СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА РАДИОСИГНАЛОВ

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в ра-диолокации, связи и электромагнитном мониторинге эфира, при котором определяется спектральный состав источников излучения.

Известен акустооптический способ спектрального анализа и реализующее его уст-ройство [L.B. Lambert Wideband instantaneous spectrum analyzers employing delay line light modulators. IRE Int.Conv.Rec.,v.l0, pt.6, p.69 (1962).].

По этому способу анализируемый электрический сигнал преобразуют посредством пьезоэлемента в акустические волны, распространяющиеся в прозрачном звукопро-воде, освещают его коллимированным пучком когерентного света, над прошедшим светом линзой осуществляют пространственное преобразованием Фурье, диафрагмой выделяют свет первого дифракционного порядка, распределение интенсивности в котором преобразуют в электрический сигнал с помощью фотоприемника.

В технике акустооптических спектральных процессоров для регистрации интен-сивности дифрагировавшего света широко используются многоэлементные (по числу разрешающих частотных составляющих спектра) фотоприемники - линейки фотодиодов и фоточувствительные матрицы приборов с зарядовой связью. Эти устройства требуют достаточно большого времени для вывода информации о регистрируемом распределении интенсивности света, составляющего десятки и сотни микросекунд, что препятствует применению таких процессоров в тех областях техники, где требуется поимпульсное измерение параметров радиосигналов или необходимо определение законов внутриим-пульсной модуляции.

Известен также акустооптический способ спектрального анализа [Роздобудько В.В. Широкополосные акустооптические измерители частотных и фазовых параметров радиосигналов// Радиотехника. 2001. № 1.С.79-92], который по совокупности существен-ных признаков является наиболее близким к способу, предлагаемому в изобретении.

В этом способе анализируемый электрический сигнал с помощью пьезоэлемента преобразуют в акустические волны, распространяющиеся в прозрачном звукопроводе, освещают его коллимированным лазерным пучком света, над прошедшим светом линзой осуществляют пространственное преобразование Фурье, диафрагмой выделяют свет первого дифракционного порядка, которым освещают второй прозрачный звукопровод, в последнем также коротким радиоимпульсом посредством пьезоэлемента возбуждают акустический цуг, продифрагировавший на нем свет выделяют диафрагмой, проектируют

линзой на единичный фотоприемник и преобразуют интенсивность света в выходной электрический сигнал.

Достоинствами такого способа акустооптического анализа с последовательным во времени считыванием спектра являются его широкополосность и быстродействие, определяемое временем прохождения считывающего импульса через освещаемую апертуру второго звукопровода (единицы микросекунд). Устройство имеет недостатки:

низкий уровень полезной световой мощности, регистрируемой фотоприемником, за счет повторной дифракции света, особенно на коротком, акустическом импульсе во втором звукопроводе (импульсе считывания), что приводит к уменьшению отношения сигнал-шум на выходе;

ошибка определения частоты, вызванная изменением формы аппаратной функции и смещением ее пика, для устранения которой требуется дополнительная процедура калибровки.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка способа акустооптического спектрального анализа с последовательным считыванием спектра, при котором увеличиваются выходное отношение сигнал-шум и точность измерения частоты.

Это достигается тем, что, как и в известном способе, радиосигнал преобразуют в акустическую волну, распространяющуюся в прозрачном звукопроводе, который освещают коллимированным лазерным пучком света, над прошедшим через звукопровод светом осуществляют пространственное преобразование Фурье, затем выделяют свет первого дифракционного порядка, распределение интенсивности в котором преобразуют с помощью единичного фотоприемника в электрический сигнал для последующей обработки в цифровом процессоре, отличающийся тем, что лазерное излучение перестраивают во времени по частоте по закону ν(t)=ν_c+γ(t-0.5T), где ν_c - центральная частота, γ и Τ - скорость и время перестройки частоты соответственно.

Изобретение поясняется чертежом (фиг.1), на котором приведен пример выполнения схемы устройства, реализующего предлагаемый способ спектрального анализа сигналов.

Устройство состоит из перестраиваемого по частоте лазера 1, блока управления частотой излучения 2, коллиматора 3 акустооптического модулятора (АОМ) 4, возбуждаемого посредством пьезоэлемента 5 анализируемым сигналом S(t) , Фурье-линзы 6,диафрагмы 7, блокирующей недифрагировавший на АОМ свет, фотоприемника 8 и цифрового процессора 9. Узкий пучок света от лазера 1 расширяется коллиматором 3 и освещает апертуру АОМ, в котором сигналом S(t) посредством пьезоэлемента 5 возбуждается акустическая волна. Над продифрагировавшем на акустической волне светом линза 6 осуществляет пространственное преобразование Фурье. Диафрагма 7 выделяет свет первого дифракционного порядка, распределение интенсивности в котором фотоприемник 8 преобразует в электрический сигнал, который поступает в цифровой процессор 9 для последующей обработки.

В основе предлагаемого способа спектрального анализа лежит теория акустоопти-ческого взаимодействия и преобразований света в оптических системах [см., например, Ю.В. Егоров, К.П. Наумов, В.Н. Ушаков. Акустооптические процессоры. -. М.: Радио и связь. 1991]. Акустооптическое взаимодействие внешне проявляется как дифракция световых волн на акустических волнах, возбужденных, например, посредством пьезоэлемента в прозрачном звукопроводе, который обычно называют акустооптическим модулятором (АОМ).

Когерентное световое излучение с длиной волны λ, дифрагируя на гармонической акустической волне в АОМ с частотой f, создает в фокальной плоскости Фурье-линзы вдоль координаты, совпадающей с направлением 0х распространения акустической волны нормированное распределение интенсивности света вида

где 2L- протяженность апертуры АОМ, V - скорость распространения акустической волны, F - фокусное расстояние Фурье-линзы, ν и с - частота и скорость света соответ-ственно. Применительно к акустооптическому анализатору спектра формула (1) является так называемой аппаратной функцией (АФ), которая определяет его главные рабочие ха-рактеристики. Как функция пространственной координаты χ она имеет глобальный максимум

по положению которого определяется частота f, а ширина этого максимума по нулям есть

При фиксированной длине волны излучения формулы (2) и (3) совместно опреде-ляют частотное разрешение по нулевому критерию, связывая его с T_АOM - временной апертурой АОМ независимо от значения λ (или V ):

Когда свет с длиной волны λ дифрагирует на акустическом возмущении сложного спектрального состава, распределение интенсивности в фокальной плоскости Фурье-линзы представляет собой суперпозицию пространственно распределенных АФ, каждая из которых соответствует отдельной спектральной составляющей акустического возмущения. Таким образом, спектр "разворачивается" в пространстве.

Формула (2) говорит о том, что при сохранении постоянным произведения Xf (или частного f/ν), расположение максимума АФ не будет меняться. Поэтому, если зафиксировать пространственное положение "точечного" фотодетектора и изменять во времени ν, то различным спектральным составляющим анализируемого сигнала будут соответствовать различные моменты времени появления максимального отклика фотоприемника, т.е. осуществится разворачивание спектра во времени. Таким образом, временная форма видеоимпульса тока на выходе фотодетектора будет представлять спектр анализируемого сигнала. Для неискаженной передачи спектра необходимо обеспечить такой закон перестройки частоты лазерного излучения, при котором сохраняется линейная связь между временем формирования на выходе фотодетектора максимума тока и значением частоты соответствующей спектральной составляющей анализируемого сигнала. Из формулы (2) вытекает, что для этого необходимо изменять частоту лазерного излучения по линейному закону

где ν _с - центральная частота, γ, Τ - скорость и время её перестройки соответственно.

Пусть АОМ спектроанализатора имеет рабочую полосу частот Δf_АOM с центтральной частотой f_c , а анализу подлежит радиосигнал с полосой частот Δf_s (Δf_s<Δf_AОM).

Точечный фотоприемник следует расположить при координате соответствующей пространственному положению максимума АФ на средней частоте света и центральной частоте рабочей полосы АОМ. Тогда с помощью формулы (1) найдем время, за которое главный лепесток АФ преобразуется в импульс на выходе фотоприемника:

Время анализа (обзора), т.е. время, за которое воспроизводится спектр в рабочей полосе частот Δf_АOM с частотным разрешением δf₀, есть

Естественно принять время перестройки частоты лазерного излучения равным времени обзора, т.е. Τ = T_AS , тогда с помощью (5) -(7) определяется необходимый диапазон частотной перестройки лазера

Согласно существу предлагаемого способа спектрального анализа радиосигналов ключевым элементом реализующего его устройства является лазер с перестройкой излучения по частоте.

Известен лазер с перестройкой излучения по частоте [Г.А. Галич, В.И. Кравченко, В.В. Заика, В.В. Таранов, Н.И. Самусенко. Свип-лазер на неодимовом стекле с электронным управлением длиной волны излучения. Перестраиваемые по частоте лазеры. Материалы IV Всесоюзной конференции 6-9 декабря 1983 г. Новосибирск, с.56-59, 1984], в котором для электронной перестройки частоты в качестве дисперсионного элемента (дифракционной решетки) используется АОМ, возбуждаемый управляющим напряжением и работающий в режиме дифракции Брэгга. В таком лазере текущая частота генерируемого излучения определяется соотношением где θ - угол между нормалью к плоскости АОМ и оптической осью, а остальные обозначения имеют прежний смысл. Угол θ имеет фиксированное значение и равен углу Брэгга на средней частоте излучения при средней частоте напряжения возбуждения: а частота управляющего напряжения изменяется по линейному закону f(t) = f_c + α (t - 0.5,T) где α - скорость изменения частоты. При этом частота излучения также изменяется во времени по линейному закону совпадающему с (5), причем

Таким образом, рассмотренный свип-лазер на неодимовом стекле при управлении напряжением с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) может быть использован в устройстве, реализующем заявляемый способ спектрального анализа радиосигналов.

Известен другой лазер с перестройкой излучения по частоте промышленного производства (ЛЖИ-506) [Н.М. Бузинов, В.И. Елисенков, В.Л. Киреев и др. Автоматизированный перестраиваемый лазер на растворах органических красителей. Электронная промышленность, вып.9, с. 101-109, 1987], в котором для электронной перестройки также используется брэгговский АОМ. При условии управления этим лазером напряжением ЛЧМ он тоже может быть применен в устройстве, реализующем заявляемый способ спектрального анализа радиосигналов.