SU890262A1 - Оптический анализатор спектра случайных сигналов - Google Patents

Description

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для спектрального анализа случайных сигналов.

Известно устройство, содержащее источник когерентного света, формирующую световой поток оптическую систему, ультразвуковой мо- ⁵ дулятор света, генератор частотно-.модулированного сигнала, регистрирующее и индикаторное устройства, предназначенные для анализа спектров радиосигналов [1J.

Однако это устройство не позволяет изме- ¹⁰ рять усредненное значение флуктуаций средней частоты спектра исследуемого сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является оптический анализатор спектра случайных сигналов, содержа- ¹⁵ щий оптически связанные и последовательно расположенные источник когерентного света, коллиматор, пространственно-временный модулятор, первую интегрирующую линзу и непрозрачный экран, а также оптически связанные транспарант, вторую интегрирующую линзу и первый фотоприемник, установленные в одной из двух плоскостей пространственных частот, и оптически связанные третью интегрирующую линзу и второй фотоприемник, расположенные в другой плоскости пространственных частот, а также блок деления, блок извлечения квадратного корня и блок умножения. Кроме того, этот оптический анализатор спектра случайных сигналов содержит еще один блок извлечения квадратного корня.

Этот оптический анализатор спектра случайных сигналов позволяет измерить среднюю частоту спектра сигнала с высокой точностью, однако он позволяет измерять только мгновенные значения средней частоты спектра сигнала. Это обусловлено тем, что анализатор осуществляет вычисление средней частоты спектра по отрезку исследуемого сигнала, находящемуся в данный момент в апертуре пространственно-временного модулятора света. В каждый момент времени происходит изменение анализируемого отрезка сигнала. Для обычно используемых ультразвуковых модуляторов света длительность анализируемого отрезка сигнала мала.

В этом случае, когда исследуемый сигнал имеет большую длительность и частота сигнала случайным образом флуктуирует в течение всей длительности сигнала, напряжение на выходе анализатора представляет собой функцию времени, значениями которой являются мгновенные значения средней частоты спектра исследуемого сигнала, которые могут флуктуировать относительно некоторой усредненной величины [2],.

Однако этот анализатор не позволяет измерять усредненное значение флуктуаций средней частоты спектра случайного сигнала.

Целью изобретения является улучшение статистических свойств получаемой величины усредненного значения флуктуаций средней частоты спектра исследуемого сигнала.

Указанная цель достигается тем, что в оптический анализатор спектра случайных сигналов, содержащий оптически связанные и последовательно расположенные источник когерентного света, коллиматор, пространственно-временной модулятор, первую интегрирующую линзу и непрозрачный экран, установленные в одной из двух плоскостей пространственных частот и оптически связанные транспарант, вторую интегрирующую линзу и первый фотоприемник, расположенные в другой плоскости пространственных частот и оптически связанные третью интегрирующую линзу и второй фотоприемник, а также блок деления, блок извлечения квадратного корня и блок умножения, введен блок усреднения, при этом выходы первого и второго фотоприемников соответственно соединены с первым и вторым входами блока деления, выход которого через последовательно подключенные блок извлечения квадратного корня и блок умножения соединен с входом блока усреднения.

На чертеже представлена схема оптического анализатора.

Оптический анализатор спектра случайных сигналов содержит источник когерентного света 1, коллиматор 2, пространственно-временной модулятор 3, первую интегрирующую линзу 4, непрозрачный экран 5, транспарант 6, вторую интегрирующую линзу 7, третью интегрирующую линзу 8, первый фотоприемник 9, второй фотоприемник 10, блок деления 11, блок извлечения квадратного корня 12, блок умножения 13 и блок усреднения 14. ·

В разных полуплоскостях плоскости пространственных частот, которой является фокальная плоскость первой интегрирующей линзы 4, установлены вторая и третья интегрирующие . линзы 7 и 8, перед второй интегрирующей линзой 7 расположен транспарант 6. В фокусе второй и третьей интегрирующих линз 7 и 8 установлены первый и второй фотоприемники и 10, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым входами блока деления 11.

Оптический анализатор спектра случайных сигналов работает следующим образом.

Источник когерентного света 1 излучает узкий пучок монохроматического света, который расширяется до необходимых размеров коллиматором 2 и освещает пространственно-временной модулятор 3, на электрический вход которого поступает исследуемый электрический сигнал. Первая интегрирующая линза 4 осущест вляет преобразование Фурье пространственного аналога электрического сигнала, и в ее фокальной плоскости формируется спектр пространственных частот, представляющий собой пространственное распределение амплитуд и фаз света. Непрозрачный экран 5, расположенный на оптической оси анализатора после первой интегрирующей линзы 4, фильтрует пространственные частоты, расположенные в области нулевых пространственных частот, что улучшает основные характеристики анализатора. Вторая и третья интегрирующие линзы 7 и 8, расположенные в разных плоскостях пространственных частот, и расположенный перед второй интегрирующей линзой Ί транспарант 6 осуществляют интегрирование пространственного распределения амплитуд света в разных плоскостях пространственных частот, причем транспарант 6 осуществляет ’’взвешивание” амплитуд света в соответствии с передаточной характеристикой

T(W_X) - W_x

В результате на выходе второй интегрирующей линзы 7, перед которой расположен транспарант 6, формируется величина ^Х

F, = У W_xF(W_x)dW_x , о а на выходе третьей интегрирующей линзы 8 формируется ^величина

F₂ = J F(WJdW_x, где Ρ(Μ_χ) - пространственная спектральная плотность. '

Первый и второй фотоприемники 9 и 10, расположенные в фокусе второй и третьей интегрирующих линз 7 и 8, формируют напряжения, пропорциональные интенсивности света на выходе интегрирующих линз, которые поступают на первый и второй входы блока деления 11, напряжение с выхода которого подается на вход блока извлечения квадратного корня 12, выходное напряжение которого умножается в блоке умножения 13 на некоторую константу и затем интегрируется в блоке усреднения 14.

При этом напряжение на выходе оптического анализатора спектра случайных сигналов является искомой усредненной величиной.

Напряжение на выходе блока усреднения 14 пропорционально усредненному значению флуктуаций средней частоты спектра исследуемого сигнала и может быть использовано для индикации или в качестве регулирующего напряжения в системах автоматического регулирования.

Оптический анализатор спектра случайных сигналов может найти применение в системах приема и обработки радиосигналов в качестве устройства для оценки параметров сигнала, в качестве датчика управляющего напряжения в устройствах автоматического регулирования, а также для непосредственного измерения и индикации усредненного значения флуктуаций средней частоты спектра случайных сигналов.

Испытания макета предложенного анализа- 20 тора подтвердили его работоспособность и воз- . можность измерения усредненного значения флуктуаций срецйей Частоты спектра исследуемых сигналов при анализе длительных реализаций сигнала в случае флуктуаций частоты сигнала.

Claims (2)

1. В этом случае, когда исследуем ш сигнал имеет большую длительность и частота сигнала случайным образом флуктуирует в течение всей длительности сигнала, напр жегше на выходе анализатора представл ет собой функцию времени, значени ми которой  вл ютс  мгновенные значени  средней частоты спектра исследуемого сигнала, которые могут флуктуировать относительно некоторой усредненной величины
2. 2.. Однако этот анализатор не позвол ет измер ть усредненное значение флуктуации средней частоты спектра случайного сигнала. Цепью изобретени   вл етс  улучшение статистических свойств получаемой величины усредненного значени  флуктуации средней частоты спектра исследуемого сигнала. Указанна  цель достигаетс  тем, что в опти ческий анализатор спектра случайных сигналов содержащий оптически св занные и последовательно расположенные источник когерентного света, коллиматор, пространственно-временной модул тор, первую интегрирующую линзу и непрозрачный экран, установленные в одной из двух плоскостей пространственных частот и оптически св заю1ые транспарант, вторую ин тегрирующую линзу и первый фотоприемник, расположенные в другой плоскости пространствеЯЕшых частот и оптически св занные третью интегрирующую линзу и второй фотоприемник а также блок делени , блок извлечени  квадратного корн  и блок умножени , введен бло усреднени , при этом выходы первого и второго фотоприемников соответственно соединены с первым и вторым входами блока делени , выход которого через последовательно подключенные блок извлечени  квадратного корн  и блок умножени  соединен с входом блока усреднени . На чертеже представлена схема оптического анализатора. Оптический анализатор спектра случайных сигналов содержит источник когерентного света 1, коллиматор 2, пространственно-временной модул тор 3, первую интегрирующую лии зу 4, непрозрачный экран 5, транспарант 6, вторую интегрирующую линзу 7, третью интег рирующую линзу 8, первый фотоприемник 9, второй фотоприемник 10, блок делени  11, блок извлечени  квадратного корн  12, блок умножени  13 и блок усреднени  14. В разных полуплоскост х плоскости пространственных частот, которой  вл етс  фокальна  плоскость первой интегрирующей линзы 4 установлены втора  и треть  интегрирующие линзы 7 и 8, перед второй интегрирующей ли ЗОЙ 7 расположен транспарант 6. В фокусе второй и третьей интегрирующих линз 7 и 8 установлены первый и второй фотоприемники 9 и 10, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым входами блока делени  11. Оптический анализатор спектра случайных шгналов работает следуюпшм образом. Источник когерентного света I излучает узкий пучок монохроматического света, который расашр етс  до необходимых размеров коллиматором 2 и освещает пространственно-временной модул тор 3, на электрический вход которого поступает исследуемый электрический сигнал. Перва  интегрирующа  линза 4 осуществл ет преобразование Фурье пространственного аналога электрического сигнала, и в ее фокальной плоскости формируетс  спектр пространственных частот, представл ющий собой пространственное распределение амплитуд и фаз света . Непрозрачный экран 5, расположенный на оптической оси анализатора после первой интегрирующей линзы 4, фильтрует пространственные частоты, расположенные в области нулевых пространственных частот, что улучшает основные характеристики анализатора. Втора  и треть  интегрирующие линзы 7 и 8, расположенные в разных плоскост х пространственных частот, и расположенный перед второй интегрирующей линзой 7 транспарант 6 осуществл ют интегрирование пространственного распределени  амплитуд света в разных плоскост х пространственных частот, причем траншарант 6 осуществл ет взвещивание амплитуд света в соответствии с передаточной характеристикой T(W) W в результате на выходе второй интегрирующей линзы 7, перед которой расположен транспарант 6, формируетс  величина % Fa Г W/(W)dW , третьей интегрирующей линзы 8 формируетс  величина J F(WjdW, -мУх где F(W) - пространственна  спектральна  плотность. Первый и второй фотоприемники 9 и 10, расположенные в фокусе второй и третьей интегрирующих линз 7 и 8, формируют напр жени , пропорциональные интенсивности света на выходе интегрирующих линз, которые поступают на первый и второй входы блока делени  11, напр жение с выхода которого подаетс  на вход блока извлечени  квадратного корн  12, выходное напр жение которого умножаетс  в блоке умножени  13 на некоторую константу и затем интегрируетс  в блоке усреднени  14. При этом напр жение на выходе оптического анализатора спектра случайных сигналов  тл етс  искомой усредненной величиной. Напр жение на выходе блока усреднени  1 пропорционально усредненному значению флук туации средней частоты спектра исследуемого сигнала и может быть использовано дл  индикации или в качестве регулирующего напр  жени  в системах автоматического регулирова ни . Оптический анализатор спектра случайных сигналов может найти применение в системах приема и обработки радиосигналов в качестве устройства дл  оценки параметров сигнала, в качестве датчика управл ющего напр жени  в устройствах автоматического регулировани , а также дл  непосредственного измерени  и индикации усредненного значени  флуктуации средней частоты отектра случайных сигналов. Испытани  макета предложенного анализатора подтвердили его работоспособность и воз мджность измерени  усредненного значени  флуктуации средней Частоты спектра исследуемых сигналов при анализе длительных реализаций сигнала в случае флуктуации частоты сигнала. Формула изобретени  Оптический анализатор спектра случайных сигналов, содержащий оптически св занные и 24 последовательно расположенные источник когерентного света, коллиматор, пространственновременной модул тор, первую интегрирующую линзу и непрозрачный экран, установленные в одной из двух плоскостей пространственных частот и оптически св занные транспарант, BJOрую интегрирующую лннзу и первый фотоприемкик , расположенные в другой плоскости пространственных частот и оптически св занные третью интегрирующую линзу и второй фотоприемник , а также блок делени , блок извлечени  квадратного корн  н блок умножени , отличающийс  тем, что, с целью улучщени  статистических свойств получаемой величины усредненного значени  флуктуации средней частоты спектра исследуемого сигнала, в него введен блок усреднени , при этом выходы первого и второго фотоприемников со ответственно соединены с первым и вторым входами блока делени , выход , которого через последовательно подключенные блок, извлечени  квадратного корн  и блок умножени  соединен с входом блока усреднени . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 558225, кл. G 01 R 23/16, 09.06.75. 2,Авторское свидетельство СССР по за вке № 2783932/18-21, кл. G 01 R 23/16, 25.06.79 ( прототип).