Способ измерения частоты радиосигнала в акустооптических приемниках-частотомерах

Авторы патента:

G01R23/17 - с вспомогательными оптическими приборами

Владельцы патента RU 2428702:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (ЮФУ) (RU)

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя параметров радиосигналов в частотомерах. Анализируемый радиосигнал преобразуют в акустический сигнал, распространяющийся в звукопроводящей и светопрозрачной среде и взаимодействующий в ней с лазерным излучением, в результате взаимодействия формируется световой сигнал, который оптически интегрируют, полученное пространственное распределение светового сигнала W(x,t) детектируют, представляя тем самым распределение W(x,t) дискретным, равномерно распределенным по координате "х", набором аналоговых сигналов U(x_i,t), отличающийся тем, что полученные аналоговые сигналы подвергают взаимно-корреляционному преобразованию с заданным дискретно, заранее сформированным, опорным сигналом, форма которого соответствует нормированной аппаратной функции приемника-частотомера, затем ищут абсциссу оси симметрии полученной таким образом взаимно-корреляционной функции и отождествляют с абсциссой искомое значение частоты радиосигнала. Технический результат заключается в увеличении точности измерения частоты радиосигнала.

Предлагаемое изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения частоты радиосигнала частотомерами диапазона СВЧ, работающими в присутствии шумов.

Известен 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 анализируемый радиосигнал преобразуют в акустический сигнал, распространяющийся в звукопроводящей и светопрозрачной среде и взаимодействующий в ней с лазерным излучением, в результате взаимодействия формируется световой сигнал, который оптически интегрируют, полученное пространственное распределение светового сигнала W(x,t) детектируют, представляя тем самым распределение W(x,t) дискретным, равномерно распределенным по координате "x" набором аналоговых сигналов U(x_i,t), определяют среди них максимальный сигнал и отождествляют с его координатой значение частоты радиосигнала.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются преобразование радиосигнала в акустический сигнал, преобразование последнего в световой сигнал, операция оптического интегрирования светового сигнала (операция Фурье-преобразования в заявляемом способе), фиксация распределения интенсивности светового сигнала, полученного Фурье-преобразованием, в уровнях аналоговых сигналов U(x_i,t), формирующихся после детектирования.

Недостатком способа измерения частоты, описанного в этом аналоге, является его низкая точность. Так, для полосы рабочих частот процессора Δf_∑ и N-элементного фотоприемника, соответствующего N пространственным координатам x_i, максимальная погрешность измерения частоты составляет величину 0,5(Δf_∑/N), что соответствует половине расстояния между соседними фотодиодами (половине пространственного расстояния между соседними точками x_i).

Известен также способ измерения 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 анализируемый радиосигнал преобразуют в акустический сигнал, распространяющийся в звукопроводящей и светопрозрачной среде и взаимодействующий в ней с лазерным излучением, в результате взаимодействия формируется световой сигнал, который оптически интегрируют, полученное пространственное распределение светового сигнала W(x,t) детектируют, представляя тем самым распределение W(x,t) дискретным, равномерно распределенным по координате "x" набором аналоговых сигналов U(x_i,t), сигналы U(x_i,t) усиливают, вычисляют отношение уровней для пары из этих сигналов, сравнивают сигналы с фиксированным пороговым уровнем и используют результаты этих действий для грубого и уточненного (по дискриминационной характеристике) определения частоты.

Точность измерения частоты в этом способе-аналоге невелика в широкой полосе частот из-за нелинейности в полосе частот дискриминационной характеристики. Кроме того, на результаты измерения частоты оказывают влияние шумы, искажающие уровни аналоговых сигналов U(x_i,t), используемых в измерениях.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому способу является способ, реализованный в акустооптическом частотомере (Роздобудько В.В. Широкополосные акустооптические измерители частотных и фазовых параметров радиосигналов // Радиотехника,- 2001. - №1, - с.79-92) и заключающийся в том, что анализируемый радиосигнал преобразуют в акустический сигнал, распространяющийся в звукопроводящей и светопрозрачной среде и взаимодействующий в ней с лазерным излучением, в результате взаимодействия формируется световой сигнал, который оптически интегрируют, полученное пространственное распределение светового сигнала W(x,t) детектируют, представляя тем самым распределение W(x,t) дискретным, равномерно распределенным по координате "x" набором аналоговых сигналов U(x_i,t), сравнивают последние с пороговым уровнем для определения порядковых номеров аналоговых сигналов, превысивших порог, и для вычисления по порядковым номерам частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения светового сигнала.

Признаки, совпадающие с признаками предлагаемого изобретения: анализируемый радиосигнал преобразуют в акустический сигнал, распространяющийся в звукопроводящей и светопрозрачной среде и взаимодействующий в ней с лазерным излучением, в результате взаимодействия формируется световой сигнал, который оптически интегрируют, полученное пространственное распределение светового сигнала W(x,t) детектируют, представляя тем самым распределение W(x,t) дискретным, равномерно распределенным по координате "x" набором аналоговых сигналов U(x_i,t),

Максимальная погрешность измерения частоты в данном способе составляет величину, соответствующую четверти расстояния между фотодиодами фотоприемника (четверти пространственного расстояния между соседними точками x_i). Однако такая точность не может быть достигнута при наличии шумов, уровни которых добавляются к уровням сигнала, искажают форму сигнала и, как следствие, изменяют положение оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, увеличивая тем самым погрешность измерения частоты. На практике влияние шумов на погрешность измерения частоты увеличивается с уменьшением отношения сигнал/шум.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение точности измерения частоты радиосигнала в присутствии шумов.

Нужный технический результат достигается тем, что полученные аналоговые сигналы подвергают взаимно-корреляционному преобразованию с заданным дискретно, заранее сформированным опорным сигналом, форма которого соответствует нормированной аппаратной функции приемника-частотомера, затем ищут абсциссу оси симметрии полученной таким образом взаимно-корреляционной функции и отождествляют с абсциссой искомое значение частоты радиосигнала.

Для достижения технического результата в способе определения частоты радиосигнала в акустооптических приемниках-частотомерах, заключающемся в том, что анализируемый радиосигнал преобразуют в акустический сигнал, распространяющийся в звукопроводящей и светопрозрачной среде и взаимодействующий в ней с лазерным излучением, в результате взаимодействия формируется световой сигнал, который оптически интегрируют, полученное пространственное распределение светового сигнала W(x,t) детектируют, представляя тем самым распределение W(x,t) дискретным, равномерно распределенным по координате "x" набором аналоговых сигналов U(x_i,t), полученные аналоговые сигналы подвергают взаимно-корреляционному преобразованию с заданным дискретно, заранее сформированным опорным сигналом, форма которого соответствует нормированной аппаратной функции приемника-частотомера, затем ищут абсциссу оси симметрии полученной таким образом взаимно-корреляционной функции и отождествляют с абсциссой искомое значение частоты радиосигнала.

Сравнение предлагаемого способа с прототипом показывает, что он содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Из сравнения с аналогами, следует, что заявляемый способ соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены новые заявляемые 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.

Как известно, (см. Кулаков С.В. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа сигналов. Л. Наука. 1978) при подаче на вход акустооптического приемника-частотомера гармонического сигнала частоты F_C распределение светового сигнала на фотоприемнике этого устройства, т.е. в его спектральной плоскости, соответствует аппаратной функции (АФ) приемника-частотомера.

Отметим, что форма АФ постоянна и не зависит от частоты сигнала;

она определяется параметрами светового луча монохроматического источника света и параметрами элементов оптической схемы конкретного приемника-частотомера. В то же время положение АФ на фотоприемнике частотно-зависимо; оно однозначно определяется частотой сигнала F_C, подлежащей измерению. В связи с этим измерение частоты F_C сводится к определению положения АФ на фотоприемнике.

На практике форма АФ обычно известна (или может быть измерена), поэтому задача измерения частоты F_C может быть сформулирована как задача определения положения на фотоприемнике сигнала известной формы (соответствующей форме АФ).

Для ее решения в предлагаемом способе используют то обстоятельство, что форма АФ известна. Поэтому эту известную форму используют для опорного сигнала при формировании взаимно-корреляционной функции (ВКФ) аддитивной смеси сигнала и шума с упомянутым опорным сигналом.

Измеряемым по ВКФ параметром является положение светового сигнала на фотоприемнике, оно отождествляется с абсциссой оси симметрии ВКФ, которая (абсцисса) в свою очередь соответствует частоте сигнала F_C. Отметим, что для симметричного распределения интенсивности светового сигнала на фотоприемнике, форма которого соответствует форме АФ и симметричного опорного сигнала, форма которого также соответствует форме АФ, ВКФ тоже будет симметрична.

Достоинство взаимно-корреляционной обработки (ВКО) смеси сигнала с шумом состоит в том, что она увеличивает (благодаря опорному сигналу) энергию сигнала в ВКФ, а энергию шума практически не меняет. Благодаря этому увеличивается отношение сигнал/шум и, как следствие, увеличивается точность измерения параметров ВКФ; абсциссы ее оси симметрии, отождествляемой с частотой сигнала F_C.

Так, если анализируется аддитивная смесь x(f) случайного процесса, содержащая сумму известного сигнала s(f) и шума n(f), то в результате ВКО такого процесса получим оценку ВКФ B(f₀), определяемую следующим выражением:

где x(f)=s(f)+n(f) - распределение сигнала на фотоприемнике;

s(f+f₀) - опорный сигнал;

ΔF - полоса рабочих частот приемника-частотомера.

В качестве сигнальной составляющей в этой функции рассматривают оценку сигнальной автокорреляционной функции q_SS(f₀), определяемую выражением

В качестве шумовой составляющей для ВКФ рассматривают оценку q_NS(τ), представляющую собой ВКФ шума с сигналом

Таким образом, оценка ВКФ может быть представлена в следующем виде:

Поскольку функции n(f₀) и s(f+f₀) некоррелированны, то можно говорить о том, что энергия шума функции q_NS(f₀) в ВКФ, по крайней мере, не больше энергии шума в исходной смеси сигнала с шумом. Следовательно, отношение энергий функций q_SS(f₀) и q_NS(f₀) увеличилось по сравнению с исходным отношением сигнал/шум. Следствием этого, как уже отмечалось, является увеличение точности измерения частоты сигнала.

Таким образом, точность измерения частоты в соответствии с заявляемым способом больше (по сравнению с прототипом), поскольку в результатах измерений уменьшатся погрешности, связанные с наличием шумов.

Внедрение заявляемого способа позволит улучшить технические характеристики частотоопределительных устройств за счет увеличения точности измерения частоты.

Способ измерения частоты радиосигнала в акустооптических приемниках-частотомерах, заключающийся в том, что анализируемый радиосигнал преобразуют в акустический сигнал, распространяющийся в звукопроводящей и светопрозрачной среде и взаимодействующий в ней с лазерным излучением, в результате взаимодействия формируется световой сигнал, который оптически интегрируют, полученное пространственное распределение светового сигнала W(x,t) детектируют, представляя тем самым распределение W(x,t) дискретным, равномерно распределенным по координате х, набором аналоговых сигналов U(x_i,t), отличающийся тем, что полученные аналоговые сигналы подвергают взаимно-корреляционному преобразованию с заданным дискретно, заранее сформированным, опорным сигналом, форма которого соответствует нормированной аппаратной функции приемника-частотомера, затем ищут абсциссу оси симметрии полученной таким образом взаимно-корреляционной функции и отождествляют с абсциссой искомое значение частоты радиосигнала.

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

Акустооптический измеритель параметров радиосигналов // 2253122

Панорамный акустооптический приемник-частотомер // 2234708

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокоточного измерителя частотных параметров радиосигналов в широкополосных системах связи, радиолокации и радиоразведке.

Акустооптический анализатор спектра // 2214608

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для визуального анализа амплитудного спектра исследуемых сигналов и определения вида их модуляции.

Измеритель частоты радиосигналов // 2208803

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве быстродействующего панорамного измерителя несущей частоты радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и радиоразведке.

Способ спектрометрии и устройство для его осуществления (варианты) // 2190197

Способ спектрометрии и интерферометр для его осуществления // 2189017

Высокоточный акустооптический измеритель скорости перестройки частотно-модулированных сигналов // 2182337

Акустооптический приемник-частотомер // 2178181

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники и может быть использовано в качестве высокоточного приемника-частотомера, работающего в автоматическом режиме.

Способ спектрометрии и устройство для его осуществления (варианты) // 2177605

Способ измерения параметров сигналов исходящего канала базовой станции в сетях с временным разделением дуплексных каналов // 2501026

Изобретение относится к области измерений в свободном пространстве параметров сигналов, излучаемых радиопередающими устройствами базовых станций в сетях связи с временным разделением дуплексных (входящего и исходящего) каналов. Технический результат изобретения - повышение точности измерений параметров сигналов исходящего канала базовой станции в условиях, когда в пределах одной и той же полосы частот попеременно присутствуют сигналы исходящего и входящего каналов станции. Способ измерения основан на управлении разверткой используемого анализатора спектра при помощи сигнала, формируемого детектором мощности на промежуточной частоте, и заключается в том, что пороговый уровень запуска развертки повышают до появления на спектрограмме заметной асимметрии либо провалов и/или выбросов в пределах номинальной полосы канала, снижают его до значения, при котором восстанавливается равномерная форма спектра, характеризующаяся отсутствием указанных выше искажений спектрограммы, определяют и фиксируют значение этого порогового уровня, а измерения проводят при уровне запуска развертки ниже зафиксированного порогового уровня, но выше уровня сигналов входящего канала и/или радиошума. 3 ил.

Акустооптический спектроанализатор // 2512617

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве широкополосного измерителя частоты радиосигналов. Технический результат, заключающийся в расширении полосы рабочих частот, достигается тем, что в акустооптический спектроанализатор, содержащий в своем составе лазер, коллиматор, акустооптический дефлектор, глухое зеркало, две интегрирующие линзы и две линейки фотоприемных устройств, в котором измеряемый радиосигнал подается на пьезопреобразователь акустооптического дефлектора, а на одну из его оптических граней лазерное излучение падает под отрицательным углом Брэгга и дифрагирует по направлению последовательно расположенных первой интегрирующей линзы и первой линейки фотоприемных устройств, а на вторую оптическую грань акустооптического дефлектора лазерное излучение, переотражаясь от глухого зеркала, падает под положительным углом Брэгга и дифрагирует по направлению последовательно расположенных второй интегрирующей линзы и второй линейки фотоприемных устройств, дополнительно между первой и второй гранями акустооптического дефлектора и первой и второй интегрирующими линзами включены первый и второй поляроиды, а акустооптический дефлектор выполнен на основе ниобата лития с косым углом среза, равным β, и аномальной дифракцией, характеризуемой наличием двух одинаковых полос пропускания ΔfΣ1 и ΔfΣ2 вблизи отличающихся частот перегиба f01 и f02, задаваемых соответствующей величиной угла β, и между собой взаимосвязанных посредством f02-f01≃ΔfΣ1≃ΔfΣ2, причем протяженность по свету пьезопреобразователя акустооптического дефлектора выбрана из условия совмещения полос ΔfΣ1 и ΔfΣ2 по заданному уровню неравномерности дифракционной эффективности. 4 ил.

Способ измерения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере // 2521200

Изобретение относится к радиоизмерительной технике. Способ определения частоты радиосигнала в акустооптическом приемнике-частотомере, заключающийся в подаче на электрический вход акустооптического дефлектора анализируемого радиосигнала, преобразовании его в акустический и далее в оптический сигнал, Фурье-преобразовании последнего с фиксацией распределения его интенсивности N-элементной линейкой фотодиодов, формировании на их выходах видеосигналов с уровнями, пропорциональными уровням упомянутого распределения интенсивности, вычислении частоты радиосигнала, отождествляемой с абсциссой оси симметрии распределения интенсивности светового сигнала, дискретизированного фотодиодами, подаче на вход дефлектора наряду с анализируемым и эталонных сигналов, нахождении в линейке фотодиодов, откликнувшихся на эти сигналы, нахождении среди откликов сигналов максимального уровня, регистрации номеров соответствующих им фотодиодов и измерении уровней сигналов и на них, и на рядом стоящих с ними фотодиодах, использовании этих данных для вычисления частот, соответствующих номерам фотодиодов с сигналами максимального уровня, выполнении перечисленных действий над откликами фотодиодов для R (где R>2) эталонных сигналов, у которых частоты F1, F2, …, Fj, …, FR равномерно распределены в частотном диапазоне частотомера и растут вместе с индексом, обозначении найденных номеров фотодиодов с сигналами максимального уровня nj (где (1≤j≤R), обозначении уровней сигналов на них и на соседних с ними фотодиодах Ynj, Ynj+1, Ynj-1 соответственно, вычислении коэффициентов knj, вычислении частотных интервалов ΔFj в полосах частот fj…fj+1, где частоты fj=Fj-knjΔFj соответствуют фотодиодам с номерами nj, последующем определении соответствующих q-тым (где nj≤q≤nj+1) фотодиодам частот fq=fj+ΔFj-(q-nj), используемых для вычисления абсциссы упомянутой оси симметрии. Технический результат заключается в увеличении точности измерения частоты радиосигнала.

Способ спектрального анализа радиосигналов // 2566431

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокации, связи и электромагнитном мониторинге эфира, при котором определяется спектральный состав источников излучения. Способ спектрального анализа радиосигналов заключается в том, что радиосигнал преобразуют в акустическую волну, распространяющуюся в прозрачном звукопроводе, который освещают коллимированным лазерным пучком света, над прошедшим через звукопровод светом осуществляют пространственное преобразованием Фурье, выделяют свет первого дифракционного порядка, распределение интенсивности в котором преобразуют с помощью единичного фотоприемника в электрический сигнал для последующей обработки в цифровом процессоре, при этом лазерное излучение перестраивают по частоте во времени по закону, обеспечивающему неискаженное воспроизведение спектральной панорамы, а именно ν(t)=νc+γ(t-0.5T), где νc центральная частота, γ, Τ - скорость и время перестройки соответственно. Технический результат заключается в увеличении выходного отношения сигнал-шум и точности измерения частоты. 1 ил.

Устройство селекции сигналов по частоте // 2583128

Устройство селекции сигналов по частоте содержит последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, акустооптический модулятор (АОМ) света, первую интегрирующую линзу и пространственный фильтр, а также вторую интегрирующую линзу и линейку фотодиодов. Электрический вход модулятора является входом устройства. При этом между пространственным фильтром и второй интегрирующей линзой в ±1-х порядках дифракции установлены оптические транспаранты. Технический результат заключается в снижении искажений выходных сигналов. 1 ил.

Акустооптический измеритель параметров радиосигналов с повышенным разрешением // 2584182

Акустооптический измеритель параметров радиосигналов включает в себя последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, АО дефлектор, на электрический вход которого подается измеряемый радиосигнал, интегрирующую линзу, в фокальной плоскости которой расположено регистрирующее устройство, и цилиндрическую линзу, расположенную между интегрирующей линзой и линейкой фотоприемников. При этом на пути дифрагированных пучков между АО дефлектором и интегрирующей линзой помещается призма из светопрозрачного однородного материала с нормальной дисперсией. Причем основание призмы параллельно плоскости АО взаимодействия, а угол падения дифрагированных пучков на входную грань призмы и ее преломляющий угол являются максимально возможными, при условии отсутствия на выходной грани призмы полного внутреннего отражения световых пучков во всем рабочем диапазоне частот АО измерителя. Технический результат заключается в увеличении разрешающей способности акустооптического измерителя параметров радиосигнала. 2 ил.

Голографический способ автоматической регулировки усиления сигнала // 2597664

Голографический способ автоматической регулировки усиления (АРУ) сигнала включает в себя обеспечение фокусировки светового потока внутри электрооптического элемента. Подачу контролируемого электрического сигнала на электроды, нанесенные на боковые грани оптически прозрачного электрооптического элемента. Направление светового потока с выхода оптически прозрачного электрооптического элемента в плоскость полуотражательной фурье-голограммы голографического интерферометра. Измерение и анализ параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости формируемой интерферограммы. На основе проведенного анализа вырабатывают управляющие воздействия и подают их на усилительные элементы регулируемых усилительных каскадов приемника сигналов. Технический результат заключается в расширении динамического диапазона работы АРУ сигнала, повышение быстродействия её работы и снижение влияния фоновых шумов на работу системы АРУ сигнала. 3 ил.