Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow АКУСТООПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОРЫ. АЛГОРИТМЫ И ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
Посмотреть оригинал

Введение

При выборе метрологического обеспечения измерений параметров сигналов определяющими аргументами в пользу того или иного технического решения являются широкополосность прибора, его быстродействие и точностные характеристики.

В настоящее время известно несколько типов измерителей параметров. Среди перспективных устройств отметим, прежде всего, многоканальный приёмник - многоканальный фильтр, появившийся исторически раньше прочих. Это также и приёмник мгновенного измерения частоты, в котором осуществляется слежение за зависящим от частоты значением разности фаз между задержанным и незадержанным сигналами. Это акустооптический (АО) измеритель параметров сигналов (АОИПС), обладающий уникальной возможностью измерения мгновенного спектра фрагмента сигнала, находящегося в апертуре AO-дефлектора (АОД). Отметим также приёмник со сжатием импульсов, использующий дисперсионные линии задержки на поверхностных акустических волнах в сочетании с высокоскоростной цифровой обработкой, и процессор, выполняющий быстрое преобразование Фурье.

Следует отметить, что развитием существующих и поиском новых технических решений по измерению параметров сигналов интенсивно и систематически занимаются как у нас в стране, так и за рубежом. При этом мнения специалистов относительно преимуществ и недостатков названных типов измерителей и вытекающих отсюда концепций построения аппаратуры неоднозначны и непостоянны. Эти мнения (как во всяком динамически развивающемся процессе) пересматриваются и меняются с появлением и развитием новой элементной базы, появлением прогрессивных технических решений и появлением в связи с этим новых возможностей по созданию новой и модернизации существующей аппаратуры.

Некоторые специалисты считают наиболее перспективными частотно-определительными устройствами многоканальные приёмники, базирующиеся на современных достижениях технологии изготовления фильтров на поверхностных акустических и магнитостатических волнах или на микрополосковых линиях. Появление перечисленных компонентов оживило интерес к таким приёмникам и инициировало предпосылки для создания на их основе компактных измерителей частоты.

Не меньший интерес для разработчиков представляют измерители, выполненные на базе приёмников мгновенного измерения частоты. Эти устройства достаточно широкополосны (полоса рабочих частот может достигать единиц гигагерц) и способны работать на частотах в десятки гигагерц. Экономически более выгодно использовать данный тип приёмников с несколькими линиями задержки, каждая из которых рассчитана на работу в определённом участке диапазона частот. Привлекательными качествами таких измерителей являются приемлемые метрологические и массогабаритные характеристики, сравнительно несложный алгоритм обработки информации, доступность и относительная дешевизна используемой элементной базы, очевидная реализуемость технических и конструкторско-технологических решений.

АОИПС уступает описанным измерителям в широкополосное™, но превосходит приёмник мгновенного измерения частоты в помехозащищённости и обладает способностью одновременно анализировать несколько совпадающих во времени сигналов.

Существующая в настоящее время AO-элементная база позволяет разрабатывать устройства в диапазоне единиц гигагерц с полосой рабочих частот до 1 ГГц. Сопоставительный анализ показывает, что структура построения AO-анализатора спектра наиболее близка к структуре построения многоканального приёмника. АО-анализатор можно рассматривать как многоканальный AO-фильтр. При этом, при одинаковом быстродействии и ширине полосы пропускания АО- фильтра и фильтра многоканального приёмника, АО-анализатор превосходит последний в точности измерения и разрешающей способности по частоте. Для получения в многоканальном приёмнике метрологических характеристик аналогичных AO-анализатору, необходимо сужать полосы пропускания фильтров приёмника. Однако сужение указанных полос сопряжено с уменьшением быстродействия (увеличением инерционности, или, что одно и то же, увеличением времени переходных процессов). Такое положение вещей объясняется тем, что у многоканального приёмника ширина полосы пропускания и инерционность фильтра регулируются его добротностью. Поэтому изменение (улучшение) одного из параметров (ширины полосы пропускания или инерционности) неизбежно влечёт за собой изменение (ухудшение) другого. У AO-анализатора инерционность и полоса пропускания АО- фильтра регулируются независимо и раздельно: инерционность определяется длительностью апертурного времени AO-модулятора, а ширина полосы пропускания АО-фильтра - линейными размерами элементов фотоприёмника.

Начальный период развития AO-методов измерения параметров сигналов характеризовался тем, что некоторые технические решения носили ещё эвристический характер или представляли собой заимствования известных технических решений реализованных на другой элементной базе. Естественно, что эти решения не в полной мере учитывали особенности работы AO-приёмников и (как следствие) уменьшали эффективность их использования. Между тем, с появлением АО- устройств, измеряющих мгновенный спектр, появились возможности измерения качественно новых характеристик сигналов (например, интегральной спектральной характеристики) и возможности, в связи с этим, разработки и реализации качественно новых принципов построения аппаратуры. В частности, известны AO-демодуляторы сигналов с фазокодовой манипуляцией (ФКМ), принцип действия которых основан на слежении за динамикой изменения мгновенного спектра при прохождении скачка фазы через апертуру AO-модулятора. Эти устройства позволяют и демодулировать ФКМ-сигнал, и оценивать для него величину и знак скачка фазы. При использовании двумерных многовходовых AO-модуляторов и двумерных фотоприёмников возможно оценивание и частоты сигнала, и направления его прихода.

Несомненное достоинство приёмника со сжатием импульсов состоит в наличии у него разрешающей способности по частоте, т.е. способности к раздельному частотному анализу совпадающих во времени сигналов. Вместе с тем он уступает другим типам приёмников и в ши- рокополосности, и в способности работать на достаточно высоких частотах. Это связано со сложностью создания высокочастотных и широкополосных линий задержек с квадратичной дисперсионной характеристикой. Поэтому в известных технических решениях требуемый участок частотного диапазона, с целью последующего анализа, переносят в полосу рабочих частот такого приёмника.

У процессоров быстрого преобразования Фурье так же, как и у АОИПС, и у приёмника со сжатием импульсов имеется разрешающая способность по частоте. Однако потенциальные возможности этих измерителей в части увеличения разрешающей способности по частоте и точности измерения частоты в большом динамическом диапазоне уровней сигналов существенно большие. Достижимые метрологические характеристики этих измерителей частотных параметров напрямую связаны с быстродействием используемых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и быстродействием цифрового процессора. Как известно, дискретность измерения частоты с помощью данного типа процессора уменьшается с увеличением длительности обрабатываемых реализаций; полоса анализируемых частот увеличивается с уменьшением периода между отсчетами сигнала, а экспансия в сторону высоких частот связана с уменьшением времени преобразования (времени выборки) АЦП. Наблюдаемое в последнее время бурное развитие цифровых методов обработки сигналов сопровождается разработкой относительно широкополосных и высокочастотных цифровых процессоров. Но в абсолютном выражении потенциально достижимый диапазон рабочих частот таких измерителей недостаточен для абсолютного доминирования над АО-нроцессорами (АОП), в частности, над процессорами в гибридном исполнении, сочетающими АО и последующую цифровую обработку сигналов.

Настоящая работа является результатом обобщения многолетнего положительного опыта сотрудников Южного федерального университета по разработке, изготовлению и настройке АОИПС.

ЛО-измеритель, появившийся исторически раньше, в настоящее время трансформировался в АОП. объединяющий в одном конструктиве и аппаратурную (элементы оптического тракта, заканчивающиеся фотоприёмником), и вычислительную часть, в которой реализованы алгоритмы первичной и вторичной обработки информации с фотоприемника.

Значительное внимание в книге уделено исследованию (гл. 2) погрешностей измерений частотных, амплитудных и временных параметров сигналов.

Погрешности систематизированы и по источникам возникновения (входной и оптический тракт, лазерный источник, акустооптический дефлектор, фотоприёмник), и по отклонениям реальных технических и конструктивных характеристик элементов АОП от идеальных. Исследовались нежелательные отклонения амплитудных, амплитудно- частотных, спектральных, пространственных, временных, частотных и других характеристик и их вклад в погрешности измерений.

Поскольку изучение погрешностей измерений параметров сигналов было бы слишком абстрактным и неполным без привязки к известным базовым схемам построения АОП, то в гл. 1 кратко рассмотрены соответствующие структурные схемы и принципы их функционирования. В этой же главе даётся определение аппаратной функции одной из основных характеристик, определяющих метрологические возможности АОП.

Алгоритмическое обеспечение АОП, рассмотренное в гл. 3, включает в себя обзор так называемых традиционных (грубых) алгоритмов, разработанных для многоканальных измерителей параметров сигналов до появления АОП, и описание высокоточных авторских алгоритмов, учитывающих специфику работы АОИПС и разработанных специально для них.

Кроме того, описаны алгоритмы аппроксимации кривой настройки - зависимости частот настройки фотодиодов фотоприёмника от их порядковых номеров в фотоприёмнике. Учет в АОП кривой настройки уменьшает погрешности измерения частоты.

Глава 4 посвящена перспективным исследованиям, направленным на улучшение метрологических характеристик акустооптических измерителей - расширение полосы анализируемых частот, увеличение разрешающей способности по частоте и коррекцию качества лазерного излучения.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы