Голографический способ измерения доплеровского сдвига частоты
HOLOGRAPHIC METHOD FOR MEASURING THE DOPPLER FREQUENCY SHIFT

Изобретение относится к областям телекоммуникаций и радиолокации и может быть использовано в системах компенсации доплеровского сдвига частоты в радиоканалах, а также в радиотехнической аппаратуре измерения скорости движения объекта.
f
k
Известен способ оценки доплеровского сдвига частоты сложного радиосигнала с применением операции «свертки», который принято называть способом функции взаимной неопределенности (ФВН) [1 - Способ оценки доплеровского смещения несущей частоты сложного сигнала. Патент РФ №2565237С1 от 07.08.2014, МПК Н04В 7/165, автор: Буренин А.В.]. ФВН характеризует степень различия откликов согласованного фильтра (коррелятора) на сигналы с различной временной задержкой и частотой. В данном способе в качестве излучаемых выбирают сложные сигналы, которые размещают в начале сигнального пакета, несущего полезную информацию. Для получения высокого разрешения по Доплеру используемые сложные сигналы должны удовлетворять следующим требованиям: 1) в принятом сигнале должно быть высокое отношение сигнал/шум; 2) произведение длительности излучаемого сигнала на частотную полосу должно быть больше единицы; 3) форма функции неопределенности излучаемого сигнала должна иметь узкий пик по оси доплеровского сдвига частоты. Всем этим требованиям удовлетворяют сложные сигналы, сгенерированные на основе шумоподобных кодов максимальной длины (сигналы на основе М-последовательности). На приемной стороне с помощью излученного и принятого сигналов определяют ФВН. Определение ФВН выполняется в пределах предусмотренного доплеровского интервала, ширина которого определяется с учетом максимальной относительной скорости движения источник/приемник и скорости распространения волны. В пределах предусмотренного доплеровского интервала рассчитывают максимальное необходимое количество доплеровских «сечений» по оси доплеровского сдвига частоты сигнала. В обработке на приемной стороне используют набор из N параллельных корреляторов, каждый из которых соответствует отдельному доплеровскому «сечению» ФВН . В каждом корреляторе выполняется операция «свертки» излученного сигнала и принятого сигнала. При этом каждый отдельный коррелятор может быть сформирован из:
f
k
1) Преобразованных в соответствии с различными доплеровскими «сечениями»  копиями излучаемого сигнала и неизменным принятым
f
f
s
s
s
s
сигналом [2 - патент США №8467269, МПК Н04 В 11/00]. Преобразование излучаемого сигнала заключается в изменении несущей частоты сложного сигнала на величину Δ×k (Δ=1T - разрешающая способность по частоте сложного сигнала; T - длительность сложного сигнала), а вместе с ней, и сдвиге частотной полосы сложного сигнала.
f
k
2) Преобразованных в соответствии с различными доплеровскими «сечениями»  копиями принятого сигнала и неизменным излучаемым сигналом [3 - Захаров Ю.В., Коданев В.П. Адаптивный прием сигналов в гидроакустическом канале связи с учетом доплеровского рассеяния. // Акустический журнал. 1995. Т. 41, №2. - С. 54-259.]; [4  Курьянов Б.Ф., Пенкин М.М. Цифровая акустическая связь в мелком море для океанологических применений. // Акустический журнал. 2010. Т. 56, №2. - C. 245-255].
Для определения доплеровского сдвига частоты сигнала выбирается коррелятор, который на выходе дает наибольший максимум, т.е. в котором частотная полоса спектра излученного и принятого сигнала имеет максимальную область пересечения (в наилучшем случае эти частотные спектры совпадают).
Основными недостатками данного способа являются:
- затрата значительных энергетических и конструктивных ресурсов, так как для того, чтобы произвести определение ФВН в ожидаемом диапазоне изменения доплеровского сдвига частоты сигнала с необходимым разрешением по сдвигу частоты сигнала, требуется значительное количество корреляторов [5 - Johnson М, Freitag L., Stojanovic М. Improved Doppler tracking and correction for underwater acoustic communications // in Proc. ICASSP '97, Munich, Germany, Apr. 1997._P. 575-578];
- сложность схемного исполнения измерителя;
точность измерений ограничена количеством используемых корреляторов и точностью выполнения операций «свертки» излучаемого и принятого сигналов.
Известен способ измерения доплеровского сдвига частоты сложного сигнала (эффекта временного сжатия-растяжения сигнала), в котором для оценки доплеровского сдвига частоты излучают составной сигнальный пакет, в который входит «устойчивый» к эффекту Доплера сигнал, измеряют длительность принятого сигнального пакета и сопоставляют ее с длительностью излученного сигнала [6 - Sharif B.S., Neashan J., Hinton O.R., Adams A.E. A computationally efficient Doppler compensation system for underwater acoustic communication. // Oceanic Engineering, IEEE Journal of. - 2000. Vol. 25, №.1. - P. 52-61.]
ЛЧМ
M
ИНФ
S
k
ЛЧМ
r
s
r
f
Для осуществления способа используют сигнальный пакет, в начале и в конце которого размещают сигнал с линейной (логарифмической) частотной модуляцией (ЛЧМ-сигнал) х(t), «устойчивый» к эффекту Доплера, а в середине - сигнал x(t) (обучающий), с помощью которого оценивают импульсную характеристику канала, и информационный сигнал х(t), который декодируют в приемнике с помощью измеренной импульсной характеристика канала. Общая длительность одного ЛЧМ-сигнала, «обучающего» сигнала и информационного сигнала, равна T. Параметры (частотную полосу В и длительность Т) ЛЧМ-сигнала задают таким образом, чтобы он был «устойчивым» к эффекту Доплера. Для этого, используя функцию неопределенности ЛЧМ-сигнала и максимально ожидаемое доплеровское смещение несущей (центральной) частоты ЛЧМ-сигнала, оценивают, какой ширины должен быть частотный спектр ЛЧМ-сигнала, чтобы влияние  на него, т.е. сдвиг частотной полосы ЛЧМ-сигнала, привел к предварительно заданной площади пересечения (перекрытия) спектров излученного и измененного эффектом Доплера ЛЧМ-сигналов. В свою очередь, отношение площади перекрытия (пересечения) спектров излученного и измененного эффектом Доплера ЛЧМ-сигналов к полному совпадению спектров излученного и не измененного эффектом Доплера сигналов, т.е. единице, является критерием устойчивости ЛЧМ-сигнала к эффекту Доплера. Этот критерий устойчивости показывает, во сколько раз будет меньше по амплитуде результат «свертки» излученного и измененного эффектом Доплера ЛЧМ-сигналов относительно результата «свертки» излученного и не измененного эффектом Доплера ЛЧМ-сигналов. Измеряя временной интервал между полученными максимумами R(τ), получают длительность принятого сигнального пакета T (длительность принятого сигнала после воздействия эффекта Доплера). Путем сопоставления значений T (длительность излученного сигнала) и T получают масштабирующий «доплеровский» множитель Δ, а затем и доплеровский сдвиг частоты сигнала, при этом
Основными для данного способа являются следующие недостатки: - для реализации способа необходимо формировать сложный сигнальный пакет, в начале и в конце которого размещают сигнал с линейной (логарифмической) частотной модуляцией (ЛЧМ-сигнал), «устойчивый» к эффекту Доплера, а в середине - сигнал, с помощью которого оценивают импульсную характеристику канала, и информационный сигнал, который в приемнике декодируют с помощью измеренной импульсной характеристики канала;
- необходимо учитывать ширину частотного спектра ЛЧМ-сигнала, чтобы сдвиг частотной полосы ЛЧМ-сигнала, привел к предварительно заданной площади пересечения (перекрытия) спектров излученного и измененного эффектом Доплера ЛЧМ-сигнала;
- для измерений необходимо использовать в начале и в конце сигнального пакета исключительно ЛЧМ-сигналы;
- параметры используемого ЛЧМ-сигнала зависят от скорости относительного движения передатчика и приемника и скорости распространения радиоволны в среде;
- при обработке в приемнике с помощью операции «свертки» используется не вся энергия принятого сигнала, а лишь та, которая определяется площадью пересечения спектров излученного и принятого сигнала;
- при использовании ЛЧМ-сигнала и применении операции «свертки» для измерения импульсной характеристики канала необходимо компенсировать смещение времени распространения сигнала от передатчика к приемнику, вызванное влиянием эффекта Доплера и формой функции неопределенности ЛЧМ-сигнала;
- в сигнальный пакет, состоящий из ЛЧМ-сигнала и информационного сигнала, должен входить сигнал, измеряющий импульсную характеристику канала, что означает увеличение длительности сигнального пакета, а вместе с ней и увеличение энергетических затрат на излучение и обработку.
Наиболее близким к заявляемому голографическому способу измерения доплеровского сдвига частоты (эффекта временного сжатия-растяжения сигнала) является способ [7 - Бараболя Б.А., Габриэльян Д.Д., Караваев С.В., Петухов А.В., Прыгунов А.Г. Разработка математической модели интерферометрической системы определения доплеровского сдвига частоты. / Журнал радиоэлектроники [электронный журнал] №11, 2021. DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.11.9], в котором для определения численного значения доплеровского сдвига частоты принимают радиосигнал, имеющий доплеровский сдвиг частоты, выделяют сигнал с доплеровским значением частоты, как разностный сигнал на выходе смесителя при подаче на него принимаемого и опорного сигналов, используют лазер, частоту которого изменяют электрическим сигналом, пропорциональным доплеровскому сдвигу частоты принимаемого радиосигнала, когерентный световой поток, формируемый лазером, делят на два отдельных световых потока, фазу одного из которых изменяют фиксированной линией задержки, используя указанные сходящиеся световые потоки, формируют интерферограмму, в центре интерферограммы анализируют интенсивность светового потока, по уровню которой определяют численное значение доплеровского сдвига частоты радиосигнала.
Основными для данного способа являются следующие недостатки:
- для достижения высокой точности измерений необходимо использовать многошкальный метод последовательных итераций, что увеличивает объем вычислений и время измерений;
- точность измерений ограничена динамическим диапазоном изменений интенсивности светового потока в центре интерферограммы, который, в свою очередь, ограничен допустимой мощностью светового потока в оптическом волокне, используемом при технической реализации способа измерений;
- измерение доплеровского сдвига частоты выполняется косвенным методом по анализу изменений интенсивности светового потока в центре интерферограммы, что предъявляет высокие требования к стабильности мощности излучения лазера, к разрядности и быстродействию работы используемого аналого-цифрового преобразователя и к стабильности параметра фоточувствительности используемого фотоприемника;
- требуется обязательное использование линии задержки при технической реализации интерферометрического способа измерения доплеровского сдвига частоты, что усложняет схему измерений, увеличивает массогабаритные размеры измерителей и повышает энергетические потери светового потока, а, значит, уменьшает динамический диапазон изменений его интенсивности в области ее измерений, что ограничивает точность измерений доплеровского сдвига частоты;
- динамический диапазон изменений интенсивности светового потока в области измерений ограничен условием смены разности фаз интерферирующих световых потоков на п, что затрудняет однозначность измерения доплеровского сдвига частоты при большем набеге фазы;
- для того чтобы сформировать интерферограмму кольцевой формы с целью определения ясно выраженного ее центра для проведения в нем измерений уровня интенсивности светового потока, при схемной реализации интерферометрического способа измерения доплеровского сдвига частоты в одном или в каждом из двух оптических каналов необходимо использовать оптические элементы, формирующие световые потоки со сферическими волновыми фронтами.
Технической проблемой является повышение точности измерения доплеровского сдвига частоты.
Для решения указанной технической проблемы предлагается голографический способ измерения доплеровского сдвига частоты, при котором принимают радиосигнал, имеющий доплеровский сдвиг частоты, выделяют сигнал с доплеровским значением частоты, как разностный сигнал на выходе смесителя при подаче на него принимаемого и опорного сигналов, используют лазер, частоту которого изменяют электрическим сигналом, пропорциональным доплеровскому сдвигу частоты принимаемого радиосигнала, определяют значение доплеровского сдвига частоты путем измерения изменений частоты излучения лазера.
Согласно изобретению, для измерения изменений частоты излучения лазера используют голографическую измерительную систему на основе голографического интерферометра, формируют сферический волновой фронт когерентного светового потока, излучаемого лазером, этот световой поток направляют на отражательно-пропускающую Фурье-голограмму голографического интерферометра, двумя встречными световыми потоками, световым потоком, падающим на отражательно-пропускающую Фурье-голограмму голографического интерферометра, и световым потоком, прошедшим через эту Фурье-голограмму, отраженным плоским зеркалом голографического интерферометра и повторно прошедшим через эту Фурье-голограмму, но в обратном направлении, в плоскости отражательно-пропускающей Фурье-голограммы формируют интерферограмму, проецируют сформированную интерферограмму в прожекторную зону области измерений, анализируют параметры пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости спроецированной интерферограммы и фазовые изменения этих параметров, на основании чего принимают решение о численном значении доплеровского сдвига частоты принятого радиосигнала.
Для определения численного значения доплеровского сдвига частоты принимают радиосигнал, имеющий доплеровский сдвиг частоты, выделяют сигнал с доплеровским значением частоты, как разностный сигнал на выходе смесителя при подаче на него принимаемого и опорного сигналов, используют лазер, частоту которого изменяют электрическим сигналом, пропорциональным доплеровскому сдвигу частоты принимаемого радиосигнала. Определение значения доплеровского сдвига частоты осуществляют путем измерения изменений частоты излучения лазера. Для измерения доплеровского сдвига частоты используют голографическую измерительную систему на основе голографического интерферометра, состоящего из отражательно-пропускающей Фурье-голограммы и плоского зеркала, размещенного непосредственно за этой Фурье-голограммой и под малым углом к ней [8 - Прыгунов А.Г., Сизов В.П., Безуглов Д.А. Метод определения перемещений объектов на основе анализа волновых фронтов оптического поля с использованием эталонных голограмм. // Оптика атмосферы и океана, №6, 1995. - С. 826-830]; [9 - Безуглов Д.А., Прыгунов А.Г., Трепачев В.В. Анализ дифракции света на эталонной голограмме при измерении перемещений объектов пространственно-спектральным методом // Автометрия СО РАН. 1998. №5. С. 21-28.]. Формируют сферический волновой фронт излучаемого лазером когерентного светового потока, частота которого изменяется электрическим сигналом, пропорциональным доплеровскому сдвигу частоты принимаемого радиосигнала, и направляют этот световой поток на отражательно-пропускающую Фурье-голограмму голографического интерферометра [8]. Этот когерентный световой поток частично дифрагирует от отражательно-пропускающей Фурье-голограммы голографического интерферометра, а частично проходит через отражательно-пропускающую Фурье-голограмму голографического интерферометра насквозь и отражается его плоским зеркалом. Когерентный световой поток, отраженный плоским зеркалом голографического интерферометра, направляют на отражательно-пропускающую Фурье-голограмму голографического интерферометра, через которую он повторно частично проходит, но в обратном направлении. Используя когерентный световой поток со сферическим волновым фронтом, падающий на отражательно-пропускающую Фурье-голограмму голографического интерферометра и частично дифрагировавший от этой Фурье-голограммы, и когерентный световой поток, прошедший через отражательно-пропускающую Фурье-голограмму голографического интерферометра насквозь, отраженный плоским зеркалом голографического интерферометра и частично повторно прошедший через отражательно-пропускающую Фурье-голограмму голографического интерферометра насквозь, но в обратном направлении, этими двумя встречными световыми потоками в плоскости его отражательно-пропускающей Фурье-голограммы формируют интерферограмму. Проецируют сформированную интерферограмму в прожекторную зону области измерений. Анализируют параметры пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости спроецированной интерферограммы и фазовые изменения этих параметров, однозначно соответствующие частоте когерентного оптического излучения, формируемого лазером, значение которой зависит от доплеровского сдвига частоты принимаемого радиосигнала. По результатам анализа параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости спроецированной интерферограммы и фазовых изменений этих параметров, зависящих от частоты когерентного оптического излучения, формируемого лазером [8], принимают решение о численном значении доплеровского сдвига частоты принятого радиосигнала.
В качестве отражательно-пропускающей Фурье-голограммы голографического интерферометра используют объемную Фурье-голограмму точечного источника света, экспонированную в линейном режиме во встречных световых пучках [9]. Голо графический интерферометр с отражательно-пропускающей Фурье-голограммой формирует интерферограмму в виде интерференционных полос кольцевой формы [10 - Прыгунов А.Г., Синютин С.А., Прыгунов А.А., Синютин Е.С. Анализ формы страт в эмульсии голограммы и вида изображения, реконструированного Фурье-голограммой // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 9, NO. 12, DECEMBER 2014, P. 2603-2607]. Изменение частоты модулированного когерентного оптического излучения приводит к однозначно соответствующему этому изменению разности фаз световых потоков в плоскости интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром. При этом необходимо отметить, что положение максимумов и минимумов оптического поля в плоскости интерферограммы будет зависеть только от разности фаз интерферирующих световых потоков, а мощность излучения лазера не будет влиять на их положение. Это позволяет раздельно анализировать фазовые и амплитудные составляющие оптического поля в плоскости интерферограммы. Использование для анализа только фазовых составляющих оптического поля позволяет обеспечить практически одинаковую высокую точность измерений в широком диапазоне изменений амплитуды интенсивности оптического поля. Формирование интерферограммы двумя встречными когерентными световыми потоками, один из которых является зеркальным отражением другого светового потока, позволяет повысить ее контрастность [11 - Шабанов В., Шестаков Н., Иваненко А., Сысоев А. Интерференционно-чувствительный фотоприемник. / Фотоника. №6, 2007. - С. 32-34] и удвоить в плоскости интерференции изменение разности фаз интерферирующих световых потоков [12 - Кологривов В.Н. Эффект Доплера в классической физике: учебно-методическое пособие по курсу Общая физика. - М.: МФТИ, 2012. - С. 8-10]. Это обеспечивает повышение чувствительности и точности измерения изменений фазы и частоты анализируемого светового потока и, тем самым, повышение точности измерения доплеровского сдвига частоты.
Техническим результатом является уменьшение вероятности битовой ошибки при демодуляции многопозиционных квадратурных радиосигналов в условиях наличия в радиоканале доплеровского сдвига частоты, а также повышение точностных характеристик радиотехнической аппаратуры измерения скорости движения объекта.
На фигуре 1 представлен один из вариантов структурной схемы устройства, позволяющий реализовать предлагаемый голо графический способ измерения доплеровского сдвига частоты. На фигуре 2 для различных фазовых сдвигов Δϕ [а) Δϕ=0°; б) Δϕ=45°; в) Δϕ=90°; г) Δϕ=135°; д) Δϕ=150°; е) Δϕ=180°] интерферирующих световых потоков показан внешний вид интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром.
При реализации способа выполняется следующая последовательность действий:
1. Принимают радиосигнал, имеющий доплеровский сдвиг частоты.
2. Выделяют сигнал с доплеровским значением частоты, как разностный сигнал на выходе смесителя при подаче на него принимаемого и опорного сигналов.
3. Используют лазер, частоту которого изменяют электрическим сигналом, пропорциональным доплеровскому сдвигу частоты принимаемого радиосигнала.
4. Определяют значение доплеровского сдвига частоты путем измерения изменений частоты излучения лазера.
5. Для измерения изменений частоты излучения лазера используют голографическую измерительную систему на основе голографического интерферометра, состоящего из отражательно-пропускающей Фурье-голограммы и плоского зеркала, размещенного непосредственно за этой Фурье-голограммой и под малым углом к ней.
6. Формируют сферический волновой фронт когерентного светового потока, излучаемого лазером, и направляют этот световой поток на отражательно-пропускающую Фурье-голограмму голографического интерферометра.
7. Двумя встречными световыми потоками, световым потоком, падающим на отражательно-пропускающую Фурье-голограмму голографического интерферометра, и световым потоком, прошедшим через эту Фурье-голограмму, отраженным плоским зеркалом голографического интерферометра и повторно прошедшим через эту Фурье-голограмму, но в обратном направлении, в плоскости отражательно-пропускающей Фурье-голограммы голографического интерферометра формируют интерферограмму.
8. Проецируют сформированную интерферограмму в прожекторную зону области измерений.
9. Анализируют параметры пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости спроецированной интерферограммы и фазовые изменения этих параметров, на основании чего принимают решение о численном значении доплеровского сдвига частоты принятого радиосигнала.
Проведенный сравнительный анализ выявил следующие отличия заявленного способа от способа-прототипа:
1) способ характеризуется наличием дополнительных действий над материальным объектом:
- использованием голографического интерферометра, реализующего пространственно-спектральный метод голографической интерферометрии;
- формированием интерферограммы двумя встречными световыми потоками;
- анализом параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля не по уровню интенсивности светового потока в ее центре, а в плоскости всей интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром, реализующим пространственно-спектральный метод голографической интерферометрии.
2) изменена совокупность действий над материальным объектом:
- дополнительно формируется сферический волновой фронт когерентного светового потока;
- когерентный световой поток со сферическим волновым фронтом направляют в плоскость отражательно-пропускающей Фурье-голограммы голографического интерферометра.
Для сравнения в таблице 1 представлены последовательности и совокупности действий при реализации способа, взятого за прототип, и способа, предлагаемого для патентования. Анализ содержания таблицы 1 позволяет сделать вывод о существенных отличиях предлагаемого голографического способа от интерферометрического способа измерения доплеровского сдвига частоты, взятого за прототип.
На фигуре 1 представлены последовательно соединенные: 1 - смеситель (СМ); 2 - фильтр нижних частот (ФНЧ); 3 - усилитель (У); 4 - преобразователь доплеровского сдвига частоты в электрический сигнал управления частотой излучения лазера (ПР); 5 - лазер (Л); 6 - оптическая система (ОС); 7 - голографический интерферометр (ГИ); 8 - фотоприемное устройство (ФПУ); 9 - пороговое устройство (ПУ); 10 - решающее устройство (РУ).
ОС 6 представляет собой отдельную собирающую линзу или набор линз, обеспечивающих формирование необходимой сферичности волнового фронта светового потока, излучаемого лазером Л 5. ГИ 7 представляет собой отражательно-пропускающую Фурье-голограмму и плоское зеркало, размещенное непосредственно за этой Фурье-голограммой и под малым углом к ней, и реализует пространственно-спектральный метод голографической интерферометрии [9]. ФПУ 8 представляет собой линейку или матрицу отдельных микрофотоприемников, размещенных рядом друг с другом. ПУ 9 представляет собой набор отдельных пороговых элементов. В качестве РУ 10 могут быть использованы: либо микроконтроллер (например, шестнадцати битный микроконтроллер MSP430F163), либо решающее устройство, выполненное на основе отдельных электронных элементов.
Устройство, структурная схема которого представлена на фигуре 1, работает следующим образом. На первый вход СМ 1 подают входной сигнал, пропорциональный принятому радиосигналу, имеющему доплеровский сдвиг частоты. На второй вход СМ 1 подают опорный сигнал. Сигнал с выхода СМ 1, содержащий составляющую на частоте доплеровского сдвига частоты в виде разности частот входного и опорного сигналов, подают на вход ФНЧ 2. Этот фильтр низких частот с малым затуханием пропускает сигналы на частотах от нуля до максимально возможной частоты доплеровского сдвига и с большим затуханием пропускает сигналы на остальных частотах. Сигнал с выхода ФНЧ 2 направляют на вход У 3, усиливают и подают на вход ПР 4. В ПР 4 формируют электрический сигнал, пропорциональный доплеровскому сдвигу частоты, и подают его на вход управления частотой излучения лазера Л 5. Под воздействием этого электрического сигнала соответствующим образом изменяется частота когерентного оптического излучения, формируемого Л 5. С выхода лазера Л 5 формируемый им световой поток направляют на вход ОС 6, в которой задается сферичность волнового фронта этого светового потока. Когерентный световой поток, имеющий сферический волновой фронт, с выхода ОС 6 направляют на отражательно-пропускающую Фурье-голограмму ГИ 7, реализующего пространственно-спектральный метод голографической интерферометрии [9]. Используя ГИ 7, в плоскости его отражательно-пропускающей Фурье-голограммы формируют интерферограмму в виде интерференционных полос кольцевой формы [9]. На фигуре 2 для различных фазовых сдвигов Δϕ [а) Δϕ=0°; б) Δϕ=45°; в) Δϕ=90°; г) Δϕ=135°; д) Δϕ=150°; е) Δϕ=180°] интерферирующих световых потоков показан внешний вид интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром. Отражательно-пропускающей Фурье-голограммой ГИ 7 сформированную интерферограмму проецируют в прожекторную зону в сторону от оптической оси светового потока, падающего на эту Фурье-голограмму [13 - Прыгунов А.Г. Физические основы использования голографического интерферометра в фотонных телекоммуникационных устройствах. Радиотехнические и телекоммуникационные системы, №2, 2021. - С. 42-48.]. При этом, отражательно-пропускающая Фурье-голограмма ГИ 7 обладает свойствами частотной и пространственной избирательности к световому потоку, падающему на эту Фурье-голограмму, а также канализирует основную часть энергии проецируемого ею светового потока в виде интерферограммы в пределах центрального пятна прожекторной зоны [14 - Прыгунов А.Г. Анализ свойств избирательности объемной голограммы в голографическом фотонном устройстве. / Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], №11, 2021. - 17 с. DOI: https://doi.Org/10.30898/1684-1719.2021.11.5]; [15 - Прыгунов А.Г., Прыгунов А.А., Трепачев В.В., Трепачева А.В. Увеличение плотности энергии информационного поля оптического интерферометра дифракционным голографическим методом. // Современные проблемы радиоэлектроники./ Материалы четвертой научной международной конференции. Ростов-на-Дону: РИО РТИСТ ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2012. - С. 178-181]. В прожекторной зоне в плоскости интерферограммы размещают ФПУ 8. На выходах отдельных микрофотоприемников ФПУ 8 формируются электрические потенциалы, величина которых соответствует освещенности каждого конкретного микрофотоприемника. Параметры пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля на входной плоскости ФПУ 8 и фазовые изменения этих параметров зависят от оптической разности хода интерферирующих световых потоков. Эта оптическая разность хода зависит от параметров оптического поля, экспонированного на отражательно-пропускающей Фурье-голограмме ГИ 7, от расстояния и угла а между отражательно-пропускающей фурье-голограммой ГИ 7 и его плоским зеркалом, от кривизны волнового фронта светового потока, падающего на отражательно-пропускающую Фурье-голограмму ГИ 7 и от частоты этого светового потока [10], [13], [14]. При постоянстве других параметров оптической схемы ГИ 7 эта зависимость будет только от частоты светового потока, падающего на отражательно-пропускающую Фурье-голограмму ГИ 7, что позволяет использовать структурную схему устройства, представленного на фигуре 1, для косвенного измерения величины доплеровского сдвига частоты радиосигнала. Для проведения таких измерений выход каждого отдельного микрофотоприемника ФПУ 8 электрически соединяют со входом соответствующего ему порогового элемента ПУ 9. На выходах пороговых элементов ПУ 9 в соответствии с установленными порогами срабатывания формируют электрические сигналы, соответствующие «единицам» и «нулям» позиционного двоичного кода, образующие кодовые комбинации. С выходов ПУ 9 эти кодовые комбинации позиционного двоичного кода направляют в РУ 10. В РУ 10 сравнивают кодовые комбинации позиционного двоичного кода, поступающие на его входы, с кодовыми комбинациями позиционного двоичного кода, хранящимися в памяти РУ 10 и соответствующими конкретным значениям доплеровского сдвига частоты радиосигнала, анализируют состав и последовательность смены этих кодовых комбинаций и принимают решение о численном значении доплеровского сдвига частоты принимаемого радиосигнала.
Таким образом, разработанный голографический способ измерения доплеровского сдвига частоты обеспечивает повышенную точность измерений, что обусловлено:
а) применением заранее экспонированной отражательно-пропускающей Фурье-голограммы с известным амплитудно-фазовым распределением интенсивности оптического поля при ее экспонировании;
б) применением пространственно-спектрального метода голографической интерферометрии, обеспечивающего высокую точность и чувствительность к изменениям параметров оптического поля, падающего на отражательно-пропускающую Фурье-голограмму голографического интерферометра;
в) анализом фазовых, а не амплитудных, как это сделано в способе-прототипе, изменений параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля на интерферограмме, обусловленных изменениями частоты излучения лазера электрическим сигналом, пропорциональным доплеровскому сдвигу частоты принимаемого радиосигнала;
г) формированием голографической интерферограммы с высокой контрастностью встречными световыми пучками, при этом один из которых является зеркальным отражением другого;
д) канализацией объемной отражательно-пропускающей Фурье-голограммой основной части энергии светового потока в виде интерферограммы в пределы центрального пятна прожекторной зоны, которая может быть использована в качестве области измерений;
е) возможностью съема параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля на интерферограмме, соответствующих доплеровскому сдвигу частоты радиосигнала, непосредственно в виде позиционного двоичного кода.
Проведенные исследования показали осуществимость заявленного голографического способа измерения доплеровского сдвига частоты и подтвердили его практическую значимость. Положительным эффектом является уменьшение вероятности битовой ошибки при демодуляции многопозиционных квадратурных радиосигналов в условиях наличия доплеровского сдвига частоты в радиоканале, а также повышение точностных характеристик радиотехнической аппаратуры измерения скорости движения объекта.
Устройства, реализующие предлагаемый способ измерения доплеровского сдвига частоты, могут быть технически реализованы на современной элементной базе, что отвечает критерию «промышленная применимость».