Патент на изобретение №2208803

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ РАДИОСИГНАЛОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в качестве быстродействующего панорамного измерителя несущей частоты радиосигналов в широкополосных системах связи, пеленгации и радиоразведке. Техническим результатом является уменьшение времени вероятностного приема радиосигналов акустооптическим измерителем за счет уменьшения времени получения информации о частоте входного радиосигнала. В измеритель частоты радиосигналов, содержащий последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, интегрирующую линзу, вспомогательный акустооптический дефлектор, фокусирующую линзу и фотоприемник, выход которого включен на второй вход измерителя временных интервалов, причем измеряемый радиосигнал подается через делитель на электрический вход сигнального акустооптического дефлектора, а второй выход делителя нагружен на детектор и формирователь, выход которого через вспомогательный генератор включен на электрический вход вспомогательного акустооптического дефлектора и одновременно на первый вход измерителя временных интервалов, введено n линий задержек, n-1 вспомогательных генераторов с разными несущими частотами, n-1 фотоприемников, n-1 измерителей временных интервалов и сумматор, причем n входов линий задержек параллельно соединены с выходом формирователя, n выходов которых включены на n одноименных входов вспомогательных генераторов и на n одноименных первых входов n измерителей временных интервалов, а n выходов вспомогательных генераторов через сумматор соединены с электрическим входом вспомогательного акустооптического дефлектора, а n выходов фотоприемников соединены с n вторыми входами измерителей временных интервалов. 4 ил.

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

В аналоге формируется временной интервал, пропорциональный частоте входного сигнала, который и фиксируется измерителем временных интервалов.

Недостаток описанного аналога заключается а том, что при T_обз, где Т_обз – время перестройки частотной области АО взаимодействия или время обзора полосы рабочих частот, а – длительность измеряемого радиосигнала, прием и измерение приемником-частотомером параметров сигналов становится вероятностным и зависит от частоты самого сигнала. Так, например, пусть за время Т_обз частотная область АО взаимодействия F изменяется от f_min до f_max в пределах f = f_max-f_min, где f– полоса обзора.

Тогда, если на вход приемника частотомера поступает сигнал с частотой, находящейся вблизи f_max, а длительность сигнала обз, то ясно, что такой сигнал приемником регистрироваться не будет: сигнал прекратит свое существование прежде чем к нему “дойдет” перестраиваемая область АО взаимодействия. Возможен и другой случай, а именно, когда во время перестройки F от f_min до f_max, на вход приемника придет сигнал с несущей частотой вблизи _min, опять же с обз, то такой сигнал также будет “пропущен”.

Таким образом, данный аналог позволяет измерять значения несущих частот радиосигналов, длительности которых превышают время обзора полосы его рабочих частот.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, управляющий АО дефлектор, формирователь импульса запуска, оптическая система, сигнальный АО дефлектор, фокусирующая оптическая система, фотоприемник и измеритель временных интервалов.

Устройство-прототип в своем составе содержит последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор (АОД), интегрирующую линзу, вспомогательный АОД, фокусирующую линзу и фотоприемник, выход которого соединен с вторым входом измерителя временных интервалов, причем измеряемый радиосигнал подается через делитель на электрический вход сигнального АОД, а второй выход делителя нагружен на детектор и формирователь, имеющий два выхода, один из которых через вспомогательный генератор фиксированной частоты включен на электрический вход вспомогательного АОД, а второй выход делителя соединен с первым входом измерителя временных интервалов. Информационным выходом устройства-прототипа является выход измерителя временных интервалов.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Свет от лазера 1 с длиной волны и апертурой L₁, формируемой коллиматором 2, под углом _п1 падает на сигнальный дефлектор 3, скорость ультразвука в теле которого v₁; на электрический вход АОД 3 через делитель 5 подается измеряемый радиосигнал S(t).

Одновременно S(t) детектируется устройством 6 (детектором 6); передний фронт продетектированного S(t) инициирует с помощью формирователя 7 работу измерителя временных интервалов 12 и вспомогательного генератора 8 фиксированной частоты ₀; длительность сформированных генератором 8 прямоугольных импульсов (t), их период повторения Т_cл. Начало движения импульса (t) в теле АОД 9 совпадает с моментом начала работы измерителя временных интервалов 12.

Лазерное излучение на акустическом аналоге S(t) дифрагирует и с помощью интегрирующей линзы 4 с фокусным расстоянием F₁ подается на вспомогательный АО дефлектор 9 (низкочастотный и высокоэффективный) со скоростью ультразвука v₂; назначение второго вспомогательного АОД 9 заключается в считывании местоположения дифрагированного пятна света диаметром L₂ = F₁/L₁, координата центра которого
X_c = F₁(_п1+f_c/v₁), (1)
пропорциональна частоте f_c сигнала S(t), “приходящейся” на центр апертуры L₁ сигнального АОД 3.

Полоса рабочих частот АО измерителя f = f_в-f_н задает в плоскости размещения вспомогательного АОД 9 пространственный отрезок
X = X_в-X_н = F₁f/v₁,
в пределах которого должен сканировать дифрагированный на S(t) луч лазера.

Когда распространяющийся в теле вспомогательного АОД 9 короткий цуг (t) встречает пятно света, координата которого соответствует (1), свет на нем еще раз дифрагирует, отклоняясь на фиксированный угол
_п2 = ₀/v₂ = const,
затем фокусируется линзой 10 на фотоприемник (ФПУ) 11; сигнал с выхода ФПУ прекращает работу измерителя временных интервалов 12.

Таким образом, в рассматриваемом АО измерителе обзор f осуществляется за время
T = T₂₀+T_обз = L₂₀/v₂+X/v₂,
включающее как активное время Т_обз, так и “мертвое” Т₀₂, обусловленное конечной величиной темновой апертуры L₂₀ вспомогательного АОД 9.

При этом измеритель временных интервалов 12 фиксирует интервал
T_c = T₂₀+X_c/v₂,
длительность которого пропорциональна частоте f_c измеряемого радиосигнала.

Признаками устройства-прототипа, общими с заявляемым изобретением, являются последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, интегрирующая линза, вспомогательный акустооптический дефлектор, фокусирующая линза и фотоприемник, выход которого соединен с вторым входом измерителя временных интервалов, причем измеряемый радиосигнал подается через делитель на электрический вход сигнального акустооптического дефлектора, а второй выход делителя нагружен на детектор и формирователь, выход которого через вспомогательный генератор включен на электрический вход вспомогательного акустооптического дефлектора и одновременно на первый вход измерителя временных интервалов.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является наличие в прототипе времени, равного времени обзора его полосы рабочих частот, когда прием и измерение параметров (частоты) входных сигналов становится вероятностным. Данный недостаток легко просматривается, если предположить, что после того как вспомогательный генератор 8 сформировал короткий цуг длительностью (t) фиксированной частоты ₀ и он начал движение в теле вспомогательного АОД 9, считывая от начальной граничной частоты f_min местоположение дифрагированного входного сигнала, то, если при этом на вход измерителя придет радиосигнал с несущей частотой вблизи f_min и длительностью, меньшей Т_oбз, то такой сигнал измерителем зарегистрирован не будет. И наоборот, возможен вариант, когда входной радиосигнал придется на верхнюю часть диапазона рабочих частот измерителя, то его частота также не будет определена, если длительность сигнала будет меньше Т_oбз: сигнал прекратит свое существование, когда к нему “подойдет” цуг считывания.

Таким образом, прототип характеризуется вероятностным временем приема, равным Т_обз, причем вероятность приема определяется не только соотношением /T_обз, но и зависит от значения частоты измеряемого радиосигнала.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение времени вероятностного приема радиосигналов АО измерителем за счет уменьшения времени получения информации о частоте входного радиосигнала.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в уменьшении вероятностного времени в n раз, где n – число коротких цугов (t) с разными частотами заполнения, с помощью которых осуществляется обзор полосы рабочих частот измерителя. При этом в предлагаемом измерителе время обзора не изменяется. Дополнительным техническим результатом является повышение точности измерения частоты радиосигналов в несколько раз. Последнее распространяется на сигналы с >T_обз.
Технический результат в предлагаемом измерителе достигается за счет того, что в нем обеспечены условия для получения информации о координатах дифрагированного пятна света и соответственно частоте входного сигнала несколькими регистрирующими устройствами, каждый из которых включает в себя линию задержки, вспомогательный генератор, сумматор, фотоприемник и измеритель временных интервалов. Запуск каждого из регистрирующих устройств осуществляется последовательно, а информация потребителю о частоте входного сигнала предъявляется параллельно. Именно поэтому в предлагаемом устройстве время обзора полосы рабочих частот остается без изменения и в то же время в n раз сокращается время вероятностного приема, где n – число упомянутых устройств регистрации.

Для достижения заявляемого технического результата в предлагаемый измеритель частоты радиосигналов, содержащий последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, интегрирующую линзу, вспомогательный акустооптический дефлектор, фокусирующую линзу и фотоприемник, выход которого включен на второй вход измерителя временных интервалов, причем измеряемый радиосигнал подается через делитель на электрический вход сигнального акустооптического дефлектора, а второй выход делителя нагружен на детектор и формирователь, выход которого через вспомогательный генератор включен на электрический вход вспомогательного акустооптического дефлектора и одновременно на первый вход измерителя временных интервалов, введены n линий задержек, n-1 вспомогательных генераторов с разными несущими частотами, n-1 фотоприемников, n-1 измерителей временных интервалов и сумматор, причем n входов линий задержек параллельно соединены с выходом формирователя, n выходов которых включены на n одноименных входов вспомогательных генераторов и n одноименных первых входов n измерителей временных интервалов, а n выходов вспомогательных генераторов через сумматор соединены с электрическим входом вспомогательного акустооптического дефлектора, а n выходов фотоприемников соединены с n вторыми входами измерителей временных интервалов.

Доказательство причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом следует из рассмотрения принципа работы заявляемого измерителя частоты и его сопоставления с прототипом и аналогами.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема аналога – акустооптического анализатора спектра последовательного типа; на фиг.2 представлена структурная схема прототипа – измерителя частоты радиосигналов на основе акустооптического анализатора изображений; на фиг.3 приведена схема заявляемого измерителя частоты радиосигналов; на фиг.4 поясняется начальное местоположение импульсов считывания в теле вспомогательного АОД, при котором обеспечивается уменьшение времени получения информации о координатах дифрагированного пятна света в n раз.

Позиции на фиг.3 обозначают: 1 – лазер, 2 – коллиматор, 3 – сигнальный акустооптический дефлектор, 4 – интегрирующая линза, 5 – делитель, 6 – детектор, 7 – формирователь, 8 – набор линий задержек, 9 – набор вспомогательных генераторов, 10 – сумматор, 11 – вспомогательный акустооптический дефлектор, 12 – фокусирующая линза, 13 – набор фотоприемников, 14 – набор измерителей временных интервалов.

Заявляемое устройство работает (см. фиг.3) следующим образом. Свет от лазера 1 с длиной волны и апертурой L₁, формируемой коллиматором 2, под углом _п1′ падает на сигнальный АОД 3. Величина темновой апертуры АОД 3 выбрана равной L₁₀. Входной электрический сигнал S(t), подаваемый через делитель 5 на электрический вход АОД 3, проходит путь, равный L₁₀, задерживаясь на время L₁₀/v₁, прежде чем на нем продифрагирует лазерное излучение. В данном случае назначение темновой апертуры АОД 3 состоит в обеспечении предварительных условий, при которых (см. ниже) часть считывающих импульсов (цугов) размещается в теле вспомогательного АОД 11, прежде чем лазерное излучение источника 1 продифрагирует на сигнале S(t) и появится в виде соответствующего пятна на оптическом входе вспомогательного АОД 11. Лазерное излучение на акустическом аналоге S(t) дифрагирует и, пройдя интегрирующую линзу 4 с фокусным расстоянием F₁, подается на вспомогательный АОД 11, в теле которого последовательно с интервалом ~ Т_обз/n распространяются n коротких импульсов-цугов с разными несущими частотами _n (они задаются набором из n вспомогательных генераторов 9), с помощью которых осуществляется считывание местоположения дифрагированного пятна света, координата центра которого пропорциональна частоте измеряемого сигнала S(t). Повторно дифрагированный свет на n коротких импульсах-цугах через фокусирующую линзу 12 подается на n фотоприемников 13. Также как и в прототипе во вспомогательном АОД 11 апертура, равная X = X_в-X_н, соответствует диапазону рабочих частот измерителя
f = Xv₁/F₁.
Формирование серии n коротких импульсов считывания, отстоящих друг от друга на приблизительно одинаковые временные отрезки, осуществляется с помощью набора линий задержек 8, набора вспомогательных генераторов 9 и сумматора 10. Формируются импульсы считывания передним фронтом сигнала S(t), который, пройдя делитель 5, детектируется детектором 6 и своим передним фронтом запускает формирователь 7, назначение которого состоит в инициировании запуска n измерителей временных интервалов 14 и n вспомогательных АОД 11. При этом, в отличие от прототипа, запуск этих устройств осуществляется последовательно во времени через набор линий задержек 8 с тем, чтобы рассредоточить в плоскости размещения вспомогательного АОД 11 (в пределах X) начальное местоположение импульсов считывания. Таким образом, на пространственном отрезке апертуры вспомогательного АОД 11, равном X, в пределах которого может перемещаться дифрагированный на S(t) луч лазера 1, размещается n импульсов считывания с частотами заполнения _н, на каждом или на части из которых падающее лазерное излучение еще раз дифрагирует. При этом излучение каждый раз отклоняется на фиксированные разные углы, соответствующие частотам _н “своего” цуга; т.е. каждому импульсу считывания соответствует свой угол отклонения повторно дифрагированного света

где v₂ – скорость ультразвука в теле вспомогательного АОД 11. Каждый считывающий импульс обслуживается отдельными линиями задержки 8, вспомогательным генератором 9, фотоприемником 13 и измерителем временных интервалов 14. По направлению углов _n повторной дифракции включены n фотоприемников 13 и n измерителей временных интервалов 14. Каждый из n измерителей временных интервалов 14 фиксирует время от начала движения своего n-го цуга считывания в теле АОД 11 до момента, когда он продифрагирует на световом пятне, местоположение которого соответствует частоте входного сигнала S(t). Таким образом, в предлагаемом измерителе осуществляется фиксация n временных интервалов, каждый из которых с учетом временных задержек устройств 8 пропорционален частоте входного сигнала. Сокращение же времени получения информации о частоте входного сигнала при последовательном обзоре f_/ достигается за счет использования n считывающих импульсов и их предварительного размещения в пределах X.
В заключение оценим в предлагаемом измерителе степень уменьшения времени получения информации о несущей частоте действующего на его входе сигнала, а также рассмотрим виды сигналов, для которых имеется возможность измерения частоты с повышенной точностью. Достаточно очевидно, что степень уменьшения упомянутого времени определяется числом используемых импульсов считывания и порядком их размещения по апертуре вспомогательного АОД 11. Как следует из фиг.4, для трех считывающих цугов и их ориентировочно равномерного расположения в пределах X вспомогательного АОД 11, выигрыш составит примерно три раза.

При этом, как и в прототипе, время обзора полосы рабочих частот f X остается равным Т_обз времени движения цуга вдоль всей апертуры вспомогательного АОД 11, на которую приходится f.
Что касается повышения точности, то в предлагаемой конфигурации измерителя это будет иметь место только для тех радиосигналов, длительность которых превышает время обзора Т_обз, т.е., если будут обеспечены условия, когда один и тот же сигнал S(t) будет считываться (измеряться) несколько раз. И, таким образом, за счет усреднения n измерений точность регистрации несущей частоты S(t) повысится в раз.

Предлагаемый акустооптический измеритель частоты радиосигналов, использующийся в качестве быстродействующего частотомера СВЧ диапазона длин волн, может быть выполнен на основе следующих элементов. Лазер 1 целесообразно использовать газовый Ne-Не, например типов ЛГН-219, ЛГН-208, ЛГН-224-1, или полупроводниковый видимого (ИЛПН-207) или инфракрасного диапазона. Сигнальный акустооптический дефлектор 3 для диапазона частот 500-3000 МГц может быть выполнен на основе таких материалов, как LiNbO₃ или РbМоO₄, а для диапазона частот менее 500 МГц он может быть выполнен на основе ТеO₂. Вспомогательный дефлектор 11 (низкочастотный и высокоэффективный) также может быть выполнен на основе Т_обз; не исключена возможность применения и промышленного дефлектора, например типа МЛ-201.

В качестве фотоприемников 13 в заявляемом измерителе целесообразно использовать как малогабаритные фотоприемные умножители, например, типов ФЭУ-147, ФЭУ-168 и др., так и полупроводниковые фотоприемники на основе ЛФД или p-i-n диодов.

К оптическим элементам, входящим в измеритель, особых требований не предъявляется. Коллиматор 2, интегрирующая 4 и фокусирующая 12 линзы могут быть выполнены по стандартной технологии, например, из стекла марки К8. В качестве коллиматора 2 возможно применение стандартного объектива. Что касается измерителей временных интервалов 14, то их реализация возможна на основе счетчиков калиброванных импульсов. В этом случае инициирование начала отсчета временных интервалов может осуществляться самим входным сигналом (через делитель 5, детектор 6, формирователь 7 и соответствующую линию задержки 8), а концом измеряемого временного интервала будет являться короткий импульс, снимаемый с фотоприемника 13. По количеству тактовых импульсов, вырабатываемых счетчиком, можно судить о длительности временного интервала и соответственно о частоте сигнала действующего на входе акустооптического измерителя.

Формула изобретения

Измеритель частоты радиосигналов, содержащий последовательно по свету расположенные лазер, коллиматор, сигнальный акустооптический дефлектор, интегрирующую линзу, вспомогательный акустооптический дефлектор, фокусирующую линзу и фотоприемник, выход которого включен на второй вход измерителя временных интервалов, причем измеряемый радиосигнал подается через делитель на электрический вход сигнального акустооптического дефлектора, а второй выход делителя нагружен на детектор и формирователь, выход которого через вспомогательный генератор включен на электрический вход вспомогательного акустооптического дефлектора и одновременно на первый вход измерителя временных интервалов, отличающийся тем, что в него введены n линий задержек, n-1 вспомогательных генераторов с разными несущими частотами, n-1 фотоприемников, n-1 измерителей временных интервалов и сумматор, причем n входов линий задержек параллельно соединены с выходом формирователя, n выходов линий задержек включены на n одноименных входов вспомогательных генераторов и на n одноименных первых входов n измерителей временных интервалов, а n выходов вспомогательных генераторов через сумматор соединены с электрическим входом вспомогательного акустооптического дефлектора, а n выходов фотоприемников соединены с n вторыми входами измерителей временных интервалов.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 29.11.2004

Извещение опубликовано: 20.04.2006 БИ: 11/2006