акустооптический анализатор спектра

Формула изобретения

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА, содержащий последовательно соединенные лазер, коллиматор и четыре ячейки Брэгга, в продифрагированном луче каждой из которых последовательно установлены линзы и матрица фотодетекторов в ее фокальной плоскости, электрическим выходом подключенная к блоку визуальной индикации спектра, а также последовательно включенные приемную антенну, преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, первый полосовой фильтр, второй перемножитель, второй полосовой фильтр, третий перемножитель и третий полосовой фильтр, при этом к входам умножителя и к выходу каждого полосового фильтра подключены электрические входы соответствующих ячеек Брэгга, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем точной и однозначной пеленгации источника излучения сложных сигналов с линейной частотной модуляцией, в него введены последовательно соединенные с приемной антенной переключатель, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и элемент И, генератор счетных импульсов, соединенный с вторым входом элемента И, последовательно соединенные дифференцирующая цепь, счетчик, арифметический блок и пятый блок индикации, последовательно соединенные вторая антенна, четвертый перемножитель, усилитель низкой частоты и электронно-счетный частотомер, подключенный к второму входу арифметического блока, причем второй вход четвертого перемножителя соединен с переключателем, выход элемента И соединен с вторым входом счетчика, а выход дифференцирующей цепи соединен с выходом амплитудного детектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для визуального спектра сложных сигналов и определения вида из модуляции.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем точной и однозначной пеленгации источника излучения сложных сигналов с линейной частотной модуляцией.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого анализатора; на фиг. 2 - возможный вид осциллограмм на экранах блоков индикации; на фиг. 3 - схема взаимного расположения символьных частот сигналов с многократной частотной манипуляцией; на фиг. 4 - схема изменения фазы частотно-манипулированного сигнала; на фиг. 5 и 6 - частотные и временные диаграммы, поясняющие работу анализатора; на фиг. 7 - принцип пеленгации источника излучения ЛЧМ сигналом фазовым методом в одной плоскости.

Акустооптический анализатор спектра содержит лазер 1, коллиматор 2, первую, вторую, третью и четвертую ячейки 3.1-3.4 Брэгга, первую, вторую, третью и четвертую линзы 4.1-4.4, первую, вторую, третью и четвертую матрицы 5.1-5.4 фотодетекторов, первый, второй, третий и четвертый блоки 6.1-6.4 индикации, первую антенну 7, преобразователь 8 частоты, усилитель 9 промежуточной частоты, первый, второй и третий перемножители 10.1-10.3, первый, второй и третий полосовые фильтры 11.1-11.3, переключатель 12, узкополосный фильтр 13, амплитудный детектор 14, генератор 15 счетных импульсов, элемент И 16, дифференцирующую цепь 17, счетчик 18, вторую антенну 19, четвертый перемножитель 20, усилитель 21 низкой частоты, электронно-счетный частотомер 22, арифметический блок 23 и пятый блок 24 индикации, причем на пути распространения пучка света лазера 1 установлены коллиматор 2 и четыре ячейки 3.1-3.4 Брэгга, а на пути дифрагированного пучка света - соответствующая линза 4.1(4.2-4.4), в фокальной плоскости которой размещается соответствующая матрица 5.1(5.2-5.4) фотодетекторов, выход которой соединен с соответствующим блоком 6.1(6.2-6.4) индикации.

Анализатор спектра работает следующим образом.

Сигнал, принятый антенной 7, поступает на вход преобразователя 8 частоты, состоящего из смесителя и гетеродина. Преобразованный по частоте сигнал выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.1 Брэгга, где происходит преобразование сигнала в акустическое колебание.

Пучок света от лазера 1, сколлимированный коллиматором 2, проходит через ячейки 3.1-3.4 Брэгга и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных сигналом. На пути распространения дифрагируемой части пучка света устанавливаются линзы 4.1-4.4. В фокальных плоскостях указанных линз, формирующих пространственный спектр принимаемого сигнала, установлены матрицы 5.1-5.4 фотодетекторов. Каждому разрешающему элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор.

Ячейка 3.1(3.2-3.4) Брэгга состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобат-лития соответственно Х и Y - 35^о среза. Это обстоятельство 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.

Если на вход анализатора спектра поступает сложный сигнал с бинарной фазовой манипуляцией (ФМн-2), то его аналитически можно записать следующим образом:

u_c(t) = U_ccos[2 f_ct + _к (t) + _c ] ,

0 t T_c, где U_c, f_{c c} и Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала соответственно;

_к (t) = 0, - манипулирующая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем _к (t) = cons при kT_и < t < (k + 1) _и и может изменяться скачком при t = k _и , т. е. на границах между элементарными посылками (K = 1, 2, . . . , N = = 1);

_и и N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c (T_c = N _и ).

Указанный сигнал поступает на вход преобразователя 8 частоты, на выходе которого образует напряжение

u_пр(t) = U_прcos[2 f_прt + _к (t) + _пр),

0 t T_c, где U_пр = 1/2 K U_cU_г;

К - коэффициент передачи смесителя;

f_пр = f_c - f_г - промежуточная частота;

_пр= _c-_г - промежуточная начальная фаза;

U_г, f_г и _г - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина соответственно.

Это напряжение выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.1 Брэгга и на два входа перемножителя 10.1, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

u₁(t) = U_ccos(4 f_прt + 2 _пр),

0 t T_c,

где U₁ = 1/2 K₁U²_пр;

К₁ - коэффициент передачи перемножителя.

Так как 2 _к (t) = 0,2 , то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение u₁(t) выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.2 Брэгга и на два входа перемножителя 10.2, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

u₂(t) = U₂cos(8 f_прt + 4 _пр),

0 t T_c, где U₂ = 1/2 K₁U₁².

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.2 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.3 Брэгга и на два входа перемножителя 10.3, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

u₃(t) = U₃cos(16 f_прt + 8 _пр),

0 t T_c,

где U₃ = 1/2 K₁U₂². Это напряжение выделяется полосовым фильтром 11.3 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.4 Брэгга.

Ширина спектра ФМн-2 сигнала f_c определяется длительностью _и элементарных посылок ( f_c = 1/ _и), тогда как ширина спектра второй f₂, четвертой f₄, восьмой f₈ гармоник определяется длительностью Т_с сигнала ( f₂ = f₄ = f₈ = 1/T_c ). Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала "сворачивается" в N раз ( = = N) и 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 6.1-6.4 соответственно (фиг. 2а).

Если на вход анализатора спектра поступает ФМН-4 сигнал[ (t) = 0, , , ] , то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется ФМн-2 сигнал [ _к (t) = 0, , 2 , 3 ] , а на выходе полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются соответствующие гармонические составляющие u₂(t) и u₃(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 - одиночные спектральные составляющие (фиг. 2б).

Если на вход анализатора поступает ФМн-8 сигнал[(t) = 0, , , , , , , ] , то на выходах полосовых фильтров 11.1 и 11.2 образуются ФМн-4 и ФМ-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 11.3 - гармоническое напряжение. В этом случае на экранах индикаторов 6.1-6.3 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4, ФМн-2 сигналов, а на экране индикатора 6.4 - одиночная спектральная составляющая (фиг. 2в).

Если на вход анализатора поступает ЧМн-2 сигнал (фиг. 3а)

u_c(t) = U_ccos[2 f_срt + (t) + _c] ,

0 t T_c,

где f_cp= - средняя частота сигнала (фиг. 3);

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

f₁= f_cp+ , f₂= f_cp+ - символьные частоты, то на выходе полосового фильтра 11.1 образуется частотно-манипулированный сигнал с индексом девиации частоты h = 1. При этом спектр трансформируется в спектральные составляющие на частотах 2f₁и 2f₂. На выходе полосового фильтра 11.2 образуются две спектральные составляющие на частотах 4f₁ и 4f₂, а на выходе полосового фильтра 11.3 - две спектральные составляющие на частотах 8f₁ и 8f₂ (фиг. 2г).

Если на вход анализатора поступает ЧМн-3 сигнал (фиг. 3б), то на выходе полосовых фильтров 11.2 и 11.3 образуются три спектральные составляющие на частотах 4f₁, 4f_ср, 4f₂ и 8f₁, 8f_ср, 8f₂, т. е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие (фиг. 3д). На выходе перемножителя 10.1 спектр ЧМн-3 сигнала трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h < 1. Таким образом, на экране индикаторов 6.1 и 6.2 визуально наблюдаются сплошные спектры.

Если на вход анализатора поступает ЧМн-5 сигнал (фиг. 3в), то на выходе перемножителя 10.3 его сплошной спектр трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8f₁, 8f₃, 8f_ср, 8f₄ и 8f₂. На выходах перемножителей 10.1 и 10.2 сплошной спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется в другие сплошные спектры, так как в этом случае h < 1. Таким образом, на экранах индикаторов 6.1-6.3 наблюдаются сплошные спектры, а на экране индикатора 6.4 - пять спектральных лепестков (фиг. 2е).

Если на вход анализатора поступает сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ)

u_c(t) = U_ccos(2 f_ct + t² + _c ] ,

0 t T_c,

где U_c, f_c, _c и Т_с - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и длительность сигнала соответственно;

= - скорость изменения частоты внутри импульса;

f_д - девиация частоты, то преобразователем 8 частоты он переносится на промежуточную частоту

u_пр(t) = U_прcos(2 f_прt + t² + _пр),

0 t T_c. Напряжение u_пр(t) выделяется усилителем 9 промежуточной частоты и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.1 Брэгга и на два входа перемножителя 10.1, на выходе которого образуется ЛЧМ-сигнал

u₁(t) = U₁cos(4 f_прt + 2 t² + 2 _пр),

0 t T_c. который выделяется полосовым фильтром 11.1 и поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки 3.2 Брэгга. Так как длительность Т_с ЛЧМ-сигнала на основной и удвоенной промежуточной частоте одинакова, то увеличение в 2 раза происходит за счет увеличения в 2 раза девиации частоты f_д. Из этого следует, что ширина спектра ЛЧМ-сигнала на удвоенной промежуточной частоте в 2 раза больше его ширины спектра на основной промежуточной частоте ( f₂ = 2 f_c). Аналогично на выходах перемножителей 10.2 и 10.3 ширина спектра ЛЧМ-сигнала увеличивается в 4 и 8 раз ( f₄ = 4 f_c, f₈ = 8 f_c).

Следовательно, на экране индикатора 6.1 визуально наблюдается спектр ЛЧМ-сигнала, а на экранах индикаторов 6.2-6.4 - спектры ЛЧМ-сигналов, ширина которых в 2, 4 и 8 раз больше ширины спектра исходного ЛЧМ-сигнала (фиг. 2ж). Это обстоятельство является признаком распознавания ЛЧМ-сигнала и поводом для перевода оператором переключателя 12 в замкнутое положение. При этом принимаемый ЛЧМ-сигнал u_c(t) с антенны 7 через замкнутый переключатель 12 поступает на первый вход перемножителя 20, на второй вход которого с антенны 19 подается ЛЧМ-сигнал u_c(t)

u_c(t + ) = U_ccos[2 f_c(t + ) + (t+)² + _c ] ,

0 t T_c,

где = = - время запаздывания сигнала, приходящего на антенну 19, по отношению к сигналу, приходящему на антенну 7.

В результате перемножения образуется результирующее напряжение u (t) = u_c(t)u_c(t + ) = U_бcos(2 f_бt + _б) + + U_бсos(4 f_ct + 2 f_бt + _б + 2 t²+ 2 _с), где U_б = 1/2 K₁U_c²;

К₁ - коэффициент передачи перемножителя;

f_б = - частота биений;

_б= 2f_c+²- начальная фаза биений.

Усилителем 21 низкой частоты выделяется напряжение биений (напряжение разностной частоты)

u₅(t) = U_бcos(2 f_бt + _б), 0 t T_c. При этом угол прихода радиоволн определяется следующим образом:

= arccos .

Поскольку при изменении угла меняется и величина частоты биений f_б, то последняя однозначно определяет пеленг на источник излучения ЛЧМ-сигналов (фиг. 5а). Для определения угла прихода радиоволн необходимо измерить частоту биений f_б и скорость изменения частоты внутри импульса. Частота биений (фиг. 5б) измеряется с помощью электронно-счетного частотомера 22. Из непрерывного переменного напряжения u_б(t) частоты f_б формируются короткие импульсы, частота следования которых остается равной f_б. Если сосчитать число импульсов n₁за известный интервал времени t, то легко определить искомую частоту

f_Б= .

В частности, если t = 1 с, то измеренное количество импульсов n₁численно равно неизвестной частоте. Количество импульсов n₁ с выхода частотомера 22 поступает на первый вход арифметического блока 23.

Для измерения скорости изменения частоты внутри импульса напряжение u_c(t) с антенны 7 через замкнутый переключатель 12 поступает на вход узкополосного фильтра 13 с полосой пропускания f (фиг. 6а). На выходе узкополосного фильтра 13 образуется радиоимпульс (фиг. 6б) длительностью t_u= . Этот радиоимпульс поступает на вход амплитудного детектора 14, который выделяет его огибающую. Прямоугольный видеоимпульс с выхода амплитудного детектора 14 (фиг. 6в) поступает на первый вход элемента И 16, на второй вход которого подаются счетные импульсы с выхода генератора 15 (фиг. 6г). На выходе элемента И 16 образуются счетные импульсы, количество которых n₂ подсчитывается счетчиком 18. Видеоимпульс с выхода амплитудного детектора 14 (фиг. 6в) поступает одновременно на вход дифференцирующей цепи 17, на выходе которой образуется два коротких разнополярных импульса (фиг. 6е), причем положительным коротким импульсом счетчик 18 приводится в исходное (нулевое) состояние, т. е. подготавливается к работе, а отрицательным коротким импульсом сосчитанное количество n₂ счетных импульсов переводится в арифметический блок 23, в котором определяется угол прихода радиоволны в цифровом коде. Последний регистрируется индикатором 24. (56) Авторское свидетельство СССР N 1626182, кл. G 01 R 23/17, 1989.