книги / Обработка радиосигналов акустоэлектронными и акустоопритческими устройствами

тудгтом, ио и о фазовом споктро сигнала, причем измерения фазы могут быть выполнены также на основе техники ПАВ [3]. Для уменьшения погрешности спектрального анализа целесообразно прнмепять избирательные элементы, импульсная характеристика которых имеет прямоугольную огибающую [1]. Применение филь­ тров на ПАВ с иеаподизованными эквидистантными преобразова­ телями позволяет легко выполнять это условие [4].

Линии задержки (ЛЗ) могут быть использованы для построе­ ния спектроанализаторов на основе гребенчатых фильтров с пе­ ременными параметрами [5]. На основе простых ЛЗ на ПАВ можно реализовать рециркуляционные спектроанализаторы [6], их разрешающая способность определяется соотношением H N T, где N — число циркуляций, Т — время задержки ЛЗ. Результат

Дисперсионный анализатор спектра с Л 4M гетеродином.

СшМ— смеситель, ГГУ — полосовой усилитель, ДЛЗ — дисперсионная линия задержки

спектрального анализа формируется в непрерывной форме, в ин­ тервале времени Т при последней — TV-й циркуляции сигнала. Огибающая выходного сигнала несет информацию об амплитуд­ ном, а фаза — о фазовом спектре исследуемого сигнала. В связи с тем что модуль коэффициента передачи петли обратной связи должен быть близок к единице, к параметрам элементов схемы, образующих эту петлю, предъявляется ряд жестких требований, выполнение которых влечет существенное усложнение конструк­ ции.

Требования к элементам схемы значительно снижаются для анализатора спектра с гребенчатым фильтром с переменными параметрами на многоотводной линии задержки [7]. Считывание информации здесь также производится за время Т0, равное за­ держке между соседними отводами. Полоса обзора составляет 1/Г0, а разрешающая способность — i/N 0T0 (N0 — число отводов). Недостатком такого устройства является большое число каналов обработки, в каждом из которых выполняется гетеродинирова­ ние сигнала.

Дисперсионные линии задержки (ДЛЗ) позволяют реализовать дисперсионные анализаторы спектра (ДАС) [8—10]. ДАС с ЛЧМ гетеродином (рис. 1), называемый в зарубежной литературе процессором, выполняющим ЛЧМ преобразование (chirp-Z-pro- cessor) [9], может использовать устройства на ПАВ [10] для реали­ зации как ДЛЗ, так и ЛЧМ гетеродина. Для обработки сигналов

в реальном масштабе времени требуется, чтобы полоса пропуска­ ния ДЛЗ вдвое превышала полосу обзора спектроанализатора. Число элементов разрешения при этом составляет одну четверть от коэффициента сжатия ДЛЗ. Наряду с простотой схемы и кон­ струкции к достоинствам таких ДАС следует отнести возможность отработки сигналов в реальном масштабе времени, возможность анализа как амплитудных, так и фазовых спектров, непрерыв­ ность отсчета спектра, а также выполнения как прямого, так и обратного преобразования Фурье. Все это позволяет на основе применения двух пли трех ДАС реализовать простые по конструк­ ции, малогабаритные, относительно недорогие, экономичные в по­ треблении энергии устройства для определения функции корре­ ляции и свертки сигналов [11], перестраиваемые полосовые и режекторные, а также согласованные фильтры [91, регулируемые линии задержки [9], устройства кепстрального анализа [91.

Спектральный анализ импульсов малой длительности посред­ ством ДЛЗ возможен и без применения ЛЧМ гетеродинирова­ ния [8]. В этом случае длительность выходного сигнала значи­ тельно (в корень квадратный из коэффициента сжатия ДЛЗ раз н более) превышает длительность исследуемого радиоимпульса, что исключает возможность анализа в реальном масштабе времени и уменьшает разрешающую способность. Однако схема такого спектроанализатора предельно проста.

Сравнительный анализ рассмотренных аналоговых электрон­ ных анализаторов спектра определяет области их возможного применения.

Последовательные спектроанализаторы просты, но могут при­ меняться только в случаях, когда сигнал продолжителен и его спектральный состав неизменен во всех циклах перестройки ге­ теродина, требуемых для выполнения обработки.

Параллельные анализаторы спектра выгодно применять при относительно небольшом числе элементов разрешения (до сотнн) для обнаружения сигналов и их выделения одним пли несколь­ кими частотио-избирательными элементами с целью последующей обработки, а также в тех случаях, когда результат спектрального анализа должен быть получен после окончания исследуемого радиоимпульса или выборки из продолжительного сигнала с ми­ нимальной задержкой [12], что обусловлено возможностью одно­ временного съема информации со всех частотно-избирательных элементов.

Рециркуляционный анализатор спектра, имеющий существен­ ные ограничения в увеличении полосы обзора и сложный в реали­ зации, представляется неперспективным.

Спектроанализатор с применением многоотводной ЛЗ при числе элементов разрешения до нескольких десятков может быть использован для исследования спектров перекрывающихся во времени выборок из продолжительных сигналов.

Применение ДАС с ЛЧМ гетеродином целесообразно во всех случаях, когда воспроизведение спектра после окончания действия

АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЕЕРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН

Разнообразие характеристик микроволновых акустических устройств обусловлено применением многоэлектродных электро­ акустических преобразователей, расположенных па поверхности пьезоэлектрической подложки и служащих для возбуждения в ней и приема акустических поверхностных воли. Количество электродов в преобразователях, их конфигурация, взаимное расположение и способы электрического соединения электродов между собой определяют основные характеристики акустических устройств»

Широкое применение получили преобразователи, состоящие из системы параллельных электродов [1], которая формирует в пре­ делах апертуры преобразователя практически однородное акусти­ ческое поле поверхностной волны. Акустическое поле, формируе­ мое системой непараллельных электродов, оказывается неодно­ родным, так как при фиксированной частоте возбуждения акустический синхронизм наблюдается не по всей апертуре преобра­ зователя (как у системы параллельных электродов), а лишь на небольшом ее участке, на котором интервалы между электродами кратны половине длины акустической поверхностной волпы. При изменении частоты возбуждения акустический сппхронпзм наблюдается на другом участке апертуры. Поскольку интенсив­ ность излучаемой преобразователем поверхностной волны суще­ ственна только в области акустического синхронизма, то подоб­ ный преобразователь формирует акустическое црле в виде узкого луча, ось которого параллельно смещается по апертуре преобра­ зователя при изменении частоты возбуждения [2]. Это явление напоминает направленное излучение п сканирование антенны, однако оно проявляется только в ближней зоне электроакустиче­ ского преобразователя.

В настоящей статье исследуются параметры акустического поля поверхпостиой волны, возбуждаемой двухфазным многоэлектродным преобразователем веерного типа в изотропной под­ ложке. В качестве модели преобразователя принята такая, в ко­ торой каждый электрод является элементарным источником плоской волны, а акустическое поле всего преобразователя — сум­ мой воли от элементарных источников. Расположение электродов, их нумерация и полярность, а также используемые системы ко­ ординат показаны па рис. 1, а.

Уравнение плоской волны, возбуждаемой элементарным /г-м

где (I)Q и ïc — соответственно круговая частота и волновое число, А о — амплитуда колебаний.

Йосле преобразований системы координат и суммирований всех волн от N .пар элементарных источников с учетом их фазировки можно определить мгновенное значение акустического поля преобразователя:

N

Ъ(х, у, 0 = 2 (—1)” -^0COS (сд0Л+ Л?Я5sin ^ — Ay cos —

t / = i

—N

— 2 (~ 1)л cos (cù0f + bx sin Чп“ by cos ?■) = ii——l

N

= 2 (—2i4«) (—*)" sin an sin‘(oj0t — ft,). (2)

«=i

Функций b (x, y, i) определяет акустическое поле преобразо­ вателя в виде суммы, состоящей из N плоских неоднородных волн*

Рис. 1. Расположение, полярность электродов веерного преобразователя (а)

и диаграмма направленности при у= 0 (б).

фазовые фронты которых параллельны оси Ох, а амплитуды за­ висят от координаты я. Очевидно, что подобная сумма образует также неоднородную волну с амплитудой В (х, у), различной в раз­ личных точках пространства. Наибольшие из возможных значе­ ний амплитуды суммарной волны не могут превышать величины 2A 0N, соответствующей синфазному сложению волн от всех N пар элементарных источников. Поэтому для определения пара-

Положенно второго главного максимума функции D (х, 0), соот­ ветствующего /тг = 2, определяется координатой

а интервал между х± и х21 равный максимальной апертуре пре­ образователя с однолучевой диаграммой излучепия (рис. 1, б), мо­ жет быть вычислен как

т. е. ширина акустического луча, как это следует из формулы (6),

ское поле формируется в виде узкого луча, ширина которого может составлять несколько длин волн.

Распределение амплитуд волнового поля веерного преобразо­ вателя вдоль лппий х = х т, перпендикулярных к оси симметрии преобразователя и соответствующих главным максимумам функ­ ций (3) и (6), может быть найдено, если учесть, что при выпол­ нении условия акустического синхронизма (5) (—1)” sin ая= —1 при любом 7?.. Поэтому соотношение (3) приобретает вид при х —хт

D K i

это уменьшение тем существеннее, чем больше угол раскрыва веера.

Расстояние от оси преобразователя до точки пространства, в которой значение главного максимума волнового поля умень­

Распределение амплитуд волнового поля, заданное формулой

(3) и условием (5) вдоль прямых линий, параллельных оси сим­ метрии преобразователя, было рассчитано на ЭВМ и представлено в виде графиков на рис. 3 для х, близких к хх.

Расчеты показали, что по мере удаления от осп преобразова­ теля ширила акустического луча постепенно расширяется, а иитенсивность поля в его центре уменьшается. На больших рас­ стояниях от оси (у Y) акустическое поле приобретает прибли­ зительно равномерный характер.

С целью проверки результатов расчета были произведены изме­ рения амплитуды акустического поля веерного преобразователя

fil h

Рис. 2. Зависимость амплитуды волпового ноля в главном максимуме от рас­ стояния до оси веориого преобразователя.

а — JV= 11, 9=17°; б — N = 2 0 , 9=30°.

Рис. 3. Распределение амплитуд волнового поля на различных расстояниях от оси веерного преобразователя.

(7V= 11, <р=17°), нанесенного па подложку из ниобата лптия. Приемным преобразователем служил точечный проволочный щуп, который мог быть расположен в любой точке на поверхности под­ ложки. Было измерено распределение амплитуд волнового поля веерного преобразователя на частоте 9.5 мГц на расстояниях 17 и 37 мм от осп преобразователя. Измерения подтвердили, что вблизи преобразователя его акустическое поле представляет со­ бой луч, шириной около 2 мм, что удовлетворительно согласуется с расчетными формулами. При удалении от оси преобразователя акустический луч расширяется с одновременным уменьшением его интенсивности.

ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ, ВЫПОЛНЯЮЩИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ МЕЛЛИНА, НА ОСНОВЕ ПАВ-КОМПОНЕНТОВ

В последние годы проводятся исследования оптических систем опознавания образов, построенных на основе применения преоб­ разования Меллниа [1]. Их цель — обеспечение возможности автоматизированной идентификации сигналов, различающихся масштабом. Она достигается благодаря тому, что модуль сигнала, полученного при выполнении преобразования Меллина над вход­ ным сигналом, инвариантен к масштабу последнего. Исследова­ тели оптических систем воспользовались тем обстоятельством, что преобразование Меллина с удачной простотой приводится к преобразованию Фурье с предшествующим изменением масштаба времени входного сигнала по закону натурального логарифма. Это позволяет реализовывать устройства, выполняющие преобра­ зование Меллниа, па основе когерентных оптических спектро­ анализаторов.

Тем не менее представляет интерес постановка вопроса о воз­ можности построения подобного устройства с высоким быстро­ действием для обработки одномерных временных сигналов s (t) на основе электронных приборов и компонентов на поверхностных

при замене переменной t на £=ln t приводится к форме преоб­ разования Фурье

Это выражение может быть представлепо в виде

число.

Таким образом, для выполнения преобразования Меллина над временным сигналом s (£) может быть применен спектроанализа­ тор, подключенный к выходу преобразователя временного мас­ штаба (ПВМ), выполняющего логарифмирование временного па­ раметра сигнала s (t) по произвольному основанию а логарифма.

Пусть имеются два сигнала: sx (t) и s2 (2)=$! №)• Тогда в ре­ зультате выполнения над ними преобразования Меллииа вида (2) получим соответственно

Отсюда следует, что результаты M L (со) и М 2 (со) выполнения преобразования вида (2) над сигналами st (t) и s2 (t), различаю-

Рис. 1. Устройство, выполняющее преобразование Меллииа.

I — преобразователь временного масштаба, II — дисперсионный анализатор спснтра. ГИЗ — генератор импульсов записи, ГИС — генератор импульсов считывания, ПУ — полосовой усилитель, Д — детектор, С — синхронизатор.

щимися временным масштабом, отличаются друг от друга лишь фазовым членом.

Выбор соответствующего основания а логарифмирования по­ зволяет обеспечить технически реализуемый режим работы ком­ плекса «ПВМ — спектроанализатор», т. е. обеспечить соответ­ ствие параметров входных сигналов (длительность, ширина спек­ тра, величина изменения масштаба), с характеристиками ПВМ (объем памяти, быстродействие) и спектроанализатора (полоса обзора, длительность обрабатываемых сигналов).

С целью проверки возможности аппаратурной реализации преобразования Меллииа был разработан макет, структурная схема которого приведена на рис. 1. Входящий в его состав ПВМ построен по схеме, в соответствии с которой информация о вход-