Анализатор спектра случайных сигналов Советский патент 1981 года по МПК G01R23/16 

(54) АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к раяиоизмери- тельной технике и предназначено для ана лиза энергетического спектра случайного сигнала. Известно устройство, содержащее источник когерентного света, коллиматс, транспарант с фотозаписью сигнала,ци- линдрическую линзу, транспарант с прозрачностью, изменяющейся по линейному закону, для фотоприемника, щелевые диафрагмы, позволяющие определять моменты спектра мощности случайного сигнала путем интегрирования поверхностью фотоприемника распределения светового поля в спектральной плоскости цилиндрической линии и механического перемещения фотоприемник овГ11 Недостатки известного устройства - малое быстродействие и малая точность. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройст. во, содержащее источник когерентного света, коллиматор, транспарант с записями пространственньрс моделей сигналов в виде переменной плотности, цилиндрическую линзу, блок зеркальных гапьванометров, генератор, светоприемиики и светолучевой слцнллограф, которое предназначено для анализа частотных спектров электрических сигналов. Устройство позволяет получать спектр мощности одновременно нескольких сигналов путем установления в фокальной плоскости цилиндрической линзы зеркал блока гальгванометров, отражения лучей света от каждого гальванометра и подачи на соответствующие светоприемники. Устройство можно использовать в качестве ооновы и для других целей, в частности для Получения энергетического спектра случайного сигнала 2. Недостатками известного устройства являются малая точность, так как не осуществляется сглаживания шенки спектра, а также малое быстродействие, так как считывание спектра осуществляется за счет механического углового перемещения зеркал. 3 Цепь изобретения - повышение точности и быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в анализатор спектра, содержащий по слеаовагельно расположенные на оптичес кой оси источник когерентного оптического излучения, коллиматор, транспарант с Записью реализаций анализируемого случайного сигнала в виде горизонтальных дорожек, расположенных параллельно друг Другу, и цилиндрическую линзу, расположенную вертикально, последовательно соединенные синхронизирующий узел и индикатор, генератор фазных напряжений, введен коммутатор, а в спектральную плоскость помещена фотоматрица приборов с зарядовой связью, в которой управляющие входы вертикальных каналов переноса зарядов и одного горизонтального канала переноса зарядов подключены через коммутатор к генератору фазных напряжений, управляющий вход коммутатора Подключен к синхронизирующему узлу, а выход упомянутой фотоматрицы ПОДКЛЕОчен ко второму входу индикатора. На фиг. 1 схематически изображен анализатор спектра случайных сигналов; на фиг. 2 - запись реализаций случайного сигнала в транспаранте. Устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси источник 1 когерентного света, коллиматор 2 и транспарант 3 с записью реализаций случайного сигнала в виде горизонтальньк дорожек, расположенных параллельно друг другу, которые установлены в передней фокальной плоскости цилиндрической линзы 4, фотоматрицу 5 ПЗС установленную на фокусном расстоянии от цилиндрической линзы 4, Управляющие входы h вертикальных каналов переноса и одного горизонтального канала переноса зарядов фотоматрицы 5 ПЗС через трехканальный коммутатор 6 подключены к выходу генератора 7 фазных напряжений. Управляющий вход трехканального коммутатора 6 подключен к синхронизирующему узлу 8, а выход фотоматрицы 5 ПЗС подключен на вход индикатора 9, управляющий вход которого также подключен к узлу 8. Устройство работает следующим образом. Источник 1 излучает узкий пучок когерентного света, который расширяется до необходимого размера коллиматором 2 Коллимироваяный плоскопараллельный пу- чок света проходит транспарант 3, в кот ром модулируется в соответствии с записанными реализациями случайного сигнал 93 Запись реализаций случайного сигнала (t) осуществляется вдоль оси ОХ например, в виде функции прозрачности транспаранта, при этом формируются дорожки шириной ДУ (фиг. 2). На размере Y транспаранта записывают впло-рную УУ1 Y/ДУ дорожек, расположенных параллельно друг другу. Таким образом, на транспаранте записывают Уг реалнзаций f ( Хл У ). где ,2,.., Жслучайного сигнала (-t), качестве транспаранта может использоваться, например, запись на фотопленке. Цилиндрическая линза 4 осуществля- ет одномерное преобразование Фурье по оси ОХ светового потока, промодулированного транспарантом 3, а по оси ДУ только параллельный перенхк;. Таким образом, в спектральной плоскости ( наблюдается распределение фаз и амплитуд светового поля, однозначно связанна; с КО одновременными преобразователями Фурье от каждой записанной реализации соответственно .Y-) k,rf(x,v/),(n где 1 1,2,,., уи, К( - коэффициент пропорциональности, иЛ(- пространственная частота, Разрешающая способность преобразования Фурье по оси (Xi/)( определяетсядлиной записанной реализации X и равна 2ЯГ AtW Т( 2)При спектральном анализе случайного процесса преобразование Фурье от реализации не является состоятельной оценкой спектра, то есть дисперсия оценки не стремится к нулю при . В оптичеаких спектроанализаторах сдучайных сигналов оценка энергетического спектра (ЭС) должна иметь вид ) ijECj Jl j, где VW, I - оператор усреднения по множеству реализаций преобразования Фурье, В предлагаемом устройстве усреднение осуществляется по )vi реализациям преобразования Фурье при считывании по вертикали светового поля с помощью фотоматрицы ПЗС 5, В фотоматрице 5 индуцируются заряды, пропорциональные интенсивности света в спектральной ппос- JJQQ/PJJ cv(a;x,Y|)«2Ui4oyK,Y iri (4) где К ;- - коэффициент пропорциональнос2та. Далее осуществляется процесс считывания светового поля, для чего с синхронизирующего узла 8 подается управляющий импульс на трехканальный коммутатор, через который с генератора 7 фазных напряжений управляющие импульсы поступают на электроды вертикальных каналов переноса. Заряды по К1 вертикаль ным каналам переносятся в соответствую щне ячейке горизонтального .канала пе реноса, где осуществляется суммирование распределения зарядов по оси У,. (4)--.Sq(2,Y:-); . После считывания по вертикали с синх редаизирующего узла-8 подается управляю здий импульс на трехканальньй коммута- тс, переключает выходы генера тора 7 фазных напряжений на входы, гори зонтального канала переноса. Осуществляется считывание по горизонтали. На выходе горизонтального каналапереноса который является выходом фотоматрицы ПЗС 5, напряжение пропорционально зарядуъш(т( (С-) Оценка энергетического спектра с учетом выражений (4), (5), и (6) имее вид.- . ЦКнл .I.Tl.) Деление на число реализаций УИ дает среднеарифметическое по реализациям преобразования Фурье и при щ соответствии с законом больших чисел среднеарифметическое сходится к среднему значению, которое необходимо получить дп51 сщенки ЭС (3). Напряжение Ugbi4 подается на индикатор 9, коэффициенты пропорциональ ности учитываются копибровкой индикатора 9. Применение предлагаемого анализатора позволяет повысить точность измерения энергетического спектра случайного сигнала, так как для получения одного отсчета ЭС усредняется больщое количество отсчетов преобразования Фурье от реализаций, повысить быстродействие, так как считьшание по вертикали осу цествляется параллельно, а также позволяет увеличить разрешающую способность спектрального анализа и сделать ее равной разрешающей способности преобразования Фурье. Формула изобретения. Анализатор спектра случайных сигналов, содержащий последовательно расположенные на оптической оси источник оптического излучения, коллиматор, транопарант с записью реализаций анализируемого случайного сигнала в виде горизонтальных дорожек, расположенных параллельно друг другу, и цилиндрическую пинзу, расположенную вертикально, последовательно соединенные синхронизирующий узел и индикатор, генератор фазньк напряжений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, он снабжен коммутатс ом, а в спектральную плоскость помещена фотЬ матрица прибс ов с зарядовой связью, в которсй управляющие входы вертикальных каналов переноса зарядов и однся о гори- зонтального канала переноса зарядов подключены через коммутатор к генератоРУ фазных напряжений, управляющий вход коммутатора подключен к синхронизирующему узлу, а выход упомянутой фотоматрицы подключен ко второму входу индикатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторскоесвидетельство СССР N9 398987, кп. G О1 R 23/16, 1Э73. 2.Авторское свидетельство СССР № 327416, кл. Q О1 Я 23/16, 1972 (прототип).