Например, Бобцов

ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕЙ ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ В АКУСТООПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОРАХ С ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕИНВАРИАНТНОЙ АППАРАТНОЙ ФУНКЦИЕЙ

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.391

И. А. КЛЮЧИКОВ
ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕЙ ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ В АКУСТООПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОРАХ С ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕИНВАРИАНТНОЙ АППАРАТНОЙ ФУНКЦИЕЙ

Рассмотрен способ повышения точности измерения средней частоты спектра сигналов в акустооптических спектроанализаторах с пространственно-неинвариантной аппаратной функцией, основанный на калибровке его АЧХ и частотной шкалы. Достигнуто уменьшение инструментальной ошибки измерения средней частоты спектра энергетической аппаратной функции с 4,5 до 0,1 МГц.

Ключевые слова: акустооптический спектроанализатор, измерение частоты, радиомониторинг.

Акустооптические спектроанализаторы (АОС) используются в системах радиоэлек-

тронного мониторинга и радиоконтроля в качестве устройств, позволяющих производить параллельную спектральную обработку сигналов в СВЧ-диапазоне [1—4]. При моноимпульсном измерении средней частоты спектра радиотехнических излучений точность АОС СВЧдиапазона составляет от 1 до 5 МГц, что на один-два порядка ниже точности цифровых анализаторов. В значительной степени это определяется наличием в АОС систематических оши-

бок измерения, вызванных влиянием частотно-зависимых факторов различной физической природы — особенностей дифракции света на акустических волнах (поглощение акустиче-

ских волн, угловая расходимость акустического пучка, конечные углы дифракции, брэгговские переходные процессы), аберраций оптической системы, выполняющей пространственное фу-

рье-преобразование дифрагировавшего светового поля, неточности юстировки оптической системы АОС, пространственной неоднородности параметров линейки фотодетекторов. Систематические ошибки, вызванные влиянием частотно-зависимых факторов, можно рассматривать как ошибки, обусловленные пространственной неинвариантностью аппаратной функции АОС. Такой обобщенный подход позволяет предложить способы учета и коррекции оши-

бок без анализа конкретных механизмов их возникновения, основанные на последетекторной обработке оптических изображений — аналогов спектров сигналов, формируемых оптиче-

ской системой АОС. Распределение комплексной амплитуды дифрагировавшего света в выходной плоскости
АОС (см. рисунок) с учетом зависимости от второй пространственной координаты может быть записано в следующем виде [1, 2]:

∫E(x,

y, t)

=

+∞
dx′G(x, x′,
−∞

y)

exp

⎛ ⎝⎜

j

2πV λF

x′t

⎞ ⎠⎟

S

⎛ ⎜⎝

2πV λF

x′

⎞ ⎠⎟

,

(1)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12

34 И. А. Ключиков

где λ — длина волны света; V — скорость распространения акустических волн в звукопрово-

де

акустооптического

модулятора;

F



фокусное

расстояние

фурье-линзы;

x′

=

λF 2πV

ω′



переменная интегрирования, по физическому смыслу являющаяся частотой спектральной со-

ставляющей анализируемого сигнала ω′ , приведенной к размерности пространственной координаты в выходной плоскости АОС; G(x, x′, y) — распределение комплексной амплитуды

света в выходной плоскости АОС при гармоническом входном сигнале частотой ω′ ;

+∞
S (ω) = ∫ s (t ) exp (− jωt ) dt — спектр анализируемого сигнала.

−∞ Выходная
плоскость

Акустооптический модулятор света

x

Коллиматор

y

Лазер

Фурье-линза

s(t)

Если время интегрирования линейки фотодетекторов больше длительности анализируемого сигнала, а размер фотоприемной ячейки по оси y больше ширины распределения E(x, y, t), то выходной сигнал АОС имеет вид

∫ ∫I (x) = +∞ +∞ dtdy E(x, y,t) 2 .

(2)

−∞ −∞

Подставив (1) в (2) и изменив порядок интегрирования, после преобразований получим

∫I (x)

=

+∞
dx′
−∞

G ( x, x′) 2

S

⎛ ⎜⎝

2πV λF

2
x′ ⎞⎠⎟

,

где энергетическая аппаратная функция АОС имеет вид

GE

( x, x′)

=

G ( x, x′) 2

=

+∞


G(x, x′,

y) 2

dy

.

−∞

Таким образом, пространственно-временное распределение интенсивности дифрагиро-

вавшего света в выходной плоскости АОС, определяемое спектром анализируемого сигнала,

может быть записано как

∫I (x)

=

+∞
dx′GE
−∞

( x, x′) SE

⎛ ⎝⎜

2πV λF

x′

⎞ ⎟⎠

.

(3)

Здесь опущены несущественная в данном случае зависимость от второй пространственной

+∞ 2

координаты и SE (ω) = ∫ s(t) exp (− jωt ) dt — энергетический спектр сигнала.

−∞

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12

Измерение средней частоты сигналов в акустооптических спектроанализаторах

35

Исходя из аналогии с радиотехническими устройствами выражение (3) удобно записать в виде

+∞
I (ω) = ∫ dω′SE (ω′)GE (ω, ω′) , −∞

пространственные координаты приведены к размерности частоты в соответствии с соотно-

шением

ω

=

2πV λF

x.

Средняя частота спектра входного сигнала определяется выражением



∫ dω′ω′SE (ω′)

ωs

=

−∞ ∞

.

∫ dω′SE (ω′)

−∞

(4)

Из-за погрешностей формирования спектра в АОС его выходной сигнал I(ω) отличается от сигнала SE(ω), это обусловливает появление систематических ошибок измерения частоты. В соответствии с интегралом суперпозиции (3) погрешности формирования спектра определяются сглаживающим действием энергетической аппаратной функции (ЭАФ). Если ЭАФ известна, то принципиально возможно по наблюдаемому выходному сигналу АОС, решив уравнение (3), восстановить спектр сигнала и получить значение средней частоты в соответствии с выражением (4). Подобные задачи восстановления относятся к некорректно поставленным, для их решения разработан и успешно используется ряд математических методов [5, 6]. Однако ширина ЭАФ акустооптического анализатора спектра СВЧ-диапазона, как правило, значительно больше или сравнима с шириной спектра анализируемых сигналов, что определяет высокую чувствительность качества восстановления спектров к погрешностям исходных данных.
Методы восстановления требуют большого объема вычислений, и их использование в реальном масштабе времени представляется затруднительным. В связи с этим далее рассматривается оценка средней частоты спектра непосредственно по выходному сигналу АОС с введением поправок, в общем случае зависящих от характеристик ЭАФ и спектра исходного сигнала. Если ЭАФ спектроанализатора пространственно-инвариантная GE(ω,ω´)=GE(ω – ω´), то после подстановки в выражение (4) в качестве спектра SE(ω) выходного сигнала АОС I(ω) можно получить, что частота ωI , соответствующая пространственному положению выходно-
го распределения света, может быть представлена как

ωI = ωs + ∆ωG ,

(5)



∫ dω′ω′GE (ω′)

где

∆ωG

=

−∞ ∞

— постоянная величина, характеризующая смещение ЭАФ.

∫ dω′GE (ω′)

−∞

Как и следовало ожидать, в случае пространственно-инвариантной ЭАФ существует

только постоянная ошибка измерения частоты, не зависящая от характеристик сигнала.

В случае пространственно-неинвариантной ЭАФ представим ее в виде

GE (ω, ω′) = A(ω′) gE (ω, ω′) ,

(6)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12

36 И. А. Ключиков

где


A(ω′) = ∫ GE (ω,ω′) dω −∞

— АЧХ АОС;

gE

(ω,

ω′)

=

GE (ω, ω′) A(ω′)

— нормированная ЭАФ

АОС.

Введенная ЭАФ gE (ω, ω′) удовлетворяет условию нормировки



∫ gE (ω, ω′)dω = 1.

−∞

При использовании представления (6) выражение для частоты ωI записывается как

∞∞
∫ dω′SE (ω′) ∫ dωωgE (ω, ω′)

ωI = −∞

−∞ ∞
∫ dω′SE (ω′)

,

где SE (ω′) = A(ω′) SE (ω′) .

−∞

Если пространственно-инвариантной является только нормированная ЭАФ, т. е.

GE (ω,ω′) = A(ω′) gE (ω − ω′) ,
то, как следует из аналогии с (5), ωI = ω s + ∆ωg ,

(7)



где ∆ωg = ∫ dω′ω′gE (ω′) — величина, характеризующая смещение нормированной ЭАФ;

−∞



∫ dω′ω′SE (ω′)

ω s

=

−∞ ∞

— средняя частота взвешенного спектра SE (ω′) .

∫ dω′SE (ω′)

−∞
Средняя частота SE (ω′) характеризует ошибку измерения средней частоты спектра

сигнала, обусловленную неравномерностью АЧХ АОС. Коррекция неравномерности акусто-

оптического модулятора возможна путем использования радиочастотных фильтров на входе

АОМ, оптических фильтров вблизи выходной плоскости АОС или при цифровой обработке

после выхода с детектора.

В общем случае, используя два первых члена разложения АЧХ АОС A(ω) в ряд Тейлора

в окрестности средней частоты спектра сигнала ωs

A(ω) = a0 (ωs ) + a1 (ωs )(ω − ωs ) ,

где a0 (ωs ) = A(ωs ),

a1 (ωs

)

=

dA ( ω)


ω=ωs

,

найдем

ω s

=

ωs

+ α10

(ωs ) ∆ωs2 ,

∆ω

s=




d ω′ ( ω′

− ωs

)2

SE

−∞



∫ dω′SE (ω′)

(ω′)



ширина спектра

сигнала;

α10

(ωs ) =

a1 a0

(ωs (ωs

) )

.

−∞

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12

Измерение средней частоты сигналов в акустооптических спектроанализаторах

37

С учетом (7) получим окончательное выражение для частоты ωI , соответствующей пространственному положению выходного распределения света, в случае пространственно-

неинвариантной нормированной ЭАФ

ωI = ωs + α10 (ωs ) ∆ωs2 + ∆ωg (ωs ) ,

(8)

в котором учтена зависимость смещения ЭАФ от частоты.

В данном случае учет ошибки измерения частоты, представленной в виде второго и

третьего членов выражения (8), может быть произведен итерационным способом с использо-

ванием в качестве начальных значений ωs и ∆ωs оценок средней частоты и ширины спектра сигнала непосредственно по выходному распределению света (3). Требуемые значения пара-

метров АОС, характеризующих форму АЧХ и смещение нормированной ЭАФ, могут быть

определены при калибровке АЧХ и частотной шкалы анализатора.

Алгоритм измерения средней частоты спектра был экспериментально проверен на об-

разце АОС гигагерцового диапазона частот. При ширине ЭАФ 4,5 МГц инструментальная

ошибка измерения средней частоты спектра была снижена в 8—10 раз и составила менее

0,1 МГц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кулаков С. В. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа сигналов. Л.: Наука, 1978. 144 с.

2. Егоров Ю. В., Наумов К. П., Ушаков В. Н. Акустооптические процессоры. М.: Радио и связь, 1991. 160 с.

3. Паркс Д. Акустооптический приемник-спектроанализатор дециметрового диапазона // Зарубежная радиоэлектроника. 1970. № 2. С. 21—32.

4. Белошицкий А. П., Комаров В. И., Крекотень Б. П., Сапожников Б. Т. Акустооптические анализаторы спектра радиосигналов // Зарубежная радиоэлектроника. 1971. № 3. С. 28—40.

5. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1986. 322 с.

6. Василенко Г. И. Теория восстановления сигналов: о редукции к идеальному прибору в физике и технике. М.: Сов. радио, 1979. 272 с.

Игорь Алексеевич Ключиков

Сведения об авторе — д-р техн. наук, профессор; Курский государственный технический уни-
верситет, кафедра биомедицинской инженерии; E-mail: Igor_Klyuchikov@mail.ru

Рекомендована кафедрой биомедицинской инженерии

Поступила в редакцию 14.04.10 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 12