн-5 сигнал (фиг.Зв), то на выходе перемножителя 10.3 его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на часто5 тах 8fi, 8fs, 8fcp 8f4, 8f2. На выходах перемножителей 10.1 и 10.2 сплошной спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется в сплошные спектры, так как в этих случаях h 1. Таким образом, на экранах индикаторов 6, 6.1, 6 2 будут наблюдаться сплошные спектры а на экране индикатора 6 3 - пять спектральных лепестков (фиг 2е)

Если на вход устройства поступает сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), то на выходах перемножителей 10.1, 10.2 и 10 3 ширина его спектра увеличивается в 2 4 и 8 раз Следовательно, на экране индикатора 6 визуально наблюдается спектр ЛЧМ сигнала, а на экранах индикаторов 6 1, б 2 и 6 3 наблюдаются спектры сигналов ширина которых в 2, 4 и 8 раз больше ширины спектра исходного сигнала (фиг 2ж) Это обстоятельство и является признаком распознавания ЛЧМ сигнала.

Таким образом предлагаемый анализатор спектра по сравнению с прототипом обеспечивает точную и однозначную пеленгацию источника излучения сложного сигнала в двух плоскостях При этом точность пеленгации достигается увеличением измерительных баз di и d2 А возникающая при этом неоднозначность отсчета угловых координат устраняется корреляционной обработкой сложных сигналов, у которых корреляционная функция имеет относительно высокий уровень главного лепестка и сравнительно ни «ий уровень боковых лепестков Причем зона однозначного отсчета угловых координа лежит в пределах главного лепестка корреляционной функции Кроме того, предлагаемый анализатор спектра обеспечивает высокую чувствительность при пеленгации источника излучения сложного сигнала Это достигается тем, что анализатор спектра инвариантен к виду модуляции принимаемого сигнала За счет перемножения канальных напряжений первой промежуточной частоты с напряжением второй промех уточной частоты осуществляется свертка спектра принимаемого сигнала и перенос измеряемых разностей фаз и на частоту од-2 второго гетеродина 12 Образующиеся гармонические напряжения U4 (t) и us (t) выделяются узкополосными фильтрами 25 и 26, отфильтровывая при этом значительную часть шумов, т.е.

реальная чувствительность анализатора спектра повышается Тем самым Функцио нальные возможности анализатора спектра расширяются Формула изобретения

Акустооптический анализатор спектра

по авт ев № 1626182, отличающийся

тем, что, С целью расширения области использования за счет обеспечения определения точного и однозначного направления на источник принимаемого сигнала в двух дло- скостях, введены параллельные каналы азимута и угла места, каждый из которых включает дополнительную антенну, выход

которой соединен последовательно с первым входом дополнительного смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина преобразователя частоты анализатора, дополнительным усилителем первой промежуточной частоты, первым входом дополнительного перемножителя, узкополосным фильтром, первым входом ключа первым входом фазового детектора и индикатором, коррелятор, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами дополнительного усилителя первой промежуточной частоты соответствующего параллельного канала и усилителя первой промежуточной частоты

анализатора, выход которого соединен последовательно с пороговым блоком v вторым входом ключа в каждом параллельном канале а также дополнительный смеситель, усилитель промежуточной частоты, соединенные последовательно, и дополнительный гетеродин, причем первый вход дополнительного смесителя соединен с выходом усилителя первой промежуточной частоты соединен с вторым выходом

дополнительного перемножителя каждого параллельного канала, а выход дополнительного генератора соединен с вторым входом дополнительного смесителя и вторым входом фазового детектора каждого паралдельного канала.

л л

Ж

9 t г

7

J

b г

А/Л у Ъ-Щ Vh -Ш

OGfrCftU

а

Kfl)

1

«

Tuf. 4t

УГц

j

-i,to.

Фчг. 5

/