Акустооптический приемник

 

Изобретение относится к радиоэлектронике. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей акустооптического приемника путем детектирования принимаемого фазоманипулированного сигнала. Устройство содержит антенны 1 и 2, преобразователь 3 частоты, гетеродины 4 и 5, смесители 6 и 7, усилители 8 и 9 промежуточной частоты, перемножители 10, 12, 25 и 26, узкополосные фильтры 11, 13 и 27, коррелятор 14, пороговый блок 15, ключи 16 и 19, фазовый детектор 17, блоки 18 и 29 регистрации, лазер 20, коллиматор 21, ячейки Брэгга 22, 30 и 31, линзы 23 и 32, матрицы 24 и 33 фотодетекторов, фильтр 28 нижних частот. 3 ил.

Предлагаемый приемник относится к радиоэлектронике и может использоваться для приема, пеленгации, спектрального анализа и детектирования сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн).

Известны акустооптические приемники (авт. свид. СССР №№ 1718695, 1785410, 1799227, 1799226; патент СССР № 1838882; патенты РФ №№ 2001533, 2007046; "Зарубежная радиоэлектроника", 1987, №5, с.51 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Акустооптический приемник" (патент СССР № 1838882, Н 04 В 10/06, 1991), который и выбран в качестве прототипа.

Указанный приемник содержит две антенны, преобразователь частоты, состоящий из первого гетеродина и первого смесителя, второй гетеродин, второй смеситель, два усилителя промежуточной частоты, перемножитель, первый и второй узкополосные фильтры, коррелятор, пороговый блок, первый и второй ключи, фазовый детектор, блок регистрации, лазер, коллиматор, ячейку Брэгга, линзу и матрицу фотодетекторов.

Известный приемник обеспечивает прием, пеленгацию и спектральный анализ сложных ФМн-сигналов, но не позволяет осуществлять их детектирование, т.е. выделять модулирующий код из принимаемого ФМн-сигнала и определять его основные параметры.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей акустооптического приемника путем детектирования принимаемого фазоманипулированного сигнала.

Поставленная задача решается тем, что акустооптический приемник, содержащий лазер, на пути распространения пучка света которого последовательно установлены коллиматор и первая ячейка Брэгга, на пути распространения дифрагируемой первой ячейкой Брэгга части пучка света установлена первая линза, в фокальной плоскости которой размещена первая матрица фотодетекторов, а также последовательно включенные первую антенну, преобразователь частоты, состоящий из последовательно соединенных первого гетеродина и первого смесителя, первый усилитель промежуточной частоты, коррелятор, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя промежуточной частоты, пороговый блок, первый ключ, фазовый детектор и первый блок регистрации, последовательно включенные вторую антенну, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, и первый узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, последовательно подключенные к выходу первого гетеродина, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, последовательно подключенные к выходу первого усилителя промежуточной частоты второй ключ, второй вход которого соединен с выходом порогового блока, и пьезоэлектрический преобразователь первой ячейки Брэгга, в него введены третий и четвертый перемножители, третий узкополосный фильтр, фильтр нижних частот, второй блок регистрации, вторая и третья ячейки Брэгга, вторая линза и вторая матрица фотодетекторов, причем к выходу второго ключа последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, третий узкополосный фильтр, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго ключа, фильтр нижних частот и второй блок регистрации, вторая и третья ячейки Брэгга расположены на оптической оси устройства вплотную одна к другой с одинаковыми направлениями распространения в них акустических волн, смещены друг относительно друга на величину

где V - скорость распространения акустических волн,

τ _Э - длительность элементарных посылок,

пьезоэлектрические преобразователи второй и третьей ячеек Брэгга соединены с выходом второго ключа, а на пути распространения их дифрагированного пучка света установлена вторая линза, в фокальной плоскости которой размещена вторая матрица фотодетекторов.

Структурная схема предлагаемого приемника представлена на фиг.1; частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных каналов приема, изображена на фиг.2; временные диаграммы, поясняющие принцип детектирования принимаемого ФМн-сигнала, показаны на фиг.3.

Акустооптический приемник содержит последовательно включенные антенну 1, смеситель 6, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 4, усилитель 8 промежуточной частоты, коррелятор 14, второй вход которого соединен с выходом усилителя 9 промежуточной частоты, пороговый блок 15, ключ 16, фазовый детектор 17 и блок 18 регистрации, последовательно включенные антенну 2, смеситель 7, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 5, усилитель 9 промежуточной частоты, перемножитель 10, второй вход которого соединен с выходом усилителя 8 промежуточной частоты, и узкополосный фильтр 11, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора 17, последовательно подключенные к выходу гетеродина 4 перемножитель 12, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 5, и узкополосный фильтр 13, выход которого соединен с вторым входом ключа 16, последовательно подключенные к выходу усилителя 8 промежуточной частоты ключ 19, второй вход которого соединен с выходом порогового блока 15, перемножитель 25, второй вход которого соединен с выходом фильтра 28 нижних частот, узкополосный фильтр 27, перемножитель 26, второй вход которого соединен с выходом ключа 19, фильтр 28 нижних частот и блок 29 регистрации. На пути распространения пучка света от лазера 20 последовательно установлены коллиматор 21, ячейка Брэгга 22, ячейки Брэгга 30 и 31, пьезоэлектрические преобразователи ячеек Брэгга 22, 30 и 31 соединены с выходом ключа 19. Ячейки Брэгга 30 и 31 расположены вплотную одна к другой с одинаковыми направлениями распространения в них акустических волн, смещены друг относительно друга на величину

где V - скорость распространения акустических волн;

τ _Э - длительность элементарных посылок.

На пути распространения дифрагируемой ячейкой Брэгга 22 части пучка света установлена линза 23, в фокальной плоскости которой размещена матрица 24 фотодиодов. На пути распространения дифрагируемой ячейками Брэгга 30 и 31 части пучка света установлена линза 32, в фокальной плоскости которой размещена матрица 33 фотодетекторов. Последовательно включенные гетеродин 4 и смеситель 6 образуют преобразователь 3 частоты.

Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых на зеркальных и комбинационных частотах, основано на использовании двух каналов приема, гетеродины 4 и 5 которых разнесены по частоте на величину 2f_пр:

и корреляционной обработке канальных напряжений. При этом количество дополнительных (зеркальных и комбинационных) частот удваивается (фиг.2), но создает благоприятные условия для их подавления.

Для пеленгации источника излучения ФМн-сигналов в предлагаемом приемнике используется фазовый метод, при котором фазовый сдвиг между сигналами, принимаемыми антеннами 1 и 2, составляет

где d - измерительная база (расстояние между антеннами);

λ - длина волны;

γ - угол, определяющий направление на источник излучения.

Фазовому методу пеленгации свойственно противоречие между требованиями точности измерений и однозначности отсчета угловых координат. Действительно, согласно вышеуказанному выражению фазовая система тем чувствительнее к изменению угла γ , чем больше относительный размер базы d/λ . Однако с ростом d/λ уменьшается значение угловой координаты γ , при которой разность фаз превосходит значение 2π , т.е. наступает неоднозначность отсчета.

Исключить неоднозначность пеленгации фазовым методом можно двумя классическими способами:

1) применением остронаправленных антенн;

2) использованием нескольких измерительных баз (многошкальность).

Системы пеленгации с остронаправленными антеннами обладают большой дальностью действия и высокой разрешающей способностью по направлению. Однако они требуют поиска источника излучения до начала измерений и его сопровождения по направлению антенным лучом в процессе измерений.

Многошкальный метод отсчета углов основан на использовании нескольких измерительных баз. При этом меньшая база образует грубую, но однозначную шкалу отсчета, а большая база - точную, но неоднозначную шкалу отсчета. Системы пеленгации, использующие такой метод, имеют ограниченную дальность и сложную антенную систему.

В предлагаемом устройстве применен корреляционный метод устранения неоднозначности пеленгации, который использует замечательные корреляционные свойства ФМн-сигналов.

Необходимым условием синхронного детектирования ФМн-сигналов является наличие в точке приема опорного напряжения постоянной начальной фазы и частоты, равной частоте принимаемого ФМн-сигнала.

Принципиально возможны три метода получения опорного напряжения:

1) от местного генератора;

2) с помощью вспомогательного пилот-сигнала, передаваемого по отдельному каналу;

3) непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала.

Первый метод не обеспечивает необходимой синфазности и синхронности колебаний, так как фаза и частота любого высокостабильного генератора изменяется под влиянием различных дестабилизирующих факторов.

Второй метод получения опорного напряжения также не нашел широкого практического применения, поскольку его техническая реализация приводит к потерям спектра и мощности в канале на передачу пилот-сигнала.

В предлагаемом приемнике используется метод выделения опорного напряжения непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала.

Для демодуляции принимаемых ФМн-сигналов может использоваться и акустооптический демодулятор, состоящий из ячеек Брэгга 30 и 31, установленных на общей оптической оси приемника вплотную друг к другу с одинаковыми направлениями распространения в них акустических колебаний, линзы 32 и матрицы 33 фотодетекторов. При этом указанные ячейки смещены друг относительно друга (вдоль оси Х) на величину

где V - скорость распространения акустических колебаний;

τ _Э - длительность элементарных посылок, из которых состоит принимаемый ФМн-сигнал

Применение акустооптического демодулятора возможно только при априорном знании длительности τ _Э элементарных посылок.

Акустооптический приемник работает следующим образом. Принимаемые ФМн-сигналы:

где U_c, f_c, ϕ ₁, ϕ ₂, T_c - несущая частота, начальные фазы и длительность сигналов;

ϕ _k(t)={0, π } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.3,а), причем ϕ _k(t)=const при kτ _э<t<(k+1)τ _э и может изменяться скачком при t=kτ _э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2,... , N-1);

τ _э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c=Nτ _э),c выхода антенн 1 и 2 поступают на первый вход смесителей 6 и 7, на второй вход которых с выхода гетеродинов 4 и 5 подаются напряжения соответственно:

где U_Г1, U_Г2, f_Г1, f_Г2, ϕ _Г1, ϕ _Г2 - aмплитуды, частоты и начальные фазы напряжений гетеродинов 4 и 5.

Причем частоты f_Г1 и f_Г2 гетеродинов 4 и 5 разнесены на удвоенное значение поомежуточной частоты

f_Г2-f_Г1=2f_пр

и выбраны симметричными относительно несущей частоты f_C принимаемого сигнала

f_c-f_Г1=f_Г2-f_c=f_пр

Это обстоятельство приводит к удвоению числа дополнительных каналов приема и создает благоприятные условия для их подавления за счет корреляционной обработки.

На выходе смесителей 6 и 7 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 8 и 9 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:

где

K₁ - коэффициент передачи смесителей;

f_пр=f_c-f_Г1=f_Г2-f_c - промежуточная частота;

ϕ _пр1=ϕ ₁-ϕ _Г1; ϕ _пр2=ϕ _пр2=ϕ ₂-ϕ _Г2;

которые поступают на два входа перемножителя 10. На выходе последнего образуется гармоническое колебание

где

К₂ - коэффициент передачи перемножителя;

Δ ϕ _Г=ϕ _Г2-ϕ _Г1;

Δ ϕ =ϕ ₂-ϕ ₁ - фазовый сдвиг, определяющий направление на источник излучения ФМн-сигналов.

Это колебание выделяется узкополосным фильтром 11, частота настройки f_H1 которого выбирается равной 2f_пр(f_H1=2f_пр), и поступает на первый вход фазового детектора 17.

Напряжения u_Г1(t) и u_Г2(t) с выходов гетеродинов 4 и 5 подаются на два входа перемножителя 12, на выходе которого образуется гармоническое колебание

где

2f_пр=f_Г2-f_Г1,

которое выделяется узкополосным фильтром 13, частота настройки f_H2 которого выбирается равной 2f_пр(f_Н2=2f_пр).

Напряжения u_пр1(t) и u_пр2(t) с выхода усилителей 8 и 9 промежуточной частоты одновременно поступают на два входа коррелятора 14, на выходе которого образуется напряжение U, пропорциональное корреляционной функции R(τ ). Это напряжение поступает на вход порогового блока 15, где сравнивается с пороговым уровнем U_пор. При этом пороговое напряжение U_пор в пороговом блоке 15 превышается только при максимальном выходном напряжении коррелятора 14 (U_max>U_пор). Так как один и тот же сигнал принимается по двум каналам, то между канальными напряжениями u_пр1(t) и u_пр2(t) существует сильная корреляционная связь, выходное напряжение коррелятора 14 достигает максимального значения _max,при котором τ₀≡γ ₀,где γ ₀ - истинный пеленг. Следовательно, пороговое напряжение U_пор в пороговом блоке 15 превышается только при максимальном значении корреляционной функции R(τ ₀) и не превышается при значениях τ , соответствующих боковым лепесткам корреляционной функции R(τ ₀) (U<U). При превышении порогового уровня U_пор(U_max>U_пор) в пороговом блоке 15 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключей 16, 19 и открывает их. В исходном состоянии ключи 16 и 19 всегда закрыты. При этом гармоническое колебание u₄(t) с выхода узкополосного фильтра 13 через открытый ключ поступает на второй вход фазового детектора 17, на выходе которого образуется постоянное напряжение

u_H(γ )=U_HcosΔ ϕ ,

где

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора.

Это напряжение фиксируется блоком 18 регистрации. При этом повышение точности пеленгации источника излучения ФМн-сигналов обеспечивается путем увеличения измерительной базы d. А возникающая при этом неоднозначность отсчета угла γ устраняется корреляционной обработкой канальных напряжений.

Ширина спектра Δ f_C принимаемых ФМн-сигналов определяется длительностью τ _Э элементарных посылок (Δ f_c=1/τ _э), тогда как ширина спектра Δ f_Г гармонического колебания u₃(t) определяется его длительностью Т_c (Δ f_Г=1/T_c), т.е. спектр входных ФМн-сигналов сворачивается в N раз (Δ f_c/Δ f_Г=N). Это дает возможность с помощью узкополосного фильтра 11 выделить гармоническое колебание u₃(t), отфильтровав при этом значительную часть шумов и помех, т.е. повысить реальную чувствительность при пеленгации источника излучения ФМн-сигналов.

Напряжение u_пр1(t) (фиг.3,б) с выхода усилителя 8 промежуточной частоты через открытый ключ 19 одновременно поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячеек Брэгга 20, 30 и 31, где преобразуется в акустические колебания, и на первые входы перемножителей 25 и 26. На второй вход перемножителя 26 с выхода узкополосного фильтра 27 подается опорное напряжение (фиг.3,в)

В результате перемножения образуется результирующее напряжение

где .

Аналог модулирующего кода (фиг.3,г)

u_H(t)=U₁cosϕ _k(t)

выделяется фильтром 28 нижних частот, регистрируется блоком 29 регистрации и подается на второй вход перемножителя 25, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

Данное напряжение выделяется узкополосным фильтром 27 и подается на второй вход перемножителя 26. Так осуществляется синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала.

Пучок света от лазера 20, сколлимированный коллиматором 21, проходит через ячейки Брэгга 22, 30 и 31 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбуждаемых напряжением u_пр1(t). Следует отметить, что на каждой ячейке Брэгга дифрагирует приблизительно 1/10 часть основного пучка света. Каждая ячейка Брэгга 22 (30, 31) состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития соответственно Х и Y-35° среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот.

На пути распространения дифрагируемой ячейкой Брэгга 22 части пучка света установлена линза 23, формирующая пространственный спектр принимаемого ФМн-сигнала, в фокальной плоскости которой размещена матрица 24 фотодетекторов. Указанные элементы образуют акустооптический анализатор спектра. Каждому разрешающему элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор.

Ячейки Брэгга 30 и 31, установленные на общей оптической оси устройства вплотную друг к другу с одинаковыми направлениями распространения в них акустических колебаний, линза 32 и матрица 33 фотодетекторов образуют акустооптический демодулятор принимаемого ФМн-сигнала (фиг.3д, е). При этом указанные ячейки смещены друг относительно друга (вдоль оси X) на величину

где V - скорость распространения акустических колебаний;

τ _Э - длительность элементарных посылок, из которых состоит принимаемый ФМн-сигнал.

Причем опорным напряжением для каждой элементарной посылки служит предыдущая посылка. Практическая реализация акустооптического демодулятора возможна только при априорном знании длительности τ _э элементарных посылок.

Описанная выше работа приемника соответствует случаю приема ФМн-сигналов по основному каналу на частоте f_с (фиг.2).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте f_з1, то в смесителях 6 и 7 он преобразуется в напряжения следующих частот:

f₁₁=f_Г1-f_З1=f_пр,

f₁₂=f_Г2-f_З1=3f_пр,

где первый индекс обозначает канал, по которому принимается ложный сигнал (помеха); второй индекс обозначает номер гетеродина, частота которого участвует в преобразовании несущей частоты принимаемого ложного сигнала (помехи).

Однако только напряжение на частоте f₁₁ попадает в полосу пропускания усилителя 8 промежуточной частоты, а затем подается на первый вход перемножителя 10 и коррелятора 14. Выходное напряжение коррелятора 14 равно нулю, так как на выходе усилителя 9 промежуточной частоты напряжение отсутствует. Ключи 16 и 19 не открываются, и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому зеркальному каналу на частоте f_з1, подавляется.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму зеркальному каналу на частоте f_з2, то в смесителях 6 и 7 он преобразуется в напряжения следующих частот:

f₂₂=f_з2-f_Г2=f_пр,

f₂₁=f_з2-f_Г1=3f_пр.

Однако только напряжение с частотой f₂₂ попадает в полосу пропускания усилителя 9 промежуточной частоты и на второй вход коррелятора 14. Выходное напряжение коррелятора 14 в этом случае также равно нулю, так как на выходе усилителя 8 промежуточной частоты напряжение отсутствует. Ключи 16 и 19 не открываются, и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте f_з2, подавляется.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по другим дополнительным каналам.

Если ложные сигналы (помехи) принимаются одновременно по первому и второму зеркальным каналам на частотах f_з1, и f_з2, то в смесителях 6 и 7 они преобразуются в напряжения следующих частот:

f₁₁=f_Г1-f_З1=f_пр, f₂₂=f_з2-f_Г2=f_пр,

f₁₂=f_Г2-f_З1=3f_пр, f₂₁=f_з2-f_Г1=f_пр.

При этом напряжения с частотами f₁₁ и f₂₂ попадают в полосу пропускания усилителей 8 и 9 промежуточной частоты и на два входа перемножителя 10 и коррелятора 14. Однако ключи 16 и 19 не открываются. Это объясняется тем, что разные ложные сигналы (помехи) принимаются на разных зеркальных частотах f_з1 и f_з2, поэтому между канальными напряжениями, выделяемыми усилителями 8 и 9 промежуточной частоты, существует слабая корреляционная связь. Кроме того, следует отметить, что корреляционная функция помех не имеет ярко выраженного максимума, как это имеет место у сложных ФМн-сигналов. Выходное напряжение U коррелятора 14 не превышает порогового напряжения U_пор в пороговом блоке 15 (U<U). Последний не срабатывает, ключи 16 и 19 не открываются, и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по первому и второму зеркальным каналам на частотах f_з1 и f_з2, подавляются.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно и по другим дополнительным (комбинационным) каналам.

Следовательно, за счет подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным (зеркальным и комбинационным) каналам, обеспечивается повышение помехоустойчивости и разрешающей способности приемника.

Таким образом, предлагаемый акустооптический приемник по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала. При этом предлагаемые демодуляторы ФМн-сигналов свободны от явления "обратной работы", которое присуще известным устройствам А.А.Пистолькорса, В.И.Сифорова, Д.Ф.Костаса и Г.А.Травина. Тем самым функциональные возможности известного акустооптического приемника расширены.

Формула изобретения

Акустооптический приемник, содержащий лазер, на пути распространения пучка света которого последовательно установлены коллиматор и первая ячейка Брэгга, на пути распространения дифрагируемой первой ячейкой Брэгга части пучка света установлена первая линза, в фокальной плоскости которой размещена первая матрица фотодетекторов, а также последовательно включенные первую антенну, преобразователь частоты, состоящий из последовательно соединенных первого гетеродина и первого смесителя, первый усилитель промежуточной частоты, коррелятор, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя промежуточной частоты, пороговый блок, первый ключ, фазовый детектор и первый блок регистрации, последовательно включенные вторую антенну, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, и первый узкополосный фильтр, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, последовательно подключенные к выходу первого гетеродина второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, последовательно подключенные к выходу первого усилителя промежуточной частоты, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом порогового блока, и пьезоэлектрический преобразователь первой ячейки Брэгга, отличающийся тем, что в него введены третий и четвертые перемножители, третий узкополосный фильтр, фильтр нижних частот, второй блок регистрации, вторая и третья ячейки Брэгга, вторая линза и вторая матрица фотодетекторов, причем к выходу второго ключа последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, третий узкополосный фильтр, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго ключа, фильтр нижних частот и второй блок регистрации, вторая и третья ячейки Брэгга расположены на оптической оси устройства вплотную одна к другой с одинаковыми направлениями распространения в них акустических волн, смещены друг относительно друга на величину Δx=Vτ_э, где V - скорость распространения акустических волн; τ_э - длительность элементарных посылок, пьезоэлектрические преобразователи второй и третьей ячеек Брэгга соединены с выходом второго ключа, а на пути распространения их дифрагированного пучка света установлена вторая линза, в фокальной плоскости которой размещена вторая матрица фотодетекторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3