Акустооптический приемник
ACOUSTO-OPTIC RECEIVER

Предлагаемый приемник относится к радиоэлектронике и может использоваться для приема и спектрального анализа сложных сигналов с фазовой модуляцией (ФМн).
Известны акустооптические приемники (авт. свид. СССР №№1.718.695, 1.758.883, 1.785.410, 1.799.226, 1.799.227, патенты РФ №№2.001.533, 2.007.046, 2.234.808, 2.291.575, 2.314.644, 2.325.761, 2.439.811; Дикарев В.И. Методы и технические решения приема и обработки радиосигналов. Учебник, Санкт-Петербург, 2000, с. 413-462 и др.).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Акустооптический приемник» (авт. свид. СССР №№1.758.883, Н04B 10/06, 1990), который и выбран в качестве прототипа.
Указанный приемник обеспечивает подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.
Но с точки зрения расширения диапазона рабочих частот акустооптического приемника без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина целесообразно не подавлять, а использовать дополнительные каналы приема, проведя соответствующую их маркировку.
Технической задачей изобретения является расширение диапазона рабочих частот акустооптического приемника без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина путем использования дополнительных каналов приема.
Поставленная задача решается тем, что акустооптический приемник, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, лазер, на пути распространения пучка света которого последовательно установлены коллиматор и первая ячейка Брэгга, на пути распространения дифрагированной части пучка света установлена первая линза, в фокальной плоскости которой размещена первая матрица фотодетекторов, а также последовательно включенные приемную антенну, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, последовательно подключенные к выходу приемной антенны первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор и первый ключ, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен усилителем первой суммарной частоты, усилителем второй суммарной частоты, вторым перемножителем, вторым узкополосным фильтром, вторым, третьим и четвертым амплитудным детекторами, вторым, третьим и четвертым ключами, второй, третьей и четвертой ячейками Брэгга, второй, третьей и четвертой линзами, второй, третьей и четвертой матрицами фотодетекторов, причем на пути распространения пучка света лазера последовательно установлены вторая, третья и четвертая ячейки Брэгга, на пути распространения дифрагированной второй, третьей и четвертой ячейками Брэгга части пучка света установлены вторая, третья и четвертая линзы соответственно, в фокальной плоскости каждой из которой размещена вторая, третья и четвертая матрица фотодетекторов соответственно, к выходу смесителя последовательно подключены усилитель первой суммарной частоты, второй амплитудный детектор и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю первой ячейки Брэгга, к выходу смесителя последовательно подключены усилитель второй суммарной частоты, третий амплитудный детектор и третий ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю второй ячейки Брэгга, второй вход первого ключа соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю третьей ячейки Брэгга, второй вход первого перемножителя соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, к выходу приемной антенны последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, второй узкополосный фильтр, четвертый амплитудный детектор и четвертый ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю четвертой ячейки Брэгга.
Структурная схема акустооптического приемника представлена на фиг. 1. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов по частоте, показана на фиг. 2.
Акустооптический приемник содержит последовательно включенные приемную антенну 1, смеситель 3, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 4, усилитель 10 первой суммарной частоты, второй амплитудный детектор 14 и второй ключ 17, второй вход которого через усилитель 5 промежуточной частоты соединен с выходом смесителя 3, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю первой ячейки Брэгга 22. К выходу смесителя 3 последовательно подключены усилитель 11 второй суммарной частоты, третий амплитудный детектор 15 и третий ключ 18, второй вход которого соединен с выходом усилителя 5 промежуточной частоты, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю второй ячейки Брэгга 23. К выходу приемной антенны 1 последовательно подключены первый перемножитель 6, второй вход которого соединен с выходом усилителя 5 промежуточной частоты, первый узкополосный фильтр 7, первый амплитудный детектор 8 и первый ключ 9, второй вход которого соединен с выходом усилителя 5 промежуточной частоты, а вход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю третьей ячейки Брэгга 24. К выходу приемной антенны 1 последовательно подключены второй перемножитель 12, второй вход которого соединен с выходом усилителя 5 промежуточной частоты, второй узкополосный фильтр 13, четвертый амплитудный детектор 16 и четвертый ключ 19, второй вход которого соединен с выходом усилителя 5 промежуточной частоты, а выход подключен к пьезоэлектрическому преобразователю четвертой ячейки Брэгга 25.
На пути распространения луча света лазера 20 последовательно установлены коллиматор 21, первая 22, вторая 23, третья 24 и четвертая 25 ячейки Брэгга. На пути распространения дифрагированного ячейкой Брэгга 22 (23, 24, 25) пучка света установлена линза 26 (27, 28, 29), в фокальной плоскости которой размещена матрица 30 (31, 32, 33) фотодетекторов.
Последовательно включенные гетеродин 4 и смеситель 3 образуют преобразователь 2 частоты.
Акустооптический приемник работает следующим образом.
с
Принимаемый сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) на частоте ω
c
c
c
k1
c
c
u(t)=U⋅cos[(ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
c
с
c
c
где U, ω, ϕ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;
k1
1
k1
э
э
э
ϕ(t)≈{0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ(t)=const при kτ<t<(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N-1);
э
с
с
с
τ,N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т (Т=N⋅τ),
с выхода приемной антенны 1 одновременно поступает на первые входы смесителя 3, первого 6 и второго 12 перемножителей. На второй вход смесителя 3 с выхода гетеродина 4 подается напряжение
г
г
г
г
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ],
г
г
г
где U, ω, ϕ - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.
н1
Частота настройки ω усилителя 5 промежуточной частоты выбрана равной промежуточной (разностной) частоте (фиг. 2)
н1
пр
г
с
ω=ω=ω-ω.
н2
Частота настройки ω усилителя 10 первой суммарной частоты выбрана равной первой суммарной частоте
н2
Σ1
с
г
ω=ω=ω+ω.
н3
Частота настройки ω усилителя 11 второй суммарной частоте выбрана равной второй суммарной частоте
н3
Σ2
г
з
ω=ω=ω+ω.
н4
Частота настройки ω первого 6 и второго 12 узкополосных фильтров выбрана равной второй гармонике частоты гетеродина 4
н4
г
ω=2ω.
На выходе смесителя 3 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 5 и 10 выделяются напряжения промежуточной (разностной) и первой суммарной частот соответственно
пр1
пр1
пр
k1
пр1
u(t)=U⋅cos[ωt-ϕ(t)+ϕ],
Σ1
пр1
Σ1
k1
Σ1
c
u(t)=U⋅cos[ωt-ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
где
пр
г
с
ω=ω-ω - промежуточная (разностная) частота;
Σ1
с
г
ω=ω+ω - первая суммарная частота;
пр1
г
с
Σ1
с
г
ϕ=ϕ-ϕ; ϕ=ϕ+ϕ.
Σ1
Напряжение u(t) поступает на вход амплитудного детектора 14, где выделяется его огибающая, которая поступает на управляющий вход ключа 17, открывая его. В исходном состоянии ключи 9, 17, 18 и 19 всегда закрыты.
пр1
При этом напряжение u(t) с выхода усилителя 5 промежуточной частоты через открытый ключ 17 поступает на пьезоэлектрический преобразователь первой ячейки Брэгга 22, где происходит его преобразование в акустическое колебание. Каждая ячейка Брэгга 22 (23, 24, 25) состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития соответственно X и Y-35° среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот.
пр1
Пучок света от лазера 20, сколлимированный коллиматором 21, проходит через ячейку Брэгга 22 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных напряжением u(t). При этом следует отметить, что на каждой ячейке Брэгга дифрагирует только примерно десятая часть пучка света источника излучения.
На пути распространения дифрагируемой части пучка света установлена линза 26, в фокальной плоскости которой размещается матрица 30 фотодетекторов.
Следовательно, в фокальной плоскости линзы 30 формируется пространственный спектр принимаемого сигнала. Причем каждому разрешающему элементу анализируемого частотного диапазона соответствует свой фотодетектор.
с
Описанная выше работа акустооптического приемника соответствует случаю приема ФМн-сигналов по основному каналу на частоте ω (фиг. 2).
з
Если ФМн-сигнал принимается по зеркальному каналу на частоте ω
з
з
з
k2
з
з
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤Т,
то усилителями 5 и 11 выделяются второе напряжение промежуточной частоты и напряжение второй суммарной частоты соответственно
пр2
пр2
пр
k2
пр2
u(t)=U⋅cos[ωt-ϕ(t)+ϕ],
Σ2
пр2
Σ2
k2
Σ2
з
u(t)=U⋅cos[ωt-ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
где
пр
з
г
ω=ω-ω - промежуточная (разностная) частота;
Σ2
г
з
ω=ω+ω - вторая суммарная частота;
пр
з
г
Σ2
г
з
ϕ=ϕ-ϕ; ϕ=ϕ+ϕ.
Σ2
Напряжение u(t) поступает на вход амплитудного детектора 15, где выделяется его огибающая, которая поступает на управляющий вход ключа 18, открывая его.
пр2
з
При этом напряжение u(t) с выхода усилителя 5 промежуточной частоты через открытый ключ 18 поступает на пьезоэлектрический преобразователь второй ячейки Брэгга 23, где происходит его преобразование в акустическое колебание. Амплитудный спектр сигнала, принимаемого по зеркальному каналу на частоте ω, анализируется в матрице 31 фотодетекторов.
к1
Если ФМн-сигнал принимается по первому комбинационному каналу на частоте ω
к1
к1
к1
k3
к1
к1
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
то усилителем 5 выделяется третье напряжение промежуточной частоты
пр3
пр3
пр
k3
к3
к1
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
где
пр
г
к1
ω=2ω-ω - промежуточная (разностная) частота;
пр3
г
к1
ϕ=ϕ-ϕ,
к1
к1
г
которое подается на второй вход первого перемножителя 6, на первый вход которого с выхода приемной антенны 1 поступает сигнал u(t), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω. На выходе перемножителя 6 образуются напряжения комбинационных частот. Первым узкополосным фильтром 7 выделяется гармоническое напряжение на второй гармонике частоты 2ω гетеродина 4
1
1
г
г
к1
u(t)=U⋅cos[2ωt+ϕ], 0≤t≤T,
где  которое поступает на вход первого амплитудного детектора 8, где выделяется его огибающая, которая поступает на управляющий вход первого ключа 9, открывая его.
пр
к1
При этом напряжение u(t) с выхода усилителя 5 промежуточной частоты через открытый ключ 9 поступает на пьезоэлектрический преобразователь третьей ячейки Брэгга 24, где происходит его преобразование в акустическое колебание. Амплитудный спектр сигнала, принимаемого по первому комбинационному каналу на частоте ω, анализируется в матрице 32 фотодетекторов.
к2
Если ФМн-сигнал принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω
к2
к2
к2
k4
к2
к2
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
то усилителем 5 промежуточной частоты выделяется четвертое напряжение промежуточной частоты
пр4
пр4
пр
k4
к4
к2
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
где
пр
к2
г
ω=ω-2ω - промежуточная (разностная) частота;
пр4
к2
г
ϕ=ϕ-ϕ,
к2
г
которое подается на второй вход второго перемножителя 12, на первый вход которого с выхода приемной антенны 1 поступает сигнал, принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ω. На выходе перемножителя 12 образуются напряжения комбинационных частот. Вторым узкополосным фильтром 13 выделяется гармоническое напряжение на второй гармонике частоты 2ω гетеродина 4
2
2
г
г
к2
u(t)=U⋅соs[2ωt+ϕ], 0≤t≤T,
где  которое поступает на вход четвертого амплитудного детектора 16, где выделяется его огибающая, которая поступает на управляющий вход четвертого ключа 19, открывая его.
пр4
к2
При этом напряжение u(t) с выхода усилителя 5 промежуточной частоты через открытый ключ 19 поступает на пьезоэлектрический преобразователь четвертой ячейки Брэгга 33, где происходит его преобразование в акустическое колебание. Амплитудный спектр сигнала, принимаемого по второму комбинационному каналу на частоте ω, анализируется в матрице 33 фотодетекторов.
Таким образом, предлагаемый акустооптический приемник по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают расширение диапазона рабочих частот в четыре раза. Это достигается использованием дополнительных каналов приема: зеркального, первого и второго комбинационных.