Измеритель доплеровской частоты сигнала

Полезная модель относится к радиолокационной технике, а именно к радиолокационным системам следящего типа для автоматического измерения средней доплеровской частоты спектра сигнала, например, сигнала движущейся цели, а также к доплеровским измерителям скорости и угла сноса, установленным на летательных аппаратах. Она может быть применена при сопровождении маневрирующей цели, при слежении за сигналом отраженным от подстилающей поверхности Земли и т.п. Достигаемый технический результат - обеспечение высокой стабильности и равной точности измерения доплеровской частоты сигнала при обработке входных сигналов цели с изменяющейся интенсивностью в широком динамическом диапазоне путем стабилизации крутизны дискриминационной характеристики чувствительного элемента при обработке входных сигналов с изменяющейся интенсивностью в широком динамическом диапазоне. Измеритель доплеровской частоты сигнала, содержит первую и вторую идентичные цепи частотного стробирования спектра, каждый из которых содержит соответствующие смеситель, фильтр нижних частот и амплитудный детектор, блока вычитания, блок сложения, коррелятор, блок управления и генератор частот слежения, при этом выход блока управления является выходом устройства. 2 ил.

Полезная модель относится к радиолокационной технике, а именно к радиолокационным системам следящего типа для автоматического измерения средней доплеровской частоты спектра сигнала, например, сигнала движущейся цели, а также к доплеровским измерителям скорости и угла сноса, установленным на летательных аппаратах. Она может быть применена при сопровождении маневрирующей цели, при слежении за сигналом отраженным от подстилающей поверхности Земли и т.п.

Наиболее близким, по большинству совпадающих с заявляемым устройством признаков, по мнению авторов, является [1] измеритель средней доплеровской частоты с частотным стробированием спектра.

Устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит первый и второй идентичные цепи частотного стробирования спектра, каждый из которых содержит соответствующие последовательно соединенные смеситель, фильтр нижних частот и амплитудный детектор, причем первые входы смесителей цепей частотного стробирования спектра соединены с входом устройства, а выходы амплитудных детекторов соответствующих каналов частотного стробирования спектра соединены с соответствующими входами блока вычитания, последовательно соединенные блок управления, вход которого соединен с выходом блока вычитания, и генератор частот слежения, первый выход которого подключен ко второму входу смесителя первой цепи частотного стробирования спектра, а второй выход подключен ко второму входу смесителя второй цепи частотного стробирования спектра, при этом выход блока управления является выходом устройства.

Основным недостатком известного измерителя доплеровской частоты сигнала является зависимость точности измерения средней доплеровской частоты сигнала цели от мощности входного сигнала цели.

Это обусловлено тем, что если изменяется мощность входного сигнала, то одновременно изменяются и мощности сигналов на выходах фильтров нижних частот цепей частотного стробирования спектра даже при сохранении величины частотной расстройки, а, следовательно, одновременно пропорционально изменяются величины напряжений на входах и выходах амплитудных детекторов цепей частотного стробирования спектра.

Это приводит к изменению крутизны дискриминационной характеристики чувствительного элемента измерителя и величины сигнала ошибки на выходе блока вычитания при одинаковых частотных рассогласованиях для различных мощностей входного сигнала и, соответственно, к неоднозначности измеренных значений частотных рассогласования средней доплеровской частоты сигнала при изменении мощности входного сигнала.

Точность измерения средней доплеровской частоты сигнала пропорциональна крутизне дискриминационной характеристики чувствительного элемента измерителя доплеровской частоты сигнала. Поэтому при изменении мощности входного сигнала в широком динамическом диапазоне точность измерения доплеровской частоты сигнала также изменяется в широком диапазоне.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании измерителя доплеровской частоты сигнала, обладающего высокой стабильностью и равной точностью измерения доплеровской частоты сигнала в широком динамическом диапазоне мощности входного сигнала.

Технический результат - обеспечения высокой стабильности и равной точности измерения доплеровской частоты сигнала при обработке входных сигналов с изменяющейся интенсивностью в широком динамическом диапазоне.

Сущность полезной модели заключается в следующем.

Измеритель доплеровской частоты сигнала, содержащий первый и второй идентичные цепи частотного стробирования спектра, каждый из которых содержит соответствующие последовательно соединенные смеситель, фильтр нижних частот и амплитудный детектор, причем первые входы смесителей каналов частотного стробирования спектра соединены с входом устройства, а выходы амплитудных детекторов соответствующих цепей частотного стробирования спектра соединены с соответствующими входами блока вычитания, последовательно соединенные блок управления и генератор частот слежения, первый выход которого подключен ко второму входу смесителя первой цепи частотного стробирования спектра, а второй выход подключен ко второму входу смесителя второй цепи частотного стробирования спектра, при этом выход блока управления является выходом устройства, по отношению к прототипу дополнительно содержит последовательно соединенные блок сложения и коррелятор, выход которого подключен к входу блок управления, первый и второй входы блока сложения подключены к выходам амплитудных детекторов соответственно первой и второй цепи частотного стробирования спектра, а выход блока вычитания подключен к второму входу коррелятора.

Обеспечения высокой стабильности и равную точность измерения доплеровской частоты сигнала при обработке входных сигналов с изменяющейся интенсивностью в широком динамическом диапазоне достигается путем стабилизации крутизны дискриминационной характеристики чувствительного элемента при обработке входных сигналов с изменяющейся интенсивностью в широком динамическом диапазоне.

На фиг.1 представлена структурная схема предложенного измерителя доплеровской частоты сигнала, где:

1-1, 1-2 - смеситель 1-й и 2-й цепи частотного стробирования спектра, соответственно;

2-1, 2-2 - фильтр нижних частот первой и второй цепи частотного стробирования спектра, соответственно;

3-1, 3-2 - амплитудный детектор первой и второй цепи частотного стробирования спектра соответственно;

4 - блок вычитания;

5 - блок управления;

6 - генератор частот слежения;

7 - блок сложения;

8 - коррелятор.

На фиг.2 представлены варианты дискриминационных характеристик: прототипа для большей - а и меньшей - б мощности сигнала, предложенного устройства - в;

₀- переходная частота.

Измеритель доплеровской частоты сигнала содержит последовательно соединенные две цепи частотного стробирования спектра, каждый из которых содержит последовательно соединенные смеситель 1, фильтр нижних частот 2 и амплитудный детектор 3, при этом первые входы смесителей цепей частотного стробирования спектра соединены с входом устройства, а выходы амплитудных детекторов 3 цепей частотного стробирования спектра, соединены с соответствующими входами блока вычитания 4 и блока сложения 7, последовательно соединенные коррелятор 8, входы которого подключены к выходу блока вычитания 4 и к выходу блока сложения 7, блок управления 5 и генератор частот слежения 6, первый выход нижней частоты которого подключен к второму входу смесителю 1-1 первой цепи частотного стробирования спектра, а второй выход верхней частоты подключен к второму входу смесителя 1-2 второй цели частотного стробирования спектра, при этом выход блока управления 5 является выходом устройства.

Работа предлагаемого измерителя доплеровской частоты сигнала осуществляется следующим образом.

В исходном состоянии центральная частота измерителя доплеровской частоты сигнала настроена на центральную (среднюю) частоту принимаемого сигнала. Спектр принимаемого сигнала симметричен относительно центральной частоты, что соответствует известным литературным данным.

В дальнейшем центральная частота принимаемого сигнала изменяется либо из-за маневрирования цели или по другим причинам, например при маневрировании носителя, что вызывает необходимость следить за центральной частотой принимаемого сигнала путем перестройки положения центральной частоты измерителя доплеровской частоты сигнала, чтобы выдавать на выход устройства оценку текущего значения средней доплеровской частоты сигнала.

С выхода полосового фильтра доплеровских частот приемопередатчика (на схеме не показан) с широкой полосой пропускания, обеспечивающей пропускание спектральных составляющих сигнала в диапазоне возможных значений доплеровской частоты, сигнал одновременно поступает на вход устройства - на первые - сигнальные входы смесителей 1-1 и 1-2 первой и второй цепей частотного стробирования спектра.

Генератор частот слежения 6 вырабатывает два колебания, разнесенные по частоте относительно центральной частоты слежения, соответствующей оценке доплеровской частоты сигнала, на величину, порядка половины ожидаемой ширины спектра входного сигнала.

Колебания нижней частоты слежения поступают на второй - опорный вход смесителя 1-1 первой цепи частотного стробирования спектра, а колебания верхней частоты слежения - на второй - опорный вход смесителя 1-2 второй цепи частотного стробирования спектра.

Соответствующие составляющие спектра входного сигнала преобразуются в смесителях 1-1 и 1-2 первой и второй цепей частотного стробирования спектра сигналами с соответствующими частотами слежения в область низких (нулевых) частот.

К выходам смесителей 1-1 и 1-2 первой и второй цепей частотного стробирования спектра подключены соответственно первый и второй 2-1 и 2-2 фильтры нижних частот, полоса пропускания которых выбрана меньше половины минимальной ширины спектра сигнала, что в результате эквивалентно созданию узкополосных фильтров на нижней и верхней частотах слежения с последующим амплитудным детектированием сигналов на их выходах.

При этом условии амплитуды сигналов на выходах фильтров нижних частот 2-1 и 2-2 цепей частотного стробирования спектра зависят от положения оценки следящей частоты относительно спектра сигнала и пропорциональны в среднем величине ординаты огибающей спектра сигнала, соответствующей нижней и верхней частоте слежения.

Сигналы с выходов фильтров нижних частот 2-1 и 2-2 детектируются соответствующими амплитудными детекторами 3-1 и 3-2 первой и второй цепей частотного стробирования спектра.

Величины напряжений на выходах первого и второго амплитудных детекторов 3-1 и 3-2 первой и второй цепей частотного стробирования спектра определяются значениям ординат огибающей спектра сигнала, сдвинутых по частотной оси на величину, равную частотному разносу между верхней и нижней частотами слежения, вырабатываемые генератором частот слежения 6.

Если частоты слежения расположены симметрично относительно измеряемой центральной доплеровской частоты принятого сигнала, то амплитуды частотно стробированных сигналов на выходах амплитудных детекторов 3-1 и 3-2 первой и второй цепей частотного стробирования спектра равны между собой. Величина разности этих напряжений на выходе блока вычитания 4 равна нулю, что соответствует ситуации точного измерения текущего среднего значения доплеровской частоты принятого сигнала и выдачи его на выход устройства.

Если частоты слежения расположены несимметрично относительно измеряемой центральной доплеровской частоты принятого сигнала, то амплитуды частотно стробированных сигналов на выходах амплитудных детекторов 3-1 и 3-2 первой и второй цепей частотного стробирования не равны между собой.

Величина разности этих напряжений на выходе блока вычитания 4 пропорциональна рассогласованию по частоте между измеренным измерителем доплеровской частоты сигнала значением доплеровской частоты сигнала и центральной частотой спектра принятого сигнала, а ее знак зависит от знака рассогласования по частоте.

Сигналы U₁(t) и U₂ (t) на выходах амплитудных детекторов 3-1 и 3-2 цепей частотного стробирования спектра - случайные процессы (U₁(t) - сигнал на выходе первого амплитудного детектора 3-1, U ₂(t) - сигнал на выходе второго амплитудного детектора 3-2), функции автокорреляции которых можно записать соответственно в виде:

k1()=p_lR_l(), k₂()=р₂R₂(),

где R₁(), R₂()- коэффициенты автокорреляции междупериодных флуктуации сигналов, р₁, р₂ - мощности сигналов на выходах амплитудных детекторов 3-1 и 3-2 соответствующих цепей частотного стробирования спектра.

Эти сигналы независимы между собой, т.к. формируются с помощью фильтров нижних частот 2-1 и 2-2 цепей частотного стробирования из неперекрывающихся частей спектра принятого сигнала.

Взаимно-корреляционные функции в совпадающие моменты времени процессов U₁ (t) и U₂(t) равны:

k₁₂(0)=k ₂₁(0)=0,

где , ,

R₂₁, R₁₂ - взаимные коэффициенты корреляции процессов U₁(t) и U₂ (t), которые в совпадающие моменты времени равны R_l2 (0)=R_2l(0)=0.

С выходов амплитудных детекторов 3-1 и 3-2 первой и второй цепей частотного стробирования спектра сигналы поступают соответственно на первый и второй входы блока вычитания 4 и на первый и второй входы блока сложения 7.

Блок вычитания 4 производит вычитание этих сигналов U(t)=U₁(t)-U₂(t). Блок сложения 7, осуществляет сложение этих сигналов U(t)=U₁(t)+U₂(t).

Суммарный U(t) и разностный сигналы U(t) с выходов блок

сложения 7 и блока вычитания 4 подаются соответственно на первый и второй входы коррелятора 8, который вычисляет взаимный коэффициент корреляции в совпадающие моменты времени сигналов с выходов этих блоков.

Автокорреляционные функции случайных процессов U _z(t) и U_A(t) равны:

k()=k₁()+k₁₂()+k₂₁()+k₂()=k₁()+k₂(),

k()=k₁()+k₁₂()+k₂₁()+k₂()=k₁()+k₂().

Взаимная корреляционная функция случайных процессов U(t) и U(t) имеет вид:

k()=k₁()-k₁₂()+k₂₁()-k₂()=k₁()+k₂()

Взаимный коэффициент корреляции Л() случайных процессов U_z{t) и U(t) равен:

.

Вводя обозначение , получим:

,

Взаимный коэффициент корреляции в совпадающие моменты времени сигналов с выходов блока сложения 7 и блока вычитания 4 равен:

,

и с учетом того, что R₁₂ (0)=0, получим выражение в совпадающие моменты времени в виде .

Величина взаимного коэффициента корреляции в совпадающие моменты времени сигналов с выходов блока сложения 7 и блока вычитания 4 R(0) связана однозначно с отношением мощностей сигналов на выходах амплитудных детекторов 3-1 и 3-2 цепей частотного стробирования спектра и при их равенстве - равна нулю. При этом она не зависит от величины мощности сигнала на входе устройства.

Если имеется рассогласование по частоте между измеренным значением доплеровской частоты и центральной частотой спектра входного сигнала, то величина взаимного коэффициента корреляции в совпадающие моменты времени сигналов с выходов блока сложения 7 и блока вычитания 4 не равна нулю R(0)0 и пропорциональна величине рассогласования по частоте, а ее знак зависит от знака рассогласования по частоте, т.к. величины мощностей сигналов на выходе амплитудных детекторов 3-1 и 3-2 цепей частотного стробирования спектра зависят от величины и знака частотного рассогласования, указанного выше.

Сигналы с выходов блока сложения 7 и блока вычитания 4 поступают соответственно на первый и второй входы коррелятора 8, который производит оценку величины взаимного коэффициента корреляции в совпадающие моменты времени R(0) сигналов с выходов блока сложения 7 и блока вычитания 4. Коррелятор 8 может иметь различные варианты реализации, например, как в [2, 3].

Таким образом, сигнал на выходе коррелятора 8 является мерой и направлением рассогласования по частоте между центральной частотой спектра сигнала и измеренным значением доплеровской частоты, т.е. сигналом ошибки рассогласования по частоте на входе блока управления 5, который можно представить в виде дискриминационной характеристики (фиг.2, в).

Ввиду того, что величина R(0) не зависит от мощности входного сигнала, сигнал ошибки рассогласования по частоте не зависит от мощности входного сигнала, а зависит только от величины и направления частотного рассогласования (фиг.2, в), в то время как в прототипе сигнал ошибки - дискриминационная характеристика, зависит и от мощности входного сигнала цели (фиг.2, а и б)

Этим обеспечивается стабилизация крутизна дискриминационной характеристики чувствительного элемента устройства при обработке входных сигналов с изменяющейся интенсивностью в широком динамическом диапазоне.

Сигнал ошибки с выхода коррелятора 8 поступает на вход блок управления 5. Напряжение на выходе блок управления 5 не зависит от мощности входного сигнала цели, т.к. напряжение сигнала ошибки на выходе коррелятора 8 не зависит от мощности входного сигнала.

Напряжение с выхода блока управления 5 поступает на вход генератора частот слежения 6, для устранения рассогласования по частоте между центральной частотой сигнала и измеренным значением допплеровской частоты, и на выход измерителя доплеровской частоты сигнала, например, в качестве аналога измеренной допплеровской частоты и, если это необходимо, в качестве аналога измеренной радиальной скорости движения цели.

Так как выходное напряжение блок управления 5 не зависит от величины мощности входного сигнала, то и информация, поступающая на выход измерителя доплеровской частоты сигнала, не зависит от величины мощности входного сигнала, вследствие чего повышается точность измерения величины доплеровской частоты при изменении величины мощности входного сигнала в широком диапазоне.

Предлагаемый измеритель доплеровской частоты сигнала имеет высокую стабильность точности измерения доплеровской частоты сигнала в широком динамическом диапазоне мощности входного сигнала из-за устранения зависимости результата измерения от величины мощности входного сигнала путем введением новых блоков и дополнительных связей между блоками.

Известные устройства измерения доплеровской частоты (и скорости движения цели) следящего типа позволяют измерять с достаточной точностью доплеровскую частоту и скорость движения только нефлюктуирующих в широком динамическом диапазоне мощности входного сигнала, когда спектр входного сигнала остается постоянным за время измерения. Особую трудность для этих измерителей доплеровской частоты сигнала и скорости движения цели представляет измерение доплеровской частоты сигнала и скорости движения флюктуирующей цели, когда дисперсия входного сигнала изменяется за время измерения в широком динамическом диапазоне.

Предлагаемый измеритель доплеровской частоты сигнала обладает существенными преимуществами по сравнению с аналогами по стабильности и точности измерения доплеровской частоты сигнала при автоматическом сопровождении сигнала по частоте и измерении ее скорости движения, что особенно наглядно проявляется при измерении скорости движения по доплеровской частоте флюктуирующего по амплитуде сигнала в широком динамическом диапазоне мощности входного сигнала.

При интенсивном развитии современной военной и гражданской техники повышение точности автоматического измерения доплеровской частоты сигнала и скорости движения цели путем сопровождения сигнала цели по частоте является важной задачей при создании радиолокационных комплексов. Это говорит о перспективности применения предлагаемого измерителя доплеровской частоты сигнала в существующих и вновь разрабатываемых радиолокационных комплексах, одной из главных задач которых является непрерывное измерение скорости движения по доплеровской поправке сигнала в широком динамическом диапазоне мощности входного сигнала, а также в доплеровских измерителях скорости и угла сноса, установленных на летательных аппаратах.

Источники информации:

1. Колчинский В.Е., Мандуровский И.А., Константиновский М.И. Автономные доплеровские устройства и системы навигации летательных аппаратов. \ Под редакцией Колчанского В.Е. - Москва, «Советское радио», 1755, стр.234, рис.5.15 (прототип).

2. Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. - М., Энергия, 1972.

3. Дж. Бендат, А.Пирсол. Измерение и анализ случайных процессов. - М., Мир, 1971.

Измеритель доплеровской частоты сигнала, содержащий первую и вторую идентичные цепи частотного стробирования спектра, каждый из которых содержит соответствующие последовательно соединенные смеситель, фильтр нижних частот и амплитудный детектор, причем первые входы смесителей каналов частотного стробирования спектра соединены с входом устройства, а выходы амплитудных детекторов соответствующих цепей частотного стробирования спектра соединены с соответствующими входами блока вычитания, последовательно соединенные блок управления и генератор частот слежения, первый выход которого подключен ко второму входу смесителя первой цепи частотного стробирования спектра, а второй выход подключен ко второму входу смесителя второй цепи частотного стробирования спектра, при этом выход блока управления является выходом устройства, дополнительно содержит последовательно соединенные блок сложения и коррелятор, выход которого подключен к входу блок управления, первый и второй входы блока сложения подключены к выходам амплитудных детекторов соответственно первой и второй цепи частотного стробирования спектра, а выход блока вычитания подключен к второму входу коррелятора.