способ измерения частоты радиосигнала в акустооптических приемниках-частотомерах

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 f и N-элементного фотоприемника, соответствующего N пространственным координатам x_i, максимальная погрешность измерения частоты составляет величину 0,5( f /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.

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.

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;

F - полоса рабочих частот приемника-частотомера.

В качестве сигнальной составляющей в этой функции рассматривают оценку сигнальной автокорреляционной функции q_SS(f ₀), определяемую выражением

В качестве шумовой составляющей для ВКФ рассматривают оценку q_NS( ), 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.