Акустооптический анализатор Советский патент 1993 года по МПК G01R23/16 

00

о о со

00

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для визуального анализа спектра сложных сигналов, определения пеленга и вида их модуляции. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем пеленгации источника излучения сложного сигнала, Цель достигается введением в устройство второго гетеродина 12, второго смесителя 13, усилителя 14 второй промежуточной частоты, второй и третьей антенн 15 и 16,третьего и четвертого смесителей 17 и 18,второго и третьего усилителей 19 и 20 первой промежуточной частоты, четвертого и пятого перемножителей 21 и 22, второго и третьего узкополосных фильтров 23 и 24, первого и второго фазовых детекторов 25 и 26, пятого и шестого блоков 27 и 28 индикации. Устройство содержит также лазер 1, коллиматор 2, ячейки Брэгга 3-1-3-4, линзы 4-1-4-4, матрицы фотодетекторов 5- 1-5-4, блоки 6-1-6-4, первую антенну 7, преобразователь 8 частоты, состоящий из первого гетеродина 8.1 и первого смесителя 8.2, первый усилитель 9 первой промежуточной частоты, первый, второй и третий перемножители 10.1, 10.2 и 10.3, первый, второй и третий полосовые фильтры 11,1 11,2 и 11.3.4ил. ел С

N3

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для визуального анализа спектра сложных сигналов, определения пеленга и вида их модуляции.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем пеленгации источника излучения сложного сигнала.

Структурная схема анализатора спект- ра представлена на фиг. 1; взаимное расположение символьных частот сложных сигналов с многократной частотной манипуляцией показано на фиг.2; закон изменения фазы частотно-манипулированного сигнала изображен на фиг.З; принцип пеленгации источника сложного сигнала фазовым методом в одной плоскости иллюстрируется фиг,4.

Устройство содержит лазер 1, коллима- тор 2, ячейки Брэгга 3-1-3-4, линзы 4-1-4-4, матрицы фотодетекторов 5-1-5-4, блоки 6- 1-6-4 индикации, первую антенну 7, преобразователь 8 частоты, состоящий из первого гетеродина 8.1 и первого смесителя 8,2, пер- вый усилитель 9 первой промежуточной частоты, первый, второй и третий перемножители 10.1, 10.2 и 10.3, первый, второй и третий полосовые фильтры 11.1, 11.2 и 11.3, второй гетеродин 12, второй смеситель 13, усилитель 14 второй промежуточной частоты, вторую и третью антенны 15 и 16, третий и четвертый смесители 17 и 18, второй и третий усилители 19 и 20 первой промежуточной частоты, четвертый и пятый перемножители 21 и 22, первый и второй узкополосные фильтры 23 и 24, первый и второй фазовые детекторы 25 и 26, пятый и шестой блоки 27 и 28 индикации.

К выходу первой антенны 7 последова- тельно подключены смеситель 8.2, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 8.1, усилитель 9 первой промежуточной частоты, смеситель 13, второй вход

которого соединен с выходом гетеродина

12, и усилитель 14 второй промежуточной частоты. К выходу усилителя 9 первой промежуточной частоты последовательно подключены перемножитель 10.1, полосовой фильтр 11.1, перемножитель 10.2, полосе- вой фильтр 11.2, перемножитель 10.3 и полосовой фильтр 11.3. На пути распространения пучка света лазера 1 последовательно установлены коллиматор 2 и четыре ячейки Брэгга 3-1-3-4. На пути рас- пространения каждого дифрагированного пучка света установлена линза 4-1-4-4, в фокальной плоскости которой размещена матрица фотодетекторов 5-1-5-4, к выходу которой подключен блок 6-1-6-4 индикации.

5

10 15

0 5 0 5

0

5

0 5

Пьезоэлектрические преобразователи ячеек Брэгга 3-1-3-4 соединены с выходами усилителя 9 первой промежуточной частоты и полосовых фильтров 11.1, 11.2 и 11.3. К выходу антенны 15 (16) последовательно подключены смеситель 17 (18), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 8, усилитель 19 (20) первой промежуточной частоты, перемножитель 21 (22), второй вход которого соединен с выходом усилителя 14 второй промежуточной частоты, узкополосный фильтр 23 (24), фазовый детектор 25 (26), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 12, и блок 27 (28) индикации.

В устройстве используется двухшкаль- ный метод устранения неоднозначности отсчета угловой координаты (фиг.4). При этом меньшая фаза di образует грубую, но однозначную шкалу отсчета, а большая база d2 - точную, но неоднозначную шкалу отсчета. Причем между указанными базами выполняются следующие условия:

di/ Я 1/2 d2/ Я .

Акустооптический анализатор спектра работает следующим образом.

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

Ui(t) Uccos 2 л fc t + р k (t) + p ,

U2(t) UcCOS 2 71 fc t + (p k (t) + (p

Us(t) Uccos 2 n fc t + p k (t) + tp

0 t TC

где Uc, fc, Tc, (p 1, p 2 p. з - амплитуда, несущая частота, длительность и начальные фазы сигналов;

(t) 0, тс- манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем р i(t) const при k т и t ( k+ 1) г и и может изменяться скачком при t k Tn. т.е. на границах между элементарными посылками (k 1, 2, .... N-1);

г и, N -длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс (Тс N т и).

Эти сигналы с выходов антенн 7, 15 и 16 соответственно поступают на первые входы смесителей 8-2, 17 и 18, на вторые входы которых подается напряжение Uri гетеродина 8-1.

На выходах смесителей 8-2, 17 и 18 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 9, 19 и 20 выделяются напряжения Unpi первой промежуточной частоты tnpl.

Напряжение Unpi (t) с выхода усилителя 9 первой промежуточной частоты поступает на два входа перемножителя 10.1, на выходе которого образуется гармоническое колебание

U4(t) U4COS (4 7Tfnplt + 2 npl), О t Тс

rfleU4 1/2K2U2npi;

К2 - коэффициент передачи перемножителя;

р пр1 fc-fri первая промежуточная частота.

Так как 2 р k(t) 0,2 л , то в указанном колебании фазовая манипуляция уже отсутствует. Колебание U4(t) выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на два входа перемножителя 10.2, на выходе которого образуется гармоническое колебание Us(t):

U5 1/2K2U24

Это колебание выделяется полосовым фильтром 11,2 и поступает на два входа перемножителя 10.3, на выходе которого образуется гармоническое колебание

Ue 1 /2 К2 U25.

Это колебание выделяется полосовым фильтром 11.3.

Напряжение Unpi (t) и гармонические колебания U4(t), Us(t) и ue(t) с выходов усилителя 9 первой промежуточной частоты и полосовых фильтров 11.1, 11,2 и 11.3 поступают на пьезоэлектрические преобра- .зователи ячеек Брэгга 3-1-3-4 соответственно, где происходит их преобразование в акустические колебания.

Пучок света от лазера 1, сколлимиро- ванный коллиматором 2, проходит через все ячейки Брэгга 3-1-3-4 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных указанными напряжениями.

На пути распространения каждой дифрагируемой части пучка света устанавливается линза 4-1-4-4, в фокальной плоскости которой формируется пространственный спектр принимаемого сигнала и устанавливается матрица фотодетекторов 5-1-5-4, к выходу которой подключен блок 6-1-6-4 индикации. Каждому разрешаемому элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор. Каждая

ячейка Брэгга 3-1-3-4 состоит из звукопро- вода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития, соответственно X

и У - 35° среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот. В качестве блоков 6-1-6-4 индикации могут быть использованы осциллографические индикаторы.

Ширина спектра ФМН-2 сигнала Д fc определяется длительностью т его элементарных посылок (A fc 1/г п). Тогда как ширина спектра второй A f2, четвертой А

f4 и восьмой A fe гармоник определяется длительностью Тс сигнала (A fc A f4 A f в 1/Тс). Следовательно, при умножении фазы (частоты) на два, четыре и восемь спектр ФМН-2 сигнала сворачивается в N

Afc Afc Afc м,

раз (-Sfl -КГ TS N } и транс формируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельно и является признаком распознавания ФМН-2 сигнала.

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 (2 Л fr2 + р г2 ),

где Ur2, fr2, p г2 - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина 12. На выходе смесителя 13 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 14 выделяется напряжение только второй промежуточной частоты

Unp4(t) Unp2 COS 2 П fnp2t + р k(t) + (р пр4

О t Тс

45 гдеипр2 1/2 KUnpi Ur2;

50

fnp2 fnpi - fr2 - вторая промежуточная частота;

р пр2 р пр1- р г2 ,

которое подается на вторые входы перемножителей 21 и 22, на первые входы которых поступают напряжения Unp2 (t) и Unp3 (t) с выходов усилителей 19 и 20 первой промежуточной частоты соответственно.

На выходах перемножителей 21 и 22 образуются гармонические напряжения

U(t), Ue(t); U(t) U cos (2 я + p a

+ Ay 1); U7 1/2K2Unp1,Unp2;U8(t)U7COS (2 7Г fr2) + ф r2 + 2 ), 0 t ТС,Л 1 . 2 я di/ A sin a ;

рз - pi 2 jrdj A sin a ;

которые выделяются узкополосными фильтрами 23 и 24 и поступают на первые входы фазовых детекторов 25 и 26, на вторые вхо- ды которых подается напряжение Ur2 (t) с выхода гетеродина 12. На выходах фазовых детекторов 25 и 26 образуются постоянные напряжения

UH1 ( а ) UH cos Дуя ;

UH2( a ) UH cos

где Ulf 1 /2 Кз U Ur2;

Кз - коэффициент передачи фазовых детекторов 25 и 26, пропорциональные фазовым сдвигам и Ада . Эти напряжения регистрируются индикаторами 27 и 28.

Если на вход анализатора спектра поступает ФМН-4 сигнал

pk(t) 0, л II ,я , 3/2 л ,

то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется ФМН-2 сигнал

(р k(t) 0, л ,2 л , 3 я ,

а на выходах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются соответствующие гармонические напряжения Us(t) и Deft).

Если на вход устройства поступает ФМН-8 сигнал

(г) 0,я /4, я /2, 3/4 п , л , 5/4 я , 3/2 я , 7/4 я,

то на выходах полосовых фильтров 11.1 и 11.2 образуются ФМН-4 и ФМН-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 11.3 образуется гармоническое напряжение Ue(t).

Если на вход устройства поступают сложные сигналы с бинарной частотной манипуляцией (ЧМН-2), то аналитически их можно записать следующим образом:

Ui(t) Uccos 2 л fcpt+ p (ъ)+ р

U2(t) Uc COS 2 Я fcp t + /(t) + p 2 ; U3(t) Uc COS 2 Я fcpt + p (t) + (p 2 , 0 t Tc,

где р (t) - изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг.4);

f +f2

средняя частота сигнала

fcp:- 2

(фиг.За);

f 1 fcp - 1 /4 ru , f2 fcp +1/4 ru - символьные частоты.

Фазовая функция может быть представлена выражением

p(t) 2 я h f 2 bkq(Kr)dr, - ock

где bk - последовательность информационных символов -1, +1;

h 1 /2 - индекс девиации частоты.

Функция g(t) представляет собой импульс, определяемый на интервале 0, т п как

25

g(t)

v 1/2r , r

| , ru.

0

5

0

5

0

5

На выходе полосового фильтра 11.1 образуется частотно-манипулируемый сигнал с индексом девиации частоты h 1. При этом его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2fi и 2f2. На выходах полосовых фильтров 11,2 и 11.3 образуются две спектральные составляющие на частотах 4fi, 4 f2, и 8fi, 8f2.

Если на вход устройства поступает сигнал с дуобинарной частотной манипуляцией (ЧМН-3) (фиг.2б), то на выходах полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются три спектральные составляющие на частотах 4fi, 4fcp, 4f2 и 8fi, 8fCp, 8f2, т.е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие. На выходе перемножителя 10.1 спектр ЧМН-3 сигнала трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h 1.

Таким образом, на экранах индикаторов 6 визуально наблюдаются сплошные спектры,

Если на вход устройства поступает сложный сигнал со скругленной частотной манипуляцией (ЧМН-5) (фиг.2), то на выходе перемножителя 10.3 его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8fi, 8f4, 8fs, 8fs и 8f2. На выходах перемножителей 10.1 и 10.2 сплошной спектр ЧМН- 5 сигнала трансформируется в другие сплошные спектры, так как в этих случаях h 1.

Если на вход устройства поступают сложные сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ)

Ui(t) Uccos( fct+ nyi2 + р i);

U2(t) Uc COS (2 Л fc t + Л у t2 + -(f) 2 );

Ua(t) Uc cos (2 л tc t + л у t2 + p з), 0 t Tc,

где y Afej/Tc - скорость изменения частоты внутри импульса.

А fg-дивиация частоты,

то усилителями 9, 19 и 20 первой промежуточной частоты выделяются напряжения

Unpi(t) UnPcos(2 л fnpit+ л у т2+ р прО;

Unp(t) Unp COS (2 Л fnpt + Л у Г + (р Пр 2); Unp3(t)UnpCOs(2 Л fnpt + Л у Г + ф прЗ),

О t Тс,

Напряжение Unpi (t) с выхода усилителя 9 первой промежуточной частоты поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 3 и на два входа перемножителя 10.1, на выходе которого образуется ЛЧМ-сигнал.

U4(t) 1)4cos(4 л fnpit + 2 лгу 12 + 2 p.ipi), О t Тс,

который выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 3-2. Так как длительность ТС ЛЧМ-сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте одинакова, то увеличение у в 2 раза происходит за счет увеличения в 2 раза девиации частоты A fg. Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ-сигнала на удвоенной промежуточной частоте в 2 раза больше его ширины на основной промежуточной частоте

и

5

10

15

20

25

30

35

40

45

(A f2 2 A fc). Аналогично на выходах перемножителей 10.2 и 10.3 ширина спектра ЛЧМ-сигнала 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 ЛЧМ-сигналов, ширина которых в 2, 4 и 8 раз больше ширины спектра исходного ЛЧМ-сигнала. Это обстоятельство и является признаком распознавания ЛЧМ-сигнала.

Формула изобретения

Акустооптический анализатор спектра по авт.св. N° 1626182, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем пеленгации источника излучения сложного сигнала, в него введены вторая и третья антенны, второй, третий и четвертый смесители, второй и третий усилители первой промежуточной частоты, второй гетеродин, четвёртый и пятый перемножители, два узкополосных фильтра, два фазовых детектора, усилитель второй .промежуточной частоты, пятый и шестой блоки индикации, причем к выходу первого усилителя первой промежуточной частоты последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и усилитель второй промежуточной частоты, к выходу второй и третьей антенн последовательно подключены соответственно третий и четвертый смесители, второй вход которых соединен с выходом первого гетеродина, второй и третий усилители первой промежуточной частоты, четвертый и пятый перемножители, второй вход которых соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, первый и второй фазовый детекторы, второй вход которых соединен с выходом второго гетеродина, и с пятым и шестым блоками индикации соответственно.