Радиолокационное устройство измерения фазы отраженного сигнала

Авторы патента:

Полезная модель относится к области радиолокационных измерений и может использоваться в радиолокационных станциях с импульсными зондирующими сигналами для измерения фазовых характеристик отражения объектов. Задачей полезной модели является повышение точности и однозначности измерения фазы отраженного объектом сигнала. Решение задачи достигается тем, что в состав устройства-прототипа, состоящего из антенны, усилителя высокой частоты и последовательно соединенных синхронизатора и передатчика, дополнительно включают антенный переключатель, направленный ответвитель, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство, цифровой согласованный фильтр, цифровое устройство определения экстремумов и индикатор с соответствующим изменением межблочных связей. Как следует из описания, предлагаемое устройство отображения видеоинформации имеет преимущество перед прототипом [2], выраженное в том, что кроме самих изображений на конечном изображении воспроизводятся линии уровней одинаковой высоты, что позволяет более строго и точно воспринимать и идентифицировать информацию о взаимном расположении участков местности и находящихся на них объектах. Устройство способно измерять и выводить на экран информацию о фазе нескольких сигналов, отраженных различными объектами на разных дальностях. Способом обработки строго определено место снятия информации о фазе, а именно - в точке максимума пика отклика отраженного сигнала. Использование направленного ответвителя позволяет понижать мощность зондирующих сигналов, также подлежащих обработке, в нужнее число раз выбором соответствующего коэффициента передачи.

Известно радиолокационное устройство измерения фазы отраженного сигнала [1 с.471 рис.7.41], содержащее синхронизатор, связанный своим первым выходом со входом передатчика, первый выход которого связан со входом первой антенны (передающей антенны), а второй выход - со вторым входом когерентного гетеродина, первый вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора, а выход - с вторым входом фазового детектора, первый вход которого подключен к выходу усилителя высокой частоты (УВЧ), соединенного своим входом с выходом второй (приемной) антенны.

Недостатком данного устройства является то, что вследствие нарушения когерентности из-за нестабильности частоты передатчика возникают ошибки измерения фазы отраженного объектом сигнала. К тому же каждый отраженный импульс имеет определенную длительность. Длительность отраженного сигнала определяется не только длительностью исходного зондирующего импульса _и, но и радиальной длиной объекта L. А поскольку объекты имеют различия, то и длительность отраженного сигнала может быть разной. Однако для устройства [1] не оговорено, в какой части отраженного сигнала (импульса) следует измерять фазу. Если же измерять фазу отраженного сигнала во всех точках принятого отраженного сигнала, то не определено, какую из фаз принимать за результирующую фазу отраженного сигнала. Кроме того, использование двух антенн, не обладающих абсолютной идентичностью ведет к дополнительным ошибкам, связанным с несовпадением их фазовых центров. Еще одним недостатком является то, что выходные сигналы передатчика являются мощными и не могут напрямую подаваться на вход когерентного гетеродина. То есть в устройстве не предусмотрено понижение мощности сигналов перед подачей их на вход КГ.

Задачей полезной модели является устранение отмеченных недостатков, то есть повышение точности и однозначности измерения фазы отраженного объектом сигнала.

Решение задачи достигается тем, что в состав радиолокационного устройства [1], состоящего из антенны, УВЧ и последовательно соединенных синхронизатора и передатчика, дополнительно включают антенный переключатель (АП), направленный ответвитель (НО), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство (ЗУ), цифровой согласованный фильтр (ЦСФ), цифровое устройство определения экстремумов (ЦУОЭ) и индикатор. При этом выход передатчика соединяют с входом АП и входом НО, выход которого подключают к выходу УВЧ и входу АЦП, первый и второй выходы которого подключают соответственно к первому и второму входам ЗУ, третий вход которого связывают с выходом синхронизатора, а выход - со входом ЦСФ, выход которого соединяют с входом ЦУОЭ, выход которого подключают ко входу индикатора, вход-выход антенны при этом соединяют с вход-выходом АП, выход которого подключают ко входу УВЧ.

Предложенное построение схемы радиолокационного устройства позволяет повысить точность и однозначность фазовых измерений за счет разложения комплексного отраженного сигнала на две квадратурные составляющие, отслеживания пика отклика согласованного фильтра на отраженный от объекта сигнал и принятия пика отклика за точку измерения фазы отраженного сигнала. Кроме того, использование НО позволяет установить необходимую мощность (амплитуду) зондирующих сигналов для их перевода в цифровую форму и использования впоследствии для когерентной обработки отраженных сигналов. В качестве источника высокостабильных опорных колебаний в данном случае предусмотрено использование кварцевого гетеродина, встроенного в субмодуль АЦП, частота которого может контролироваться и корректироваться цифровым способом.

На чертеже представлена структурная схема радиолокационного устройства измерения фазы отраженного сигнала. В его состав входят синхронизатор 1, передатчик 2, АП 3, ЗУ 4, АЦП 5, УВЧ 6, НО 7, ЦСФ 8, ЦУОЭ 9, индикатор 10 и антенна 11.

Радиолокационное устройство измерения фазы отраженного сигнала работает следующим образом.

Синхронизатор 1 (в качестве которого может использоваться в том числе и импульсный модулятор) запускает передатчик 2, который формирует сверхвысокочастотные импульсы на несущей частоте f₀ и через АП 3 передает их на вход-выход антенны 11, предназначенной для излучения их в пространство в направлении изучаемых (обнаруживаемых, сопровождаемых, распознаваемых, разрешаемых и т.д.) объектов. Отразившись от объекта, радиолокационный сигнал на частоте f₀+f_д (где f_д - доплеровская частота) поступает в антенну 11 и через АП 3 направляется на УВЧ 6, где усиливается на высокой частоте. В качестве передатчика может использоваться любой генерирующий прибор, в том числе магнетрон со случайной начальной фазой в каждом импульсе.

На интервале существования зондирующего сигнала (ЗС) длительностью _и часть его энергии через НО 7 ответвляется в сторону АЦП 5, куда по истечении некоторого времени приходят и отраженные сигналы с выхода УВЧ 6. Направленный ответвитель 7 может представлять собой, к примеру, синфазный НО, крестообразный НО, щелевой мост и пр. Свойства направленного ответвителя (в первую очередь его коэффициент передачи) должны обеспечивать понижение мощности сигналов передатчика до величины, допустимой для нормальной работы субмодуля АЦП 5. Известно, что современные АЦП работают с входными сигналами порядка единиц вольт и даже милливольт.А выходные сигналы передатчика достигают киловольт.

Под субмодулем АЦП 5 подразумевается субмодуль цифрового приема, обработки и преобразования сигналов, содержащий четырнадцатиразрядные быстродействующие АЦП типа ADS, понижающие преобразователи на микросхемах типа DDC (Digital Down Converter), коммутаторы потока отсчетов, кварцевый тактовый генератор, контроллер PCI, разъем интерфейса ADM-Connect (ADM), узел тактирования и синхронизации (SYNC) и другие элементы. Подобные модули сегодня широко известны и выпускаются в настоящее время, например, ЗАО «Инструментальные системы» (г.Москва).

В АЦП 5 зондирующий сигнал разлагается на синусную (Im) и косинусную (Re) составляющие с помощью сдвинутых по фазе на /2 опорных напряжений, вырабатываемых внутренним высокостабильным генератором (кварцевым генератором) субмодуля АЦП. Современные субмодули аналого-цифрового преобразования имеют тактовую частоту до 2 ГГц. А за счет совместного применения нескольких каналов преобразования совокупная тактовая частота может быть увеличена в несколько раз, чего вполне достаточно для проведения операции разложения сигнала на составляющие непосредственно на несущей частоте f₀ с выполнением требований теоремы Котельникова. Примерами современных субмодулей АЦП могут служить такие субмодули как ADMDDC216×250M, ADMDDCWB, ADM216×100M, ADS10×2G, ADM28×1G, ADM28×2G и другие [2, 3], выпускаемые ЗАО «Инструментальные системы».

Квадратурные составляющие оцифрованных сигналов с 1-го и 2-го выходов АЦП 5 поступают соответственно на 1-й и 2-й входы ЗУ 4. Там для каждого периода зондирования проводится запоминание квадратурных составляющих ЗС и принятых реализаций. Для освобождения оперативной машинной памяти от записанной информации и подготовки ее к запоминанию новой информации на третий вход ЗУ 4 в каждом периоде подается синхроимпульс с выхода синхронизатора 1. Переход к новому циклу запоминания осуществляется по переднему фронту синхроимпульса нового периода повторения.

С выхода ЗУ 4 квадратурные составляющие ЗС и принимаемых сигнальных реализаций очередного периода зондирования поступают на вход ЦСФ 8, представляющего собой цифровой блок со специализированным процессором для проведения согласованной фильтрации. Порядок проведения операций с квадратурными составляющими ЗС и обрабатываемых реализаций при согласованной фильтрации сигналов подробно описаны в [4].

В результате согласованной фильтрации, заключающейся в свертке комплексно-сопряженного зондирующего сигнала с принятой реализацией отражений от объектов, на выходе ЦСФ 8 формируются пики откликов согласованного фильтра на отражения от объектов. За счет когерентного сложения составляющих отраженного сигнала формируемые пики откликов становятся более выраженными по амплитуде на фоне шумов, чем исходные принятые отраженные сигналы. Вырастает пропорция между амплитудой сигнала в пике отклика и средним уровнем шума. Пики откликов становятся существенно выше среднего уровня шума, что позволяет применить для обнаружения сигналов от объектов пороговый алгоритм. Уровень порога определяется средним уровнем шума и зависит от свойств приемной системы и качества согласованной обработки сигналов [5-7]. Для определения факта превышения порога в j-м отсчете используются модульные значения реализаций отфильтрованных сигналов j-x отсчетов .

С выхода блока 8 прошедшие фильтрацию сигналы в цифровом виде поступают на вход ЦУОЭ 9, где после пороговой обработки, исключающей все сигналы, не превышающие средний уровень шума, определяются точки максимумов, т.е. пиков откликов отраженных от объектов сигналов. В точках, соответствующих пикам откликов, определяются величины квадратурных составляющих Re(u_j ) и Im(u_j), по значениям которых рассчитываются фазы _j отраженных сигналов с помощью алгоритма определения угла наклона вектора, изображающего комплексное число, к оси абсцисс, пример реализации которого приведен в [8 с.177, рис.9.3].

Вычисленные в блоке 9 значения фаз сигналов, отраженных объектами, с выхода блока 9 поступают на вход индикатора 10, предназначенного для вывода результирующей информации на экран для зрительного восприятия. На экран (дисплей) выводится номер объекта, его дальность и фаза отраженного им сигнала. Запись амплитуд и фаз отраженных сигналов нескольких периодов повторения методом перехода в частотную область с помощью преобразования Фурье может позволить сформировать детальный спектр отраженного сигнала. Положение главной составляющей спектра на оси частот покажет радиальную скорость объекта и может служить основой

Новые элементы схемы, в том числе и ЦСФ и ЦУОЭ, являющиеся специализированными микропроцессорами, широко известны и активно применяются в современных радиолокационных системах.

Как видно из описания, предлагаемое радиолокационное устройство измерения фазы отраженного сигнала имеет существенные преимущества перед прототипом [1]. Устройство способно измерять и выводить на экран информацию о фазе нескольких сигналов, отраженных различными объектами на разных дальностях. А сканирование антенны по азимуту может обеспечить вывод информации с разных азимутальных направлений. Разложение на квадратурные составляющие и цифровая обработка обеспечивают однозначное и более точное измерение фазы отраженного сигнала. Способом обработки строго определено место снятия информации о фазе, а именно - в точке максимума пика отклика отраженного сигнала. Согласованная когерентная обработка, предшествующая измерению, обеспечивает выигрыш в результирующем отношении сигнал/шум и более качественное обнаружение сигнала объекта. Использование направленного ответвителя позволяет понижать мощность ЗС, также подлежащих обработке, в нужнее число раз выбором соответствующего коэффициента передачи. Предложенная схема может быть рекомендована для использования в импульсных радиолокаторах с цифровой обработкой информации, а также в исследовательских радиолокационных системах.

Источники информации

1. Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Сов. радио, 1970. 560 с.

2. http://www.insys.ru/adc/ads10×2g.

3. http://www.insys.ru/subunits/admdac216×400m.

4. Митрофанов Д.Г. Экспериментальные исследования параметров траекторных нестабильностей полета воздушных объектов. Воронеж. НПФ «САКВОЕЕ» ООО. ISBN 978-5-904259-01-3. Сборник докладов XV международной конференции «RLNC-2009». 2009. С.1536-1547.

5. Финкельштейн М.И. Основы радиолокация. Учебник для вузов. М.: солв. Радио, 1973. 496 с.

6. Справочник по радиолокации / Под ред. М.И.Сколника. Пер. с англ. М., Сов. радио, 1967. Том 1. Основы радиолокации. 456 с.

7. Радиоэлектронные системы. Справочник. Основы построения и теория / Под ред. Я.Д.Ширмана. М., Радиотехника, 2007. 510 с.

8. Поляков Д.Б., Круглов И.Ю. Программирование в среде Турбо Паскаль (версия 5.5). Справ. - метод. пособие. М.: Изд. МАИ, 1992. 576 с.

Радиолокационное устройство измерения фазы отраженного сигнала, состоящее из антенны, усилителя высокой частоты, последовательно соединенных синхронизатора и передатчика, отличающееся тем, что дополнительно вводят антенный переключатель, направленный ответвитель, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство, цифровой согласованный фильтр, цифровое устройство определения экстремумов и индикатор, причем выход передатчика соединяют с входом антенного переключателя и входом направленного ответвителя, выход которого подключают к выходу усилителя высокой частоты и входу аналого-цифрового преобразователя, первый и второй выходы которого подключают соответственно к первому и второму входам запоминающего устройства, третий вход которого связывают с выходом синхронизатора, а выход - со входом цифрового согласованного фильтра, выход которого соединяют с входом цифрового устройства определения экстремумов, выход которого подключают ко входу индикатора, а вход-выход антенны при этом соединяют с вход-выходом антенного переключателя, выход которого подключают ко входу усилителя высокой частоты.