CC BY
71
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 12. С. 72-86.
]Э5М 1994-040В
Б01: 10.7463/1215.0828422
Представлена в редакцию: Исправлена:
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
12.11.2015 27.11.2015
УДК 531.715:681.327
Оценка погрешностей измерения амплитуды и фазы спектральных составляющих радиосигналов при использовании лазерных спектроанализаторов
Титов А. А.1, Гарипов В. К.1*, Костромин М. А.1
дагуа<111 iggmail.com
Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники, Москва, Россия
В статье рассмотрены вопросы оценки погрешностей измерения при использовании лазерных спектроанализаторов. Определено, что в настоящее время оптические методы находят все большее распространение при спектральном анализе радиосигналов. Показана возможность производить спектральный анализ как амплитуды, так и фазы частотных составляющих сигналов и осуществление для анализа фазы частотных составляющих радиосигналов интерференционных методов измерений. Установлено, что наиболее широко для измерения фазы сигналов используются интерферометры, построенные по схеме Маха-Цандера. Из анализа сделан вывод о более высоком разрешении при использовании комбинированного способа по сравнению с другими рассмотренными методами. Установлен его недостаток, заключающийся в наличии сложности и низкого быстродействия, обусловленного наличием интегратора, что не позволяет производить измерение спектральных составляющих радиоимпульса, если его длительность меньше временной апертуры. Предложен перспективный вариант построения спектроанализатора, в котором фаза определяется с помощью обработки сигнала.
Ключевые слова: погрешность, измерение, лазерные спектроанализаторы, радиосигналы, интерферометры
Введение
В настоящее время оптические методы находят все большее распространение при спектральном анализе радиосигналов. При этом оказывается возможным производить спектральный анализ как амплитуды, так и фазы частотных составляющих сигналов.
Для измерения фазы частотных составляющих радиосигналов используют интерференционные методы измерений. Наиболее широко для измерения фазы сигналов используются интерферометры, построенные по схеме Маха-Цандера [1, 2].
Из анализа сделан вывод о более высоком разрешении при использовании комбинированного способа по сравнению с другими рассмотренными методами. Установлен его недостаток, заключающийся в наличии сложности и низкого быстродействия, обусловленного наличием интегратора, что не позволяет производить измерение спектральных составляющих радиоимпульса, если его длительность меньше временной апертуры.
Предложен перспективный вариант построения спектроанализатора, в котором фаза определяется с помощью обработки сигнала.
Постановка задачи
Для расширения полосы пропускания может быть использовав спектроанализатор, содержащий полупроводниковый лазер, на который подается широкополосный радиосигнал, коллиматор, дифракционную решетку, линейку фотоприемников и процессор.
Задачу - измерение амплитуды и фазы спектральных составляющих радиосигналов можно условно разбить на два этапа:
- получение спектральных составляющих широкополосного радиосигнала;
- измерение амплитуды и фазы полученных спектральных составляющих.
Осуществление первого этапа оптическими методами производится в основном двумя способами - пространственным или временным интегрированием широкополосного сигнала, введенного в акустооптический модулятор света.
Возможен также комбинированный вариант, сочетающий в себе эти два указанных способа, что позволяет обрабатывать сигнал с полосой частот, равной полной полосе частот акустооптического модулятора (АОМ).
При пространственном интегрировании разрешение сигнала по частоте в идеальном случае (без учета расходимости лазера и аберраций оптики) составит
#пр=Л/ • Гаом (1)
где Л/ - полоса частот;
Таом = .Оаом/К-время задержки сигнала в АОМ;
Баом - апертура АОМ;
V - скорость звука в модуляторе.
При временном интегрировании получим
ЫВр=ё • Т • Таом , (2)
где ё = Л/тм/Тлчм-крутизна ЛЧМ сигнала;
Л/ячм - девиация частоты ЛЧМ сигнала;
тлчм - время изменения ЛЧМ сигнала;
Т - время интегрирования сигналов фотоприемником.
Поскольку ширина спектра ЛЧМ сигнала не может превышать ширину спектра исследуемого сигнала, ё• Т=Л/ и следовательно, Ыв,р=Ыпр, то выигрыша в разрешающей способности по частоте при временном интегрировании нет.
В комбинированном способе пространственное интегрирование производится по одной координате, а временное - по другой, что достигается ортогональной установкой модуляторов друг относительно друга. При этом разрешение будет равно
^к=#пр • #вр . (3)
Таким образом, комбинированный способ имеет более высокое разрешение по частоте по сравнению с обоими рассмотренными выше способами. При втором для выделения амплитуды и фазы, полученных указанными способами спектральных составляющих сигнала в плоскость формирования спектра подается опорный пучок [3, 4].
Возможно два варианта формирования опорного пучка [4 - 6].
1) Частичная компенсация опорного пучка, когда опорный пучок формируется выделением первого порядка спектра, сформированного при подаче на АОМ сигнала, частота а0 которого совпадает с несущей частотой радиосигнала.
2) Полная компенсация опорного пучка, когда на опорный АОМ подается ЛЧМ сигнал.
В первом варианте интерференционный член каждой спектральной составляющей будет меняться с разностной частотой Ла=агао, а во втором случае он не будет зависеть от частоты.
Далее возникает задача измерения амплитуды и фазы полученных спектральных составляющих. Измерение квадрата амплитуды спектральной составляющей возможно и без применения опорного пучка непосредственным измерением интенсивности дифрагированного на АОМ первого порядка спектра.
Что касается измерения фазовых составляющих спектра, то здесь имеется несколько возможных вариантов построения измерительных устройств в зависимости от применяемых методов измерения фазы.
Рассмотрим основные существующие методы измерения фазы сигналов. Все многообразие схем измерения фазы можно разбить на три следующие группы [5].
1) Компенсационные фазометры, основанные на уравновешивании измеряемого фазового сдвига. Это, как правило приборы следящего типа, имеющие низкое быстродействие.
2) Цифровые фазометры с время-импульсным преобразованием. Эти фазометры получили наибольшее распространение.
3) Фазометры с ортогональной обработкой сигнала.
В свою очередь фазометры второй группы можно разделить на два типа:
- фазометры, осуществляющие измерение за один период исследуемого напряжения;
- фазометры, осуществляющие измерение усредненного значения фазового сдвига за несколько периодов исследуемого напряжения.
В фазометрах третьей группы применительно к оптическим спектроанализаторам, в которых необходимо осуществлять измерения фазы спектральных составляющих радиосигнала, фаза вычисляется по выражению
Фi=arctq[(Л/2 - Л2с+Л2оп)/У-А2с+Л2оп)]-(т-Ыо) • к, (4)
где 3/2 и 3 - интенсивности интерферирующих пучков при наличии и отсутствии фазос-двигающей пластинки п/2;
Ас и Аоп - амплитуды сигнального и опорного лучей; с \ и ао - частоты сигнала и опорного напряжения; ¿и - длительность импульса лазера.
Недостатком фазометров третьей группы является их сложность, поскольку необходимо измерять несколько составляющих, входящих в выражение (4), а затем уже вычислять фазу.
Все это приводит и значительному снижению быстродействия при измерении фазы. Основное ограничение по быстродействию вносит вычислитель фазы, время вычисления в котором равно
¿выч=(4 • N • 2т)/Е,
где N - разрешающая способность анализатора по чистоте, т - число разрядов, используемых АЦП; Е - производительность вычислителя.
Анализ показывет, что наиболее перспективным методом измерения фазы является время-импульсный метод. Однако, известные схемы цифровых фазометров, основанные на данном методе, не могут непосредственно использоваться в спектроанализаторах, так как они предназначены для измерения фазы только одной частоты сигнала. В связи с этим были разработаны ряд схем для измерения амплитуды и фазы частотных составляющих радиосигнала [5].
Рассмотрим первую из предложенных схем, приведенную на рис. 1. На рисунке обозначено: лазер 1, коллиматор 2, светоделитель 3, акустооптический модулятор 4, линза 5, диафрагма 6, линза 7, светоделитель 8, фотоприемник 9, перестраваемый фильтр 10, преобразователь 11 амплитуда-код, формирователь 12 импульсов, триггер 13, интегратор 14, управляемый усилитель 15, аналого-цифровой преобразователь 16, зеркало 17, акустооптический преобразователь 18, линза 19, диафрагма 20, линза 21, зеркало 22, генератор 23 частоты, синхронизируемый генератор 24 частоты, формирователь 25 импульсов.
Пучок на выходе лазера расширяется коллиматором 2 и поступает на первый светоделитель 3, где луч расщепляется на два пучка; объектный пучок освещает акустооптический модулятор (АОМ) 4, на который подается входной сигнал, а опорный пучок поступает на АОМ 18, на который подается синусоидальный сигнал от генератора частоты 23.
Далее с помощью линз и 7, 19, 21 и диафрагм 6, 20 выделяются первые порядки дифрагированных на модуляторах пучков, которые с помощью светоделителя 6 сводятся на фотоприемнике 9.
Причем опорный пучок перекрывает весь спектр входного сигнала. В плоскости фотоприемника 9 пучки будут интерферировать. Тогда можно получить следующее выражение [7]
Л=А2с1+А2оп+2Ас • А оп • ео8[(2ях • 81па)/А)+(ш;-шоп)Г-Ф;(х,0)]. (5)
Здесь Лсгпреобразованная по Фурье амплитуда / -ой частотной составляющей радиосигнала;
Лоп - амплитуда опорного пучка; х - координата в плоскости фотоприемника; аоп=2п/оп - частота опорного сигнала на выходе генератора 23; юi = 2я$ - частота /-ой частотной составляющей радиосигнала; Ф^х, о) - фаза /-ой частотной составляющей радиосигнала. Оптическая система обеспечивает разрешение по частоте, равное
А/=ДРЩ (6)
где ЛР - полоса частот сигнала;
N - количество разрешимых частотных составляющих. Выберем частоту
/оп=/гшп-Л/. (7)
Рис. 1. Функциональная схема акустооптического спектроанализатора: /тт = /о - Л//2 - минимальная частота в
полосе частот ЛР; ^О-несущая частота.
Тогда в выражении (5) разность частот будет равна
Afon=Af, (8)
где i = 1, 2, З,.... N.
Подставляя A/i из (8) в (5), получим
Ji= A2ci+A2on+2Aci • Aon • cos[(2nx/X) • sina+0i(x)+2nAf• it]. (9)
Из (9) можно видеть, что система будет разрешать частоты кратные друг другу. Далее работу устройства можно уяснить из временных диаграмм, вставленных на рис. 2, где
^-напряжение на выходе генератора 24, частота которого выбирается равной Af ; U2 - напряжение на выходе перестраиваемого фильтра 10; U3 - напряжение на выходе формирователя 25;
U4 - напряжение на выходе формирователя 12; Ц^-напряжение на выходе триггера 13; U6 - напряжение на выходе интегратора 14. Сигналы на выходе фотоприемника 9 поступают на перестраиваемый фильтр 10, причем постоянная составляющая в выражении (9) отфильтровывается. На выходе фильтра 10 будет выделяться сигнал
U2=2S ■ Ac ■ Aon ■ cos[(2nx/X) • sin а+Ф;(х,о)+2лД • fit] (10)
И1
Из
И.-'
И-4 Hi
Hi
/ \ / \ / \ Í
i\ / ■ \ / ■ \ / 1 4 У 1 Л 1 Ai A i
А \ ■ i v 1! i 1/ \ A i\ ^ h l i ; 1 ! ■ / i i 1 V \ П v í
! ! 1 1 ! ! 1 1 ! 1 1 ;1 f
■ i ■ _i ■ ! * l
i ■ % -
Рис. 2. Временные диаграммы работы - коэффициент передачи фотоприемника совместно с фильтром.
Далее этот сигнал поступает на преобразователь 11, на выходе которого формируется код, пропорциональный амплитуде сигнала в выражении (10), т.е. спектру амплитуд Ас каждой частотной составляющей радиосигнала. Для определения точности измерения найдем погрешность измерения методом дифференцирования передаточной функции (10) устройства. Тогда получим:
Аи « (11)
Для данного устройства входящие в выражение (11) составляющие имеют приблизительно следующие значения:
„ ^ < Вмм2 ЛО __ Вмм2 л „ 1/ч 2 Вт0'5 . . „ 1/ч 4 Вт0 ' лп 4 Вт0 5
8 = 5-105——;М = 1000 ——;Аоп = 3-102-;ААоп = 3-Ю-4-;Ас = 10-4-;
Вт Вт мм мм мм
АА = 10-6 Вти.
мм
Подставляя эти значения в (11) получим Аи = 0,042В.
Для измерения фазы Ф;(х,о) сигнал и2 сравнивается с напряжением и1 на выходе генератора 24. Напряжения и1 и и2 поступают на формирователи 25 и 12, которые формируют импульсы в моменты перехода напряжений через нуль (напряжения и3 и и4 на рис.
2). Эти импульсы поступают на триггер 13, на выходе которого формируется временной интервал (напряжение и3, и4 на рис. 2), длительность которого равна
4= (Ф;(х,о)+(2ях • sina /Х))/2л • Л/■ /. (12)
Из (12) видно, что ¿1 зависит и от Л//, которое меняется в зависимости от выделяемой частотной составляющей. Импульсы с вывода триггера 13 поступают на интегратор 14, который преобразует длительность временного интервала в амплитуду сигнала ивъш=^ • ит/Т. Чтобы компенсировать изменение Л/, применяется усилитель 15 с регулируемым коэффициентом усиления
К=с,, (13)
где с - минимальный коэффициент усиления при / = 1.
Напряжение на выходе усилителя 15 равно
и=ивых • К=ит • Ф,(х,о)/2я • Т • Л/. (14)
Из (1 4) видно, что напряжение пропорционально фазе частотной составляющей и не зависит от номера частотной составляющей. Аналого-цифровой преобразователь преобразует напряжение в код, соответствующей измеряемой фазе частотной составляющей. Недостатком устройства является его сложность, а также сравнительно низкое быстродействие, обусловленное наличием интегратора. Поэтому такая схема не позволяет производить измерение спектральных составляющих радиоимпульса, если его длительность меньше временной апертуры АОМ [[6-8].
Перспективным вариантом построения спектроанализатора является устройство, в котором фаза определяется с помощью обработки сигнала [5-8].
Схема устройства приведена на рис. 3. Спектроанализатор содержит лазер 1, фильтр 2, коллиматор 3, акустооптические модуляторы 4, 5, 6, цилиндрическую линзу 7, щелевую диафрагму 8, цилиндрическую линзу 9, линейки 10, 11, 12, 13 фотоприемников, формирователь 14 импульсов, линию 15 задержки и генератора 16 с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).
Спектроанализатор работает, следующим образом. Пучок света лазера 1 через фильтр 2 поступает на коллиматор 3, который расширяет пучок, чтобы осветить апертуры акустооптических модуляторов 4, 5, 6. Ширина модулятора 6 выбирается равной 3 /фп, где /фп-шаг между линейками фотоприемников, ширина модулятора 5 выбирается равной ширине линейки 11 фотоприемников, ширина модулятора 4 равна 2/фп.
Цилиндрическая линза 7 фокусирует дифрагированные на модуляторах 4, 5, 6 пучки в плоскость щелевой диафрагмы 8, которая выделяет только первые порядки дифрагированных пучков, цилиндрическая линза 9 увеличивает по одной координате изображение спектра до размера линейки фотоприемников [9, 10].
На линейку 10 будет поступать дифрагированный свет первого порядка от модулятора 6, линейка 10 измеряет амплитудный спектр сигнала, на линейке 11 будут интерферировать пучки от модуляторов 5, 6, на линейке 12 будут интерферировать пучки от модуляторов 4, 6, на линейку 13 поступают дифрагированные пучки от модулятора 4 (опорные пучки).
Устройство предназначено для спектрального анализа радиоимпульсов, длительность Тр.и. которых меньше временной апертуры модулятора Гмод.
Радиоимпульс поступает на модулятор 6 и одновременно на формирователь 14, который формирует импульс длительность тф.п=три. Формирователь 14 может состоять из амплитудного детектора, выделяющего огибающую импульса, и компаратора.
Таким образом, длительность импульса на выходе формирователя 14 будет равна длительности входного радиоимпульса. Этот импульс задерживается в линии 15 на величину т3. Импульс с формирователя 14 и линии 15 запускают генераторы 16, 17 с ЛЧМ.
16
15 14
Рис. 3. Спектроанализатор с обработкой сигнала
Импульс с линии 15 запускает лазер 1, в качестве которого может быть выбран полупроводниковый лазер. На выходах генераторов 16 и 17 будут сформированы следующие ЛЧМ сигналы
и16 = ит • ев8(т¡г + рг2) приО < < ри. , (15)
и1б = 0 при г>р.и. ,
2
ии = иш(ео8ю2(г - т3) + в(г - т3) ) при т3 < t < т3 + гр.и., (16)
И17=0 при t > Т3 + гр.и .
Здесь иш - амплитуда ЛЧМ сигнала; ю1 - начальная частота; в - параметр ЛЧМ сигнала; т3 - время задержки импульса в линии 15.
Сигналы с выхода генераторов 16 и 17 поступают на модуляторы 4 и 5. Девиация частоты генераторов 16, 17 выбирается равной ширине полосы радиоимпульса. Тогда в плоскости интерференции спектр ЛЧМ сигнала перекроет спектр сигнала [11, 12].
При т3 « гр и спектры ЛЧМ сигналов с генераторов 16, 17 можно представить в виде
F(Ul6)=SЯчм • ехр^г+вг2), (17)
где 5лчм - амплитудный спектр ЛЧМ сигнала.
Выберем а2-2рт3=а1, т3 в- аот3= п/2, тогда выражение (17) можно представить в виде
Дип^лчмехр^^+гс^). (19)
С учетом (17) и (18) можно записать следующее выражение для интенсивностей света на г-м фотоприемнике линеек 11 и 12
./12=^О2+ 5'2лчм+25'с • • соБф^о)], (20)
^11=^с2+ 52лчм+25с • 5лчм • 81П[Ф1(х,о)]. (21)
Здесь 5с - амплитуда спектра сигнала;
Ф1(х,о) - фаза /-ой частотной составляющей радиосигнала; х - координата в плоскости линеек фотоприемников. В выражениях (20) и (21) разность частот сигнала и ЛЧМ сигнала для каждого фотоприемника равна нулю, ибо девиация ЛЧМ сигнала выбирается равной ширине полосы сигнала. Из выражений (20) и (21) получим [14-16]
Ф1(х,о)=агс1д[(Уп-5с2-52лчм)/(^12-5с2-52лчм)]. (22)
Для считывания информации в устройстве импульс с выхода линии 15 запускает лазер 1. Импульс на выходе лазера должен быть сформирован тогда, когда радиоимпульс полностью войдет в апертуру модулятора.
Для этого устройство на выходе лазера 1 может быть включена еще одна линия задержки и одновибратор (на рисунке не показаны). В результате на выходе лазера будет сформирован импульс длительностью х рм< тлаз<Таом. За счет введения двух генераторов 16, 17, линии 15 и формирователя 14 значительно упрощается устройство, так как отсутствует несколько опорных генераторов частот. Оценим погрешность измерения фазы по выражению (22).Для малых значениях аргумента аг^ можно заменить его аргументом. Тогда используя рассмотренный выше метод дифференцирования, получим:
АФ:
4 • [-§-— + § (т/" ^ ^ ) ]2 А£2 + 4 • [-^ 7 +
1 т - с2 - §2 Т - §2 - §2 с Т - §2 - §2
т 12 §с § лчм т 12 § лчм т 12 § лчм
§лчм (Т11 - -§2чм ) п2 д о2 г_1_-12 д 7-2 г (Т11 - -§2чм ) п2 д 7-2
2 2 2 2 2 о2 ]2 + Ь-^Н2 АТ121 + [; I11 .С -о2Лчм)2 ]2 АТ\2
т V2 I V2 (I §2 )2
Т12 °с ° лчм Т12 °с ° лчм (тТ12 °с § лчм)
Значения входящих в (23) параметров, аналогично предыдущему расчету на точность, будут иметь следующий вид:
^ = 3*10-4 ВтА = 3*10-6 § = 10-4 ^ а§ = 10-6 ^т = 10-7 В^. ^ = ю- ^■
мм мм мм мм мм мм
т = 1,3*10-7 Вт = 10-9 Вт .
Подставляя эти значения в (23), получим АФ = 1,8°.
Устройство может быть выполнено более широкополосным, если модулировать лазерное излучение входным сигналом, а его спектральные составляющие выделить дифракционной решеткой или интерферометром Фабри-Перо [17].
мм
Оптическая схема спектроанализатора приведена на рис. 4.
Устройство содержит лазер 1, коллиматор 2 дифракционную решетку 3, объектив 4, линейку фотоприемников 5. Входной широкополосный сигнал подается на лазер, интенсивность излучения которого будет модулироваться эти сигналом.
В качестве лазера может быть использован полупроводниковый лазер или газовый лазер в сочетании с электрооптическим модулятором.
Далее пучок расширяется коллиматором и освещает дифракционную решетку которая вместе с линзой осуществляет спектральный анализ.
Линейка фотоприемников воспроизводит спектр сигнала. Оценим возможную разрешающую способность такого спектроанализатора по частоте. Если использовать дифракционную решетку, то разрешающая способность будет равна [18-20]
Я=(^св/Д^с)=т • N , (24)
гдешсв - частота света;
Дас - разрешаемая частота сигнала; т - порядок спектра; N - число штрихов в решетке.
Рис. 4. Широкополосный спектроанализатор
Положим, что ширина решетки Ь=100 мм, пространственная частота штрихов решетки _/р=5000лин/мм, тогда ^Ь • _/р=100 • 5000=5 • 105 и при т=2, получим
Я=(^св/ДО=т • N=10®.
14 8
Поскольку юсв ~1014 Гц, то Дшс=108 Гц.
Для увеличения разрешающей способности системы вместо дифракционной решетки можно использовать интерферометр Фабри-Перо.
Разрешающая способность такого спектоанализатора может быть определена следующим образом [20-23]
Я=Ш . (25)
Здесь ^ - расстояние между зеркалами интерферометра; - ошибка изготовления зеркал.
В настоящее время достигнута точность изготовления зеркал Д/=ЛУ100, тогда при
-3 1
t=200 мм, Л=0,5 • 10" мм, получим Я=^Д!=4• 107. Тогда разрешимая частота сигнала Дшс=2,5 • 106 Гц.
Если использовать опорный пучок, то можно определить и фазу частотных составляющих сигнала.
Заключение
Проведенный анализ показал, что имеется возможность производить спектральный анализ как амплитуды, так и фазы частотных составляющих сигналов и использования для анализа фазы частотных составляющих радиосигналов интерференционных методов измерений.
Наиболее широко применимыми для измерения фазы сигналов являются интерферометры, построенные по схеме Маха - Цандера.
Рассмотрено использование комбинированного способа, который дает более высокое разрешение по сравнению с другими методами.
Установлен его недостаток, заключающийся в наличии сложности и низкого быстродействия, обусловленного наличием интегратора, что не позволяет производить измерение спектральных составляющих радиоимпульса, если его длительность меньше временной апертуры.
Предложен перспективный вариант построения спектроанализатора, в котором фаза определяется с помощью обработки сигнала.
Определена разрешающая способность при применении такого спектоанализатора.
Рассчитаны абсолютные погрешности предложенных устройств.
Список литературы
1. Шрёдер Г. Трайбер Х. Техническая оптика: пер. с нем. / под ред. Р.Е. Ильинского. М.: Техносфера, 2006. 424 с. [Shroder G., Treiber H. Techniche Optic. Vogel Industrie Medien GmbH, Wurzburg. 2002. 424 p.].
2. Sharma K.K. Optics: principles and applications. New York: Academic Press, 2006. 638 p.
3. Кейсесент Д., Колфилд Х., Томсон Б. Оптическая обработка информации. Применения: пер. с англ. / под ред. С.Б. Гуревича. М.: Мир, 1980. 349 с. [Optical Data Processing. Applications / ed. by D. Casasent. Springer Berlin Heidelberg, 1978. 286 p. DOI: 10.1007/BFb0057980 ].
4. Могильницкий Б.С. Интерферометр Фабри-Перо при импульсном освещении: новый подход и возможности // Измерительная техника. 2009. № 12. С. 11-15.
5. Титов А.А., Амурский В.Б., Гарипов В.К. Методы построения и расчета лазерных измерительных и запоминающих устройств. М.: Машиностроение, 2008. 133 с.
6. Козин Г.И., Кузнецов А.П., Лебединский М.О. Лазерное гетеродинирование гауссовых пучков с частичной пространственной когерентностью // Квантовая электроника. 2005. Т. 35, № 5. С. 429-434.
7. Кривоносов А.И. Оптоэлектронные устройства. М.: Энергия, 2008. 99 с.
8. Джексон Р.Г. Новейшие датчики: пер. с англ. / под ред. В.В. Лучинина. М.: Техносфера, 2007. 384 с. [Jackson R.G. Novel sensors and sensing. Institute of Physics publishing, Bristol and Philadelphia, 2004. 394 p.].
9. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник: пер. с англ. / под ред. Е.Л. Свинцова. М.: Техносфера, 2005. 527 с. [Friden D. Handbook of modern sensors. Springer New York, 2004. 527 p. DOI: 10.1007/b97321 ].
10. Гришин С. Г. Гетеродинная лазерная интерференционная система для измерения линейных перемещений с анизотропным акустооптическим преобразованием частоты света: автореф. дис. ... канд. экон. наук. М., 2012. 16 с.
11. Иванов В. С., Золотаревский Ю. М., Котюк А. Ф., Либерман А.А., Саприцкий В.И., Чупраков В.Ф., Улановский М.В., Столяревская Р.И. Основы оптической радиометрии. М.: Физматлит, 2003. 544 с.
12. Fox N.P. Radiometry with cryogenic radiometers and semiconductor photodiodes // Metrologia. 2003. Vol. 32, no. 6. P. 535-543. DOI: 10.1088/0026-1394/32/6/28
13. Панченко В.Я., Голубев В.С., Васильцов В.В., Галушкин М.Г. и др. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В.Я. Панченко. М.: Физматлит, 2009. 664 с.
14. Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения. М.: Физматлит, 2009. 512 с. [Riehle F. Frequency Standarts. Basic and Applications. Wiley-VCH, 2004. 526 p.].
15. Ермаков О.Н. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004. 414 с.
16. Кирилловский В.К. Современные оптические исследования и измерения. СПб.: Лань, 2010. 303 с.
17. Зверев В.А., Точилина Т.В. Основы оптотехники: учеб. пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. 293 с.
18. Махов Е.М., Потапов А.И., Махов В.Е. Прикладная оптика: учеб. пособие. СПб.: СЗТУ, 2004. 348 с.
19. Advanced Holography - Metrology and Imaging / ed. by I. Naydenova. Published by InTech, Croatia, 2011. 374 p.
20. Патракеев Н.В., Потапов А.И., Махов В.Е. Исследование реальных объектов возможности автоматизации проектирования контрольно-измерительных систем // Компоненты и технологии. 2007. № 2 (67). С. 138-141.
21. Tonda-Goldstein S., Dolfi D., Huignardet J.-P., Sape' Ph., Granger G., Chazelas J. Optoelectronic arbitrary-waveform generator for radar applications // Optical Engineering. 2000. Vol. 39, no. 12. P. 3294-3300. DOI: 10.1117/1.1327901
22. Harikharan P. Basics of Interferometry. 2n ed. New York, Academic Press, 2007. 226 p.
Science ¿Education
of the Baumail MSTU
Science and Education of the Bauman MSTU, 2015, no. 12, pp. 72-86.
DOI: 10.7463/1215.0828422
Received: 12.11.2015
Revised: 27.11.2015
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Assessment of Measurement Error when Using the Laser Spectrum Analyzers
A.A. Titov1, V.K. Garipov1*, M.A. Kostromin1
garvadl 1 iggmail.com
1Moscow State University of Information Technologies, Radio Engineering and Electronics, Moscow, Russia
Keywords: error, measurement, laser spectrum analyzers, radio signals, interferometers
The article dwells on assessment of measurement errors when using the laser spectrum analyzers. It presents the analysis results to show that it is possible to carry out a spectral analysis of both amplitudes and phases of frequency components of signals and to analyze a changing phase of frequency components of radio signals using interferential methods of measurements. It is found that the interferometers with Mach-Zehnder arrangement are most widely used for measurement of signal phase. A possibility to increase resolution when using the combined method as compared to the other considered methods is shown since with its application spatial integration is performed over one coordinate while time integration is done over the other coordinate that is reached by the orthogonal arrangement of modulators relative each other. The article defines a drawback of this method. It is complicatedness and low-speed because of integrator that disables measurement of spectral components of a radio pulse if its width is less than a temporary aperture. There is a proposal to create an advanced option of the spectrum analyzer in which phase is determined through the signal processing. The article presents resolution when using such a spectrum analyzer. It also reviews the possible options for creating devices to measure the phase components of a spectrum depending on the methods applied to measure a phase. The analysis has shown that for phase measurement a time-pulse method is the most perspective. It is found that the known circuits of digital phase-meters using this method cannot be directly used in spectrum analyzers as they are designed for measurement of the phase only of one signal frequency. In this regard a number of circuits were developed to measure the amplitude and phase of frequency components of the radio signal. It is shown that the perspective option of creating a spectrum analyzer is device in which the phase is determined through the signal processing. The article presents a function diagram of such spectrum analyzer and a time diagram of its operation.
References
1. Shroder G., Treiber H. Techniche Optic. Vogel Industrie Medien GmbH, Wurzburg. 2002. 424 p. (Russ. ed.: Shroder G., Treiber H. Tekhnicheskaya optika. Transl. from German. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2006. 424 p.).
2. Sharma K.K. Optics: principles and applications. New York, Academic Press, 2006. 638 p.
3. Casasent D., ed. Optical Data Processing. Applications. Springer Berlin Heidelberg, 1978. 286 p. DOI: 10.1007/BFb0057980 (Russ. ed.: Casasent D., Caulfield H., Thompson B. Opticheskaya obrabotka informatsii. Primeneniya. Moscow, Mir Publ., 1980. 349 p.).
4. Mogilnitskii B.S. Fabry-Perot interferometer in pulsed illumination: a new approach and capabilities. Izmeritel'naya tekhnika, 2009, no. 12, pp. 11-15. (English version of journal: Measurement Techniques, 2009, vol. 52, is. 12, pp. 1263-1270. DOI: 10.1007/s11018-010-9431-z ).
5. Titov A.A., Amurskii V.B., Garipov V.K. Metody postroeniya i rascheta lazernykh izmeritel'nykh i zapominayushchikh ustroistv [Methods of construction and calculation of laser measuring and memory devices]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2008. 133 p. (in Russian).
6. Kozin G.I., Kuznetsov A.P., Lebedinskii M.O. Laser heterodyning of Gaussian beams with partial spatial coherence. Kvantovaya elektronika, 2005, vol. 35, no. 5, pp. 429-434. (English version of journal: Quantum Electronics, 2005, vol. 35, no. 5, pp. 429-434. DOI: 10.1070/QE2005v035n05ABEH002861 ).
7. Krivonosov A.I. Optoelektronnye ustroistva [Optoelectronic devices]. Moscow, Energiya Publ., 2008. 99 p. (in Russian).
8. Jackson R.G. Novel sensors and sensing. Institute of Physics publishing, Bristol and Philadelphia. 2004. 394 p. (Russ. ed.: Jackson R.G. Noveishie datchiki. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2007. 384 p.).
9. Friden D. Handbook of modern sensors. Springer New York, 2004. 527 p. DOI: 10.1007/b97321 (Russ. ed.: Friden D. Sovremennye datchiki. Spravochnik. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2005. 527 p.).
10. Grishin S.G. Geterodinnaya lazernaya interferentsionnaya sistema dlya izmereniya lineinykh peremeshchenii s anizotropnym akustoopticheskim preobrazovaniem chastoty sveta. Avtoreferat kand. diss. [Heterodyne laser interferential system for measurement of linear movements with anisotropic optical-acoustic transformation of frequency of light. Abstract of cand. diss.]. Moscow, 2012. 16 p. (in Russian, unpublished).
11. Ivanov V. S., Zolotarevskii Yu. M., Kotyuk A. F., Liberman A.A., Sapritskii V.I., Chuprakov V.F., Ulanovskii M.V., Stolyarevskaya R.I. Osnovy opticheskoi radiometrii [Fundamentals of optical radiometry]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2003. 544 p. (in Russian).
12. Fox N.P. Radiometry with cryogenic radiometers and semiconductor photodiodes. Metrologia, 2003, vol. 32, no. 6, pp. 535-543. DOI: 10.1088/0026-1394/32/6/28
13. Panchenko V.Ya., Golubev V.S., Vasil'tsov V.V., Galushkin M.G., et al. Lazernye tekhnologii obrabotki materialov: sovremennye problemy fundamental'nykh issledovanii i prikladnykh razrabotok [Laser technologies of processing of materials: modern problems of basic researches and applied development]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2009. 664 p. (in Russian).
14. Riehle F. Frequency Standarts. Basic and Applications. Wiley-VCH, 2004. 526 p. (Russ. ed.: Riehle F. Standarty chastoty. Printsipy i prilozheniya. Moscow, Fizmatlit Publ., 2009. 512 p.).
15. Ermakov O.N. Prikladnaya optoelektronika [Applied optoelectronics]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2004. 414 p. (in Russian).
16. Kirillovskii V.K. Sovremennye opticheskie issledovaniya i izmereniya [Modern optical researches and measurements]. St. Petersburg, Lan' Publ., 2010. 303 p. (in Russian).
17. Zverev V.A., Tochilina T.V. Osnovy optotekhniki [Optical Engineering Fundamentals]. St. Petersburg, SPbSU ITMO Publ., 2005. 293 p. (in Russian).
18. Makhov E.M., Potapov A.I., Makhov V.E. Prikladnaya optika [Applied optics]. St. Petersburg, Publ. of North-West Customs Administration, 2004. 348 p. (in Russian).
19. Naydenova I., ed. Advanced Holography - Metrology and Imaging. Published by InTech, Croatia, 2011. 374 p.
20. Patrakeev N.V., Potapov A.I., Makhov V.E. LABVIEW 8 - the new possibilities of computer aided design of control and measurement systems. Komponenty i tekhnologii = Components and Technologies, 2007, no. 2 (67), pp. 138-141. (in Russian).
21. Tonda-Goldstein S., Dolfi D., Huignardet J.-P., Sape' Ph., Granger G., Chazelas J. Optoelectronic arbitrary-waveform generator for radar applications. Optical Engineering, 2000, vol. 39, no. 12, pp. 3294-3300. DOI: 10.1117/1.1327901
22. Harikharan P. Basics of Interferometry. 2nd ed. New York, Academic Press, 2007. 226 p.
