Повна версія

Головна arrow Техніка arrow АКУСТООПТИЧНІ ПРОЦЕСОРИ. АЛГОРИТМИ І ПОХИБКИ ВИМІРЮВАНЬ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ВСТУП

При виборі метрологічного забезпечення вимірювань параметрів сигналів визначальними аргументами на користь того чи іншого технічного рішення є широкополосность приладу, його швидкодія і точності характеристики.

В даний час відомо кілька типів вимірювачів параметрів. Серед перспективних пристроїв відзначимо, перш за все, багатоканальний приймач - багатоканальний фільтр, що з'явився історично раніше інших. Це також і приймач миттєвого вимірювання частоти, в якому здійснюється стеження за залежних від частоти значенням різниці фаз між затриманим і незадержанним сигналами. Це акустооптичний (АТ) вимірювач параметрів сигналів (АОІПС), що володіє унікальною можливістю вимірювання миттєвого спектра фрагмента сигналу, що знаходиться в апертурі AO-дефлектора (Егуд). Відзначимо також приймач із стисненням імпульсів, що використовує дисперсійні лінії затримки на поверхневих акустичних хвилях в поєднанні з високошвидкісною цифровою обробкою, і процесор, що виконує швидке перетворення Фур'є.

Слід зазначити, що розвитком існуючих і пошуком нових технічних рішень з вимірювання параметрів сигналів інтенсивно і систематично займаються як у нас в країні, так і за кордоном. При цьому думки фахівців щодо переваг і недоліків названих типів вимірників і випливають звідси концепцій побудови апаратури неоднозначні і непостійні. Ці думки (як у всякому динамічно розвивається процесі) переглядаються і змінюються з появою і розвитком нової елементної бази, появою прогресивних технічних рішень і появою в зв'язку з цим нових можливостей по створенню нової і модернізації існуючої апаратури.

Деякі фахівці вважають найбільш перспективними частотно-означальними пристроями багатоканальні приймачі, що базуються на сучасних досягненнях технології виготовлення фільтрів на поверхневих акустичних і магнітостатичних хвилях або на мікросмужкових лініях. Поява перерахованих компонентів оживило інтерес до таких приймачів і ініціювало передумови для створення на їх основі компактних вимірювачів частоти.

Не менший інтерес для розробників представляють вимірювачі, виконані на базі приймачів миттєвого вимірювання частоти. Ці пристрої досить широкосмугові (смуга робочих частот може досягати одиниць гігагерц) і здатні працювати на частотах в десятки гігагерц. Економічно вигідніше використовувати даний тип приймачів з декількома лініями затримки, кожна з яких розрахована на роботу в певній ділянці діапазону частот. Привабливими якостями таких вимірників є прийнятні метрологічні і масогабаритні характеристики, порівняно нескладний алгоритм обробки інформації, доступність і відносна дешевизна використовуваної елементної бази, очевидна реалізація технічних і конструкторсько-технологічних рішень.

АОІПС поступається описаним измерителям в широкосмугове ™, але перевершує приймач миттєвого вимірювання частоти в перешкодозахищеності і має здатність одночасно аналізувати кілька співпадаючих в часі сигналів.

Існуюча в даний час AO-елементна база дозволяє розробляти пристрої в діапазоні одиниць гігагерц з смугою робочих частот до 1 ГГц. Порівняльний аналіз показує, що структура побудови AO-аналізатора спектра найбільш близька до структури побудови багатоканального приймача. АТ-аналізатор можна розглядати як багатоканальний AO-фільтр. При цьому, при однаковому швидкодії і ширині смуги пропускання АТ- фільтра і фільтра багатоканального приймача, АТ-аналізатор перевершує останній в точності вимірювання і роздільної здатності по частоті. Для отримання в багатоканальному приймачі метрологічних характеристик аналогічних AO-аналізатору, необхідно звужувати смуги пропускання фільтрів приймача. Однак звуження зазначених смуг пов'язане зі зменшенням швидкодії (збільшенням інерційності, або, що одне і те ж, збільшенням часу перехідних процесів). Такий стан речей пояснюється тим, що у багатоканального приймача ширина смуги пропускання і інерційність фільтра регулюються його добротністю. Тому зміна (поліпшення) одного з параметрів (ширини смуги пропускання або інерційності) неминуче тягне за собою зміну (погіршення) іншого. У AO-аналізатора інерційність і смуга пропускання АТ- фільтра регулюються незалежно і окремо: інерційність визначається тривалістю апертурного часу AO-модулятора, а ширина смуги пропускання АТ-фільтра - лінійними розмірами елементів фотоприймача.

Початковий період розвитку AO-методів вимірювання параметрів сигналів характеризувався тим, що деякі технічні рішення носили ще евристичний характер або представляли собою запозичення відомих технічних рішень реалізованих на інший елементній базі. Природно, що ці рішення не повною мірою враховували особливості роботи AO-приймачів і (як наслідок) зменшували ефективність їх використання. Тим часом, з появою АТ-пристроїв, що вимірюють миттєвий спектр, з'явилися можливості вимірювання якісно нових характеристик сигналів (наприклад, інтегральної спектральної характеристики) і можливості, в зв'язку з цим, розробки і реалізації якісно нових принципів побудови апаратури. Зокрема, відомі AO-демодулятор сигналів з фазокодовой маніпуляцією (ФКМ), принцип дії яких заснований на спостереженні за динамікою зміни миттєвого спектра при проходженні стрибка фази через апертуру AO-модулятора. Ці пристрої дозволяють і демодулировать ФКМ-сигнал, і оцінювати для нього величину і знак стрибка фази. При використанні двовимірних багатовхідних AO-модуляторів і двовимірних фотоприймачів можливо оцінювання і частоти сигналу, і напрямки його приходу.

Безсумнівна перевага приймача зі стисненням імпульсів складається в наявності у нього роздільної здатності по частоті, тобто здатності до роздільного частотному аналізу збігаються в часі сигналів. Разом з тим він поступається іншим типам приймачів і в ши- рокополосності, і в здатності працювати на досить високих частотах. Це пов'язано зі складністю створення високочастотних і широкосмугових ліній затримок з квадратичною дисперсионной характеристикою. Тому в відомих технічних рішеннях необхідний ділянку частотного діапазону, з метою подальшого аналізу, переносять в смугу робочих частот такого приймача.

У процесорів швидкого перетворення Фур'є так само, як і у АОІПС, і у приймача зі стисненням імпульсів є роздільна здатність по частоті. Однак потенційні можливості цих вимірників в частині збільшення роздільної здатності по частоті і точності вимірювання частоти в великому динамічному діапазоні рівнів сигналів істотно більші. Досяжні метрологічні характеристики цих вимірників частотних параметрів безпосередньо пов'язані з швидкодією використовуваних аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) і швидкодією цифрового процесора. Як відомо, дискретність вимірювання частоти за допомогою даного типу процесора зменшується зі збільшенням тривалості оброблюваних реалізацій; смуга аналізованих частот збільшується зі зменшенням періоду між відліками сигналу, а експансія в сторону високих частот пов'язана зі зменшенням часу перетворення (часу вибірки) АЦП. Спостережуване останнім часом бурхливий розвиток цифрових методів обробки сигналів супроводжується розробкою щодо широкосмугових і високочастотних цифрових процесорів. Але в абсолютному вираженні потенційно досяжний діапазон робочих частот таких вимірників недостатній для абсолютного домінування над АТ-нроцессорамі (АОП), зокрема, над процесорами в гібридному виконанні, що поєднують АТ і подальшу цифрову обробку сигналів.

Справжня робота є результатом узагальнення багаторічного позитивного досвіду співробітників Південного федерального університету з розробки, виготовлення та налаштування АОІПС.

ЛО-вимірювач, що з'явився історично раніше, в даний час трансформувався в АОП. поєднує в одному конструктиві і апаратурну (елементи оптичного тракту, що закінчуються фотоприймачем), і обчислювальну частина, в якій реалізовані алгоритми первинної і вторинної обробки інформації з фотоприймача.

Значна увага в книзі приділена дослідженню (гл. 2) похибок вимірювань частотних, амплітудних і часових параметрів сигналів.

Похибки систематизовані і за джерелами виникнення (вхідний і оптичний тракт, лазерний джерело, акустооптичний дефлектор, фотоприймач), і за відхиленнями реальних технічних і конструктивних характеристик елементів АОП від ідеальних. Досліджувалися небажані відхилення амплітудних, амплітудно частотних, спектральних, просторових, тимчасових, частотних і інших характеристик і їх внесок в похибки вимірювань.

Оскільки вивчення похибок вимірювань параметрів сигналів було б занадто абстрактним і неповним без прив'язки до відомим базовим схемам побудови АОП, то в гл. 1 коротко розглянуті відповідні структурні схеми та принципи їх функціонування. У цьому ж розділі дається визначення апаратної функції однієї з основних характеристик, що визначають метрологічні можливості АОП.

Алгоритмічне забезпечення АОП, розглянуте в гл. 3, включає в себе огляд так званих традиційних (грубих) алгоритмів, розроблених для багатоканальних вимірювачів параметрів сигналів до появи АОП, і опис високоточних авторських алгоритмів, які враховують специфіку роботи АОІПС і розроблених спеціально для них.

Крім того, описані алгоритми апроксимації кривої настройки - залежно частот настройки фотодіодів фотоприймача від їх порядкових номерів у фотоприймачі. Облік в АОП кривої настройки зменшує похибки вимірювання частоти.

Глава 4 присвячена перспективним дослідженням, спрямованим на поліпшення метрологічних характеристик акустооптичних вимірників - розширення смуги аналізованих частот, збільшення роздільної здатності по частоті і корекцію якості лазерного випромінювання.

 
<<   ЗМІСТ   >>