акустооптический приемник-частотомер
Классы МПК: | G01R23/17 с вспомогательными оптическими приборами G01R23/16 анализ спектра;гармонический анализ |
Автор(ы): | Роздобудько В.В. |
Патентообладатель(и): | Таганрогский государственный радиотехнический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-02-03 публикация патента:
10.01.2002 |
Изобретение относится к области радиоизмерительной техники и может быть использовано в качестве высокоточного приемника-частотомера, работающего в автоматическом режиме. Технический результат, заключающийся в увеличении точности измерения частоты радиосигналов, достигается за счет того, что в акустооптический приемник-частотомер, состоящий из последовательно по свету включенных лазера, коллиматора, линейного акустооптического дефлектора, на возбуждаемый входным радиосигналом в теле которого ультразвуковой столб лазерное излучение падает под отрицательным или положительным углом Брэгга, первой интегрирующей линзы и первой линейки фотоприемников с параллельным выходом, дополнительно по направлению луча лазера нулевого порядка после акустооптического дефлектора расположено переотражающее зеркало, обеспечивающее повторное падение света на ультразвуковой столб акустооптического дефлектора под отрицательным или положительным углом Брэгга, а по направлению повторно продифрагировавшего света расположены последовательно по свету вторая интегрирующая линза и вторая линейка фотоприемников, одноименные выходы которой соединены с одноименными выходами первой линейки фотоприемников соответственно. 7 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7
Формула изобретения
Акустооптический приемник-частотомер, состоящий из последовательно по свету включенных лазера, коллиматора, акустооптического дефлектора, на возбуждаемый входным радиосигналом в теле которого ультразвуковой столб лазерное излучение падает под отрицательным или положительным углом Брэгга, первой интегрирующей линзы и первой линейки фотоприемников с параллельным выходом, отличающийся тем, что по направлению луча лазера нулевого порядка после акустооптического дефлектора расположено переотражающее зеркало, обеспечивающее повторное падение света на ультразвуковой столб акустооптического дефлектора под положительным или отрицательным углом Брэгга, а по направлению повторно дифрагированного света расположены последовательно по свету вторая интегрирующая линза и вторая линейка фотоприемников, одноименные выходы которой соединены с одноименными выходами первой линейки фотоприемников соответственно.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного приемника-частотомера, работающего в автоматическом режиме. Известен акустооптический (АО) анализатор спектра с пространственным интегрированием (опубл. в кн. : Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени/О. Б. Гусев, С. В. Кулаков, Б. П. Разживин, Д. Б. Тигин; под ред. Кулакова С. В. - М. : Радио и связь. - 1989. - 136 с. , стр. 48), в состав которого входят последовательно по свету включенные лазер, конденсор и коллиматор, образующие оптический каскад перехода от лазерного пучка к плоской световой волне заданной апертуры, акустооптический дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, Фурье-линза и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников. Причиной, препятствующей достижению технического результата, является наличие частотной и амплитудной погрешностей измерения параметров - мгновенной частоты и амплитуды радиосигналов со сложными законами внутриимпульсной модуляции. Погрешности обусловлены тем, что при попадании в апертуру АО дефлектора "отрезка", например, быстроперестраиваемого сигнала или сигнала, частота которого изменяется по закону, отличному от линейного, аппаратная функция АО анализатора спектра претерпевает искажения: она изменяет свою форму, в частности становится нецентросимметричной. Последнее и обуславливает упомянутые погрешности отсчета частоты и амплитуды действующего на входе АО анализатора радиосигнала. Признаками данного аналога, совпадающего с признаками изобретения, являются последовательно включенные по свету лазер, коллиматор, АО дефлектор, Фурье-линза, осуществляющая интегральное Фурье-преобразование, и регистрирующее устройство в виде линейки фотоприемников. Известен АО частотомер (опубл. в статье Роздобудько В. В. Акустооптический СВЧ частотомер на основе аномальной дифракции в LiNbO3// Радиоэлектроника. - 1992. - 9. - с. 74-78, стр. 75), предназначенный для работы в широком диапазоне рабочих частот; частотомер содержит последовательно включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, регистрирующее устройство, реализованное в виде линейки фотоприемников, выходы которых через набор видеоусилителей и пороговых устройств нагружены на шифратор, осуществляющий преобразование позиционного кода, несущего информацию о координате центра дифрагированного пятна света, в код частоты. Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является наличие в аналоге систематической частотной погрешности, зависимой, как будет показано ниже, от вида закона перестройки частоты, действующего на входе частотомера, радиосигнала. Признаками, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, интегрирующая линза и линейка фотоприемников, в качестве которой в аналоге используется линейка фотодиодов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: АО частотомер - см. фиг. 1. описанный в статье: Гуревич А. С. , Нахмансон Г. С. Точность измерения ширины спектра широкополосных радиосигналов на фоне помех в АО спектроаналиваторе//Радиотехника. - 1982. - т. 25. - 4. - с. 62-69, а также: Гуревич А. С. , Нахмансон Г. С. Обнаружение и измерение частоты узкополосных радиосигналов на фоне помех в акустоэлектронном спектроанализаторе// Радиотехника. - 1981. - т. 24. - 4. - с. 26-33. Устройство-прототип содержит в своем составе последовательно по свету расположенные лазер, конденсор и коллиматор, формирующие плоскую световую волну, АО дефлектор, на вход которого подается измеряемый сигнал S(t), линзу, выполняющую преобразование Фурье и оптоэлектронную систему, обрабатывающую оптические сигналы и включающую в себя линейку фотоприемников, набор видеоусилителей, набор пороговых устройств и решающее устройство. Признаками прототипа, общими с заявляемым техническим решением, являются последовательно по свету включенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующая линза и линейка фотоприемников с параллельным выходом. Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является недостаточная точность измерения мгновенной частоты (и амплитуды) радиосигналов, имеющих сложные законы внутриимпульсной модуляции. Поясним подробно данный недостаток прототипа и вышеописанных аналогов, для чего рассмотрим используемый ими алгоритм регистрации мгновенной частоты - f(t) и амплитуды - a(t) входного радиосигнала - S(t). Алгоритм регистрации f(t) и a(t) заключается в том, что в момент времени tn= t0+nT0, где n= 1, 2, 3. . . ; T0= L/![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178136/965.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178136/965.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178136/965.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178181/2178181-2t.gif)
где b - период расположения фотодиодов в линейке фотоприемных устройств (ФПУ); m - их порядковый номер; Nm- число "засвеченных" фотодиодов; Im - сигнал, снимаемый с m-го фотодиода. Таким образом, регистрируемые прототипом и аналогом x0(tn) и I0m(tn) и, соответственно, частоты и амплитуды соотносятся значениями мгновенной частоты f(tn) и амплитуды a(tn) в центре апертуры АОД в моменты времени tn. Исходными данными для последующего восстановления законов f(t) и a(t) являются значения f(tn) и a(tn). Описанный алгоритм, а также схемы аналогов и прототипа "работают" в том случае, если размещаемый в апертуре АОД сигнал S(t) можно считать гармоническим или "квазигармоническим" в соответствии с результатами работы: Егоров Ю. В. и др. Акустооптические процессоры. M. : Радио и связь - 1991. - 160 с. В том случае, если на входе приемника-частотомера действует сигнал со сложным нелинейным законом внутриимпульсной модуляции или, в общем случае, сигнал, энергетический центр спектра которого не совпадает с несущей (центральной) частотой, в схеме прототипа возможна ошибка при измерении мгновенных f(tn) и a(tn). Сказанное иллюстрируется (см. фиг. 2) расчетом частотной
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178006/916.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178006/916.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178181/2178181-3t.gif)
где
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178033/946.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178181/2178181-4t.gif)
в котором действующий сигнал S(t) длительностью
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178016/964.gif)
S(t) = a(t)cos{2
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/960.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178033/946.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178016/964.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/947.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178016/964.gif)
и представлялся в виде своего пространственного аналога
S(x)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178181/8801.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
где p= 2x/L;
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/960.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/960.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178033/946.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/960.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/947.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
fg2g3= 2
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/960.gif)
В приведенном расчетном соотношении х, х1 - пространственные координаты, отсчитываемые от центра апертуры АОД - х и от оптической оси в фокальной плоскости интегрирующей линзы - х1; k = 2
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/960.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/955.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/955.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178148/967.gif)
На фиг. 2А условно изображены два отрезка измеряемого сигнала S(t), длительность которых -
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178016/964.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/947.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178123/920.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178181/8801.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/960.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/947.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178016/964.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/960.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/947.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178123/920.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/955.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178136/965.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178123/920.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178181/2178181-5t.gif)
причем сами I03m несколько меньше аналогичных максимумов интенсивности, имеющих место, если в апертуре АОД присутствует гармонический сигнал частоты f0. Более подробное рассмотрение (см. статью Роздобудько В. В. Анализ динамических погрешностей в акустооптических измерителях мгновенной частоты РЛ сигналов//Радиоэлектроника. - 1997. - 12. - с. 3-10) показывает, что частотная
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178006/916.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178006/916.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178181/2178181-6t.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178006/916.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
первая из которых с 5% погрешностью аппроксимирует соответствующие теоретические зависимости упомянутой работы для сигналов с
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178032/8773.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/960.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178148/967.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178032/8773.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178032/8773.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/960.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178148/967.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/960.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178136/965.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/955.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178005/177.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178005/177.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/955.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178136/965.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178123/920.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/955.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178136/965.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178033/946.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178148/967.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178023/947.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178006/916.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178010/934.gif)
![акустооптический приемник-частотомер, патент № 2178181](/images/patents/291/2178181/2178181-7t.gif)
Предлагаемый высокоточный АО приемник-частотомер может быть выполнен на основе следующих элементов. Лазер - 1 целесообразно использовать газовый He-Ne, например типов ЛГН-219, ЛГН-223, ЛГН-208, или полупроводниковый - видимого (ИЛПН-207) или инфракрасного диапазона. АОД - для диапазона частот (500-4000) МГц может быть выполнен на основе таких материалов, как LiNbO3 или РbМoО4, а для диапазона частот менее 500 МГц АОД может быть выполнен на основе ТеО2 и других материалов. В качестве линеек фотоприемников 6 и 8 в частотомере могут быть применены либо приборы с зарядовой связью, например линейки типа 1200ЦЛ1, 1200ЦЛ5 и др. , либо фотодиодные матрицы типов ФПУ-14, МФ-14 и др. К оптическим элементам, входящим в частотомер, особых требований не предъявляется: и коллиматор - 2, и зеркало 5, и интегрирующие линзы 4 и 7 могут быть выполнены по стандартной технологии, например, из стекла марки К8; в качестве коллиматора 2 возможно применение стандартного объектива.
Класс G01R23/17 с вспомогательными оптическими приборами
Класс G01R23/16 анализ спектра;гармонический анализ