способ определения частоты радиосигналов в акустооптическом приемнике-частотомере в линейном режиме работы фотоприемника

Формула изобретения

Способ определения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере, заключающийся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразовывают его в акустический и далее в оптический сигнал, затем подвергают его Фурье-преобразованию с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, далее формируют на их выходах видеосигналы с уровнями, пропорциональными уровням упомянутого распределения интенсивности, после чего вычисляют частоту радиосигнала, отождествляемую с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, отличающийся тем, что определяют фотодиод с максимальным уровнем сигнала, регистрируют его порядковый номер - k, а уровень сигнала на нем обозначают y_k, далее измеряют уровни сигналов на соседних фотодиодах y_k+1 и y_k-1 и сравнивают их между собой, если y_k+1 больше y _k-1, то дополнительно измеряют уровень сигнала y_k+2 , в противном случае измеряют уровень сигнапа y_k-2 , затем названные уровни сигналов в порядке возрастания их индексов обозначают y_B, y_A, y_C, y _D, а соответствующие этим уровням частоты обозначают f _B, f_A, f_C и f_D, далее вычисляют частоту f₀ по формуле f₀=(c ₁-c₂)/(g₁-g₂), где g ₁=(y_A-y_B)/f_A-f_B ), g₂=(y_D-y_C)/(f_D -f_C), c₁=(y_Bf_A-y _Af_B)/(f_A-f_B), c₂ =(y_Cf_D-y_Df_C)/(f _D-f_C).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя параметров радиосигналов в частотомерах и демодуляторах частотно-модулированных сигналов диапазона СВЧ.

Известен (см. фиг.1) способ измерения несущей частоты радиосигналов, реализованный в акустооптическом процессоре (Гуревич А.С., Нахмансон Г.С. Обнаружение и измерение частоты узкополосных радиосигналов на фоне помех в акустооптоэлектронном спектроанализаторе. // Известия ВУЗов СССР - Радиоэлектроника. - 1981. - Т.24. - № 4. - С.26-33), заключающийся в том, что сигнал S(t), частота которого подлежит измерению, подают на электрический вход акустооптического дефлектора 2, где он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует лазерное излучение 1, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью линзы 3 выполняют операцию оптического интегрирования с последующим детектированием при помощи линейки фотоприемников 4, состоящей из дискретного набора фотодиодов, формирующих набор видеосигналов, обрабатывая которые электронной системой 5 и решающим устройством 6, определяют порядковый номер фотодиода с максимальным уровнем сигнала и значение частоты сигнала S(t), соответствующей найденному номеру.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акустооптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция оптического интегрирования (операция Фурье-преобразования в заявляемом способе), детектирование светового сигнала фотодиодами линейки фотоприемников, формирование на их выходах видеосигналов с последующей обработкой и вычислением частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, продетектированного фотодиодами.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкая точность измерения частоты радиосигналов, которая для полосы рабочих частот процессора f и числа фотодиодов N в линейке фотоприемников не превышает величины 0,5( f /N), что соответствует половине частотного интервала между фотодиодами.

Известен также способ (см. фиг.2) измерения несущей частоты радиосигналов, реализованный в акустооптическом приемнике-частотомере (Роздобудько В.В., Дикарев Б.Д. Высокоточный акустооптический приемник-частотомер комбинированного типа. // Радиотехника. 2003. - № 9. - С.31-36), заключающийся в том, что сигнал S(t), частота которого подлежит измерению, подают на электрический вход акустооптического дефлектора 2, где он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует лазерное излучение 1, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью интегрирующей линзы 3 выполняют операцию Фурье-преобразования и детектирование при помощи линейки фотоприемников 4, формирование на их выходах видеосигналов, которые усиливают затем видеоусилителями 7, сравнивают с пороговым уровнем в пороговых устройствах 8 (при превышении порогового уровня уровнем видеосигнала пороговое устройство срабатывает), с последующим грубым определением частоты радиосигнала регистрирующим устройством I - 9 и уточнением частоты с использованием коммутатора - 10, дискриминатора - 11 и регистрирующего устройства II - 12 путем сопоставления уровней сигналов U_n и U₃ , снимаемых с двух крайних фотодиодов, уровни которых превышают уровень 14 (фиг.3) срабатывания пороговых устройств и путем уточнения положения максимума распределения светового сигнала 13 (фиг.3), продетектированного фотодиодами линейки фотоприемников.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акустооптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция Фурье-преобразования, детектирование светового сигнала фотодиодами линейки фотоприемников, формирование на их выходах видеосигналов с последующей обработкой и вычислением частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, продетектированного фотодиодами.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является недостаточная точность измерения частоты радиосигналов при значительном усложнении схемы устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ-прототип, реализованный в акустооптическом частотомере (фиг.4) (Роздобудько В.В. Широкополосные акустооптические измерители частотных и фазовых параметров радиосигналов. // Радиотехника. - 2001. - № 1. - С.79-92) и заключающийся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора 2 подают измеряемый радиосигнал S(t), в акустооптическом дефлекторе он преобразуется в акустический сигнал, с которым взаимодействует лазерное излучение 1, сформированное лазером 15 и коллиматором 16, в результате чего формируют световой сигнал, над которым с помощью линзы 3 выполняют операцию Фурье-преобразования с последующим детектированием при помощи линейки фотоприемников 4, состоящей из дискретного набора фотодиодов, формирующих набор видеосигналов, которые усиливают затем видеоусилителями 7, сравнивают с пороговым уровнем в пороговых устройствах 8 (при превышении порогового уровня уровнем видеосигнала пороговое устройство срабатывает), далее определяют номера первого m_п и последнего m _з сработавшего порогового устройства (см. фиг.5, на котором: 13 - распределение светового сигнала, продетектированное фотодиодами линейки фотоприемников, 14 - уровень порога) и определяют частоту радиосигнала при помощи решающего устройства 6 по формуле

где f_H - начальная частота диапазона частот частотомера, f - его полоса пропускания, N - число фотодиодов в линейке фотоприемников 4.

Признаками прототипа, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются подача радиосигнала на электрический вход акусто-оптического дефлектора, его преобразование в дефлекторе в акустический аналог, преобразование акустического аналога в световой сигнал, операция Фурье-преобразования, детектирование светового сигнала фотодиодами линейки фотоприемников, формирование на их выходах видеосигналов с последующей обработкой и вычислением частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, продетектированного фотодиодами.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкая точность измерения частоты радиосигналов, которая для полосы рабочих частот процессора f и числа фотодиодов N в линейке фотоприемников не превышает величины 0,25( f /N), что соответствует четверти частотного интервала между фотодиодами.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение точности измерения частоты радиосигналов, поступающих на вход измерителя, работающего в линейном режиме.

Технический результат достигается тем, что определяют фотодиод с максимальным уровнем сигнала, регистрируют его порядковый номер - k, а уровень сигнала на нем обозначают y_k, далее измеряют уровни сигналов на соседних фотодиодах y_k+1 и y_k-1 и сравнивают их между собой, если y_k+1 больше y_k-1, то дополнительно измеряют уровень сигнала y_k+2, в противном случае измеряют уровень сигнала y_k-2, затем названные уровни сигналов в порядке возрастания их индексов обозначают y_B, y_A, y_C, y_D, а соответствующие этим уровням частоты обозначают f_B , f_A, f_C и f_D, далее вычисляют частоту f₀ по формуле f₀₌(c₁ -c₂)/(g₁-g₂), где g₁ =(y_A-y_B)/(f_A-f_B), g₂=(y_D-y_C)/(f_D-f _C), c₁=(y_Bf_A-y_A f_B)/(f_A-f_B), c₂=(y _Cf_D-y_Df_C)/(f_D -f_C).

Для достижения технического результата в способе определения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере, заключающемся в том, что на электрический вход акустооптического дефлектора подают анализируемый радиосигнал, где преобразовывают его в акустический и далее в оптический сигнал, затем подвергают его Фурье-преобразованию с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, далее формируют на их выходах видеосигналы с уровнями, пропорциональными уровням упомянутого распределения интенсивности, после чего вычисляют частоту радиосигнала, отождествляемую с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, определяют фотодиод с максимальным уровнем сигнала, регистрируют его порядковый номер - k, а уровень сигнала на нем обозначают y_k, далее измеряют уровни сигналов на соседних фотодиодах y_k+1 и y_k-1 и сравнивают их между собой, если y_k+1 больше y_k-1, то дополнительно измеряют уровень сигнала y_k+2, в противном случае измеряют уровень сигнала y_k-2, затем названные уровни сигналов в порядке возрастания их индексов обозначают y_B, y_A, y_C, y_D, а соответствующие этим уровням частоты обозначают f_B , f_A, f_C и f_B, далее вычисляют частоту f₀ по формуле f₀=(c₁ -c₂)/(g₁-g₂), где g₁ =(y_A-y_B)/(f_A-f_B), g₂=(y_D-y_C)/(f_D-f _C), c₁=(y_Bf_A-y_A f_B)/(f_A-f_B), c₂=(y _Cf_D-y_Df_C)/(f_D -f_C).

Сравнивая предлагаемый способ с прототипом, видно, что он содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, видно, что заявляемый способ соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.

Для доказательства существования причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом рассмотрим сущность предлагаемого способа измерения частоты и сопоставим его со способом-прототипом и способами-аналогами.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем. На фиг.6 в координатах частота-уровень показаны два возможных варианта (а и б) распределений интенсивности светового сигнала на фотоприемнике. Предполагается, что фотоприемник работает в линейном режиме. Абсциссы точек А, В, С, D соответствуют частотам точной настройки фотодиодов фотоприемника (f_B, f _A, f_C и f_D), а ординаты этих точек равны уровням сигналов на фотодиодах (y_B, y_A , y_C и y_D). Видно, что прямые ВА и DC пересекаются в точке, абсцисса которой F практически совпадает с абсциссой оси симметрии светового распределения (абсцисса этой оси симметрии равна частоте радиосигнала). Точка пересечения прямых ВА и DC вычисляется по формуле

где g₁ и g₂ - угловые коэффициенты, а с₁ и с₂ - свободные члены в уравнениях y=g₁f+c₁, y=g₂ f+c₂ прямых ВА и DC. Входящие в (2) величины вычисляются по формулам:

g₁=(y_A-y _B)/(f_A-f_B),

g ₂=(y_D-y_C)/(f_D-f_C ),

с₁=(y_Bf_A-y _Af_B)/(f_A-f_B),

c₂=(y_Cf_D-y_D f_C)/(f_D-f_C).

Пример последовательности действий, направленных на измерение частоты радиосигнала, в соответствии с заявляемым способом включает в себя следующие шаги.

1. Определяют фотодиод с максимальным уровнем сигнала и регистрируют порядковый номер этого фотодиода - k (пусть, например k=50). Уровень сигнала на этом фотодиоде обозначают у₅₀.

2. Измеряют уровни сигналов на соседних фотодиодах: у₅₁ и у ₄₉.

3. Сравнивают y₅₁ и у ₄₉. Если y₅₁>y₄₉ (см. фиг.6а), то дополнительно измеряют уровень сигнала y₅₂, в противном случае (см. фиг.6б) измеряют уровень сигнала y₄₈.

После перечисленных измерений получится либо набор уровней y₄₉, y₅₀, y₅₁, y ₅₂, что соответствует фиг.6а, либо набор уровней y ₄₈, y₄₉, y₅₀, y₅₁, что соответствует фиг.6б.

4. Измеренные уровни сигналов обозначают в порядке возрастания их индексов. Для варианта, показанного фиг.6а: y_B=y₄₉, y_A=у₅₀ , y_C=y₅₁, y_D=y₅₂, а для варианта, показанного на фиг.6б: y_B=y₄₈ , y_A=y₄₉, y_C=y₅₀, y_D=y₅₁.

5. Частотам f _B, f_A, f_C и f_D присваивают значения: для варианта, показанного на фиг.6а: f_B=f ₄₉, f_A=f₅₀, f_C=f₅₁ , f_D=f₅₂, а для варианта, показанного на фиг.6б: f_B=f₄₈, f_A=f₄₉ , f_C=f₅₀, f_D=f₅₁.

6. Вычисляют частоту по формуле (2).

Можно показать, что по сравнению с прототипом максимальная погрешность измерения частоты заявляемым способом может снизиться на порядок. Использование заявляемого способа измерения частоты в акустооптическом измерителе позволит улучшить технические характеристики данного устройства за счет увеличения точности измерения.