Приемная фазированная антенная решетка

 

Изобретение относится к гидролокации и может быть использоваться в гидроакустичесги станциях для формирования веера лучей N-элементной фазированной антенной решетки. Цель изобретения - увеличение ширины полосы обработанных сигналов и одновременное формирование веера лучей в заданном секторе углов. Устройство содержит N преобразователей 1. первый 8.1 и второй 8.2 квадратурные каналы формирования луча, каждый из которых содержит блок памяти 13 и накапливающий сумматор 15, последовательно соединенные мультиплексор 9, устройство 10 выборки и энало- ro-цифровой преобразователь 11. цель достигается введением в устройство N комплексных демодуляторов 2,блока 5 управления конвейерной обработкой информации. генератора 6 тактовых импульсов и фазового множителя 7, а в каждый из квадратурных каналов 8 формирования луча - буферного запоминающего устройства 12, блока 14 постоянного запоминающего устройства и буферного регистра 16. 4 ил. 00 С

СОК. 3 СОBEТСкиХ

СОЦИЛ)ИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБДИК (s))g Н 01 Q 3/26

ГОСУДАРСТВЕ)+(ь|Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЬ!ТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ

О 4 >

8uz 1 (21) 4720612/09 (22) 14.07.89 (46) 23.01.92 бюл. йв 3 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. В Д.Калмыкова (72) К.B Филатов

;53) 621.926.677 (0M.8) (56) Патент Японии

М 58-94853, кл. Н 01 0 3/34 1984, Самойлов Л.К. Электронное управление хРсактерист; aMi; направленности антенн. — Л,; удостроен, е, 1987 с. 118-127.

Патент США

M 4166999 кл. G 01 S 3/80, 1979. (5 1 П»"11Е РНАЯ ФА3ИРОВАННАК АНТЕНН . P:- .Ы Е Т КА !

57! )1 о".ре ) ение о-,носится к Гидролокдции и может быть использоваться в гидроакусти.1 х стзнц.;ях для фосм) рования веера лучей И-элементной фазированной антенФ

„„5U „„1707666 А1 ной решетки. Цель изобретения — увеличение ширины полосы обработанных сигналов и одновременное формирование веера лучей в заданном секторе углов. Устройство содержит N преобразователей 1, первый 8.1 и второй 8.2 квадратурные каналы формирования луча, каждый из которых содержит блок памяти 13 и накапливающий сумматор

15, последовательно соединенные мультиплексор 9, устройство 10 выборки и аналого-цифровой преобразователь . .. Цель достигается введением в ус) ройство N комплексных демодуляторов 2, блока 5 управления конвейерной обработкой информации. генератора 6 тактовых импульсов и фаэового множителя 7, а в кам,д и из квадратурных каналов 8 формирования луча — буферного запоминающего устройства 12, блока 14 nvстоянного запоминающего устройства и буферно о регистра 16 4 ил.

1707666

Изобретение относится к гидролокации и может использоваться в гидроакустических станциях для формирования веера лучей N-элементной фазированной антенной решетки (ФАР). Для плоской приемной ФАР может формироваться веер лучей либо в угломестной плоскости (гидролокаторы бокового обзора), либо в азимутальной (панорамные гидролокаторы).

Цель изобретения — увеличение ширины полосы обрабатываемых сигналов и одновременное формирование евера лучей в заданном секторе углов, На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема предлагаемой приемной ФАР; на фиг. 2 — расположение преобРаэователей линейной антенной решетки и характеристики направленности одновременно формируемых лучей; на фиг, 3 и 4— временные диаграммы процессов в различных точках приемной ФАР, Приемная ФАР содержит (фиг, 1) N преобразователей 1, N комплексных демодуляторов 2, управляющие входы которых соединены с входами 3 и 4 первого и второго опорных сигналов соответственно, блок

5 управления конвейерной обг)абсткой инФормац !и, генератор б тактовых импульсов, фазовый множитель 7, первый 8(и второй

8". квадратурные каналы формирования луча, каждый из которых содержит мультиплексор 9, устосйство 10 выборки, аналого-цифровой преобраэова1ель 11, буферное запоминающее устройство (ЗУ) 12, блок 13 памяти, блок 14 постоянного запоминающего устройства, накапливающий сумматор 15 и буферный регистр 16.

Приемная ФАР работает следующим сбразом.

Рассмотрим плоскую прямоугольную приемную (DAP, у которой все зементы по столбцам (или строкам) соединены вместе, Этот случаей соответствует приведению прямоугольной ФАР к линейной. у которой луч может сканировать лишь по одной из двух координат: азимуту или углу места, Плоская волна (фиг. 2) падает на линейную решетку из N преобразователей, которые расположены равномерно по оси х с интервалом 4 (обычно половина длины волны, т.е, А/2), Пусть a — угол падения волны, тогда сигнал, принимаемый i-м преобразователем, будет представлять собой задержанную во времени копию сигнала s(t), принимаемую ()+1)-м преобразователем (предполагается отсутствие других сигналов и шумов), на величину

Ьt = — slna = - sina = (1)

d 1 . sin a с 7с 7Ч где с — скорость звука в воде;

fp — центральная частота спектра принимаемого сигнала, Для приема сигнала, приходящего под

5 углом а (в акустике принят термин — "компенсация антенны в направлении" a), необходимо сформировать сумму! (! («.!! ° -„ а(!(-i(at)e p(- (-(!() (4)

r !

35 где Y(a, t) — комплексная огибающая сигнала на выходе приемной ФАР, скомпенсированной в направлении а.

Используя формулу Эйлера, запишем произведение комплексных функций в выражении (4) в алгебраической форме

О

45 Ait- t(e,Р(-,a.k tl=jkc(t-) ф )4,(1 1ь1))., ((("-, .»о L at - j s и v, L |) Ц (A с (4 ) a t ) cos vр L ь t i

+ >> 1< t (c å " »() tA (t )! Ц)с()б(!»фk at

- А, (t- i ьt п ы. L g t) (5)

Подставляя выражение (5) в формулу (4) и полагая p, = k г»»о Лt,получим

)(! (!,(i — Т 4,(!.(->(at) cow!!,, °

) я р.(- - 1 " Ä) ; Р "() ) ! ! ! с05(,, A(. (t-((-!)at) 5;!!q; )-У,(" 1 )у-.(кФ (6) 55 (и

)(м!(- — : sl(-I -!la!) — $5(1-(-!l-алм).

II;. (H (2)

В гидролокации начальная фаза приходящих сигналов всегда является случайной.

Цифровое формирование характеристик на15 правленности (веера лучей) в этом случае для уменьшения объема используемого оборудования целесообразно выполнять на нулевой частоте с использованием синфазной (косинусно !) и квадратурной (синусной) со20 ставляющих принимаемых сигналов. Чтобы получить алгоритм работы предлагаемой приемной ФАР, перейдем от вещественного s(t) к аналитическому Z(t) сигналу и выделим его комплексную огибающую

25 s(t) Z +t)=A(t)exp@ в t), тогда

s(t-k Лt) Z(t-k At)-X(t-k Ьt)exp(j о»,(t-кЛt)j.

Комплексная огибающая сигнала k-го преобразователя имеет вид

A (t)=A(t-k Л t)exp(-) k Л t). (3)

Подставляя формулу (3) и выражение (2), получим

1 07666

50

Алгоритм (6) описывает работу приемной ФАР, компенсированной в направлении а. Для получения веера лучей, си;лметричнс располаж нных B секторе углов Ю относительно направления а (фиг. 2, центральный луч заштрихован). вместо коэффициентов cos p — 1 и sin р — 1 в аЛГОрИтМЕ (51 СЛЕдуЕт ИСПСеЬЭСВатЬ друГИЕ коэффициенты

5 >(9 (>)-Sin (!i- 1 5»> p 8 (), lm(«2>...- — > м

М К, где M — числа « срмируе>«ых оакавых лучей;

m — номер бокового луча (положительный в правом полусекторе и отрицательный в левом), отсчитанный от центрального луча.

Сигналы с выходов преобразователей 1 приемной ФАР поступают на комплексные демсдулятсры 2 на выходах ка>oрых выделяются синфаэная и квадратурная компоненты сигналов каждого из преобразователей. Иа управляющие входы ксмплек:ныл „">«o;;;, торов с клел м 3 и 4 поступают опор «ые напряжения с частотой, равной центральной частоте сгектра принимаемых сигна loB, и сдвинутые по фазе друг относительно друга на 90 . Син аэные (> асинусные) кампснен-,ы с первых вы."адов комплексных демодуляторов 2 оступают нг 1 в дов аналогового мульти.". еексара 91. а кеадратурные (синусные) кол ганенты с вторых выходов комг>лекс ных демодуляторовв 2 †. а N вход.-.а аналаrавагc м,;ьтиплекссра 92. Да-ее обработка в ква„-раткрных канала.. граиэвадится иден« «чна Ра.смотрим каcинyo÷ûI«канал.

Работа приемной ФАР пояс>-яется временнь>ли диаграмл«ами, приведе.->нь ми на фиг. 3 и 4, на которых для упрощения рисунков принято М-N-4, и цифровые сигналы, представленные кодами, условно показаны переведенными в аналоговую форму, На фиг. 3а показан примерный вид сигнала с выхода первого преобразователя приемной ФАР, на фиг. Зб — д — синфазные компоненты сигналов всех четырех преобразователей. Мультиплексор 9«опрашивает первые выходы N комплексных демодуляторов 2 за время, меньшее, чем интервал То дискретизации квадратурных составляющих

То-2/KaF, (8) где F — ширина полосы используемых сигналов;

Ç0

Кд >2 — коэффициент дискретизации.

Последовательный "опрос" выходов квадратурных демодуляторов приводит к появлению временных задержек Л t между сигналами квадратурных компонент смежных преобразователей ФАР

Лt -Та/(N-1), (9) т.е, реализуется задержка сигналов

A,(t-k Л t) и Q(t-k Л 1), где К=О, 1. 2, 3 (согласно (6)). Далее отрезки реализаци>«, соответствующие сигналам преобразователей 21-24 (фиг. Çe), поступают на устройство

10«выборки, которое управляется импульсами с второго выхода блока 5 управления, следующими также с периодам Л1(фиг. Зж). и осуществляют дискретизацию поступающих на него сигналов и запоминание выборочных значений (фиг. Ja).

Аналого-цифровой преобразователь 111 запускается импульсами, поступающими С третьего выхода блока 5 управления (фиг, 3>«) и к л«сменту окончания этих импульса@ завершает преобразование выборочных значений (фиг. Зз) в цифровые коды. которые с периодом Л 1 (согласна (9)) запоминаются в буферной запом «нающем устройстве 121 емкостью г4 слав. Мультиплe«oop 91 и буферное ЗУ 12 > работают синхронна, так как управляются одной шиной адресов, поступаю цил с пе,ваго выхода бла а 5 управления (фиг. 3>). Иа вход "Считывание/заг «сь" буферна>а ЗУ 121 с четвертого выхода блока 5 управления поступают сигналы эапис; и считывания (ф «г. Зл)

Иа ин-ервале врел>ени (1а. t4) (фиг, 3n) за". >:ь ас,,ес-.ь I»e>- " -, "евыл"" уравнел« сигнала уг,,"авления, Hà i«нт рвале времени (t4, Тц сигнал управления равень "ЕдиницЕ" и производится считыва -!å ин арма„ии из буферна>а ЗУ 121, Сч,«тывание иэ этого ЗУ выполняется со скоростью в И раэ больше, чем запись. поэтому íà I «e;.вале времени (t4, T;, происходит счиыва :I!e кодов выборок, накопленных на интерва-e (to, t4), адреса на этом интервале также изменяются в N раэ чаще (фиг. Зк). На инiål- üàëå времени (t4, To) блок 131 памяти работает в режиме записи, сигнал "Запись/считывание" поступает с пятого вылода блока 5 управления (фиг. 4м запись также осуществляется "нулем"), адреса поступают по шине n(n=log2N) младших разрядов шестого выхода блока 5 управления (фиг. 4н). Таким образом, на интервале (14, To) выполняется перезапись кодов выборок иэ буферного ЗУ 121 в блок 131 памяти, емкость которого также составляет

N слов. На интервале (Tp 1я) буферное ЗУ 121 переводится в режим записи и производит

1707666 запись следующей группы кодов N косинусных составляющих сигналов преобразователей ФАР.

На интервале (То, ts) блок 131 памяти переводится в режим считывания (фиг. 4м) и на этом интервале вся записанная информация (1ч отсчетов) считывается М раз (по числу формируемых лучей), В описываемом примере формируется М-4 лучей из N-4 выборок, в этом случае на адресной шине информация сменяется MN-16 раэ (фиг. 4н, интервал (То, ts)).

Аналогичные процессы происходят и в канале обработки синусных составляющих сигналов преобразователей приемной

ФАР. Таким образом, на выходах блоков 131 (фиг. 4о) и 132 памяти имеем циклически повторяющиеся (М раз) последовательности кодов отсчетов квадратурных составляющих сигналов преобразователей ФАР, соответствующие предыдущие интервалу (to, To) дискретизации.

В гидролокационных антенных решетках число преобразователей N обычно невелико и не превышает нескольких десятков (для строчной" или "столбцов" ФАР), ширина спектра используемых сигналов не превышает нескольких килогерц). B этом случае целесообразно перейти от параллельного выполнения операций алгоритма (6) к последовательному, что дает возможность максимально использовать высокое быстродействие современно% цифровой элементной базы с пропорциональным (числу N) упрощением устройства. На формирование выходных отсчетов квадратурных составляющих одного из лучей отводится время To/Ì. 3а это время выполняются (для одного луча) все операции алгоритма (6).

Операции умножения и сложения в квадратных скобках алгоритма (6) выполняются фазовым множителем 7, который содержит четыре перемножителя, сумматор и вычитатель, На его первый и второй г1колн соответственно поступают циклически повторяющиеся последовательности кодов отсчетов косинусной (фиг. 4о) и синусной составляющи", сигналов преобразователей

ФАР, на третий и четвертый вкоды — коды коэффициентов cos(— I(fTI) (Фиг 4rI) и slrI

1(m) с выходов блоков 141 и 142 постоянного запоминания, которые управляются шиной адресов, поступающих с шестого блока 5 управления (фиг. 4н), Весовые коэффициенты выдвются в таком порядке: N коэффициентов первого луча, затем N коэффициентов второго луча и т.д. В нашем примере косинусные коэффициенты первого луча произвольно выбраны такими: 1, -2, 5

2,-1. второго луча: 2, 1.-1,-2; третьего луча;

-1, 2, 1, -2; четвертого луча: 1, -2. -2, 1 (фиг.

4п), на (И+1)м такте выдаются нули (интервал (t4, То), фиг. 4п).

На фиг, 4р показано частичное произввдение <(I-1)cos р- 1, вы <исленное для отсчетов сигнвлов (фиг. Зз) и выбранных значений коэффициентов всех четырех- лучей. На фиг. 4с показана диаграмма процесса на косинусном выходе фазового множителя 7, на фиг. 4т — на синусном выходе фазового множителя 7, соответствующая выражениям в квадратных скобках алгоритма (6), вычисленная последовательно для всех четырех лучей (в нашем примере) с использованием весовых коэффициентов, определяемых формулами (7).

Коды отсчетов процессов с выходов фазового множителя 7 поступают на вход накапливающих сумматоров 151 косинусного канала и 152 синусного канала, которые реализуют операцию суммирования алгоритма (6). Сложение каждого нового отсчета с уже хранящейся суммой синхронизируется импульсами, поступающими с восьмого выхода блока 5 управления (фиг 4у) на вход

"Запись накапливающего сумматора. После сложения N последовательно поступавших отсчетов содержимое накапливающих сумматоров 15(фиг. 4ф, х) переписывается в буферные регистры 16) фиг. 4ч, щ) импульсов, поступающим на вход "Запись" буферных регистров 16 с седьмого выхода блока 5 управления (фиг. 4ц), а затем накапливающие сумматоры 15 сбрасываются в нуль импульсов сброса (фиг. Зж). поступающим на вход "Сброс" с второго выхода блока 5 управления.

Таким образом. в соответствии с алгоритмом (б) на выходах буферных регистров

16 с точностью до постоянного множителя

1/N сформированы квадратурные составляющие откл;1ка первого луча (интервал времени (tg, tp). фиг, 4ч, щ), затем второго (интервала (тв, tz)), третьего (интервал (тт, та)) и четвертого (интервал (ta,2To)). Последовательная во времени выдача сигналов различных лучей весьма удобна при использовании. например. телевизионных мониторов для отображения гидролокационной информации. В этом случае вдоль строки отображаются выходные сигналы веера лучей, а пауза в выходных сигналах (интервал (То, t>) фиг. 4щ) может использоваться для обратного хода электронного луча индикатора монитора.

Известно, что если луч антенной решетки формируется путем введения временных задержек в сигналы преобразователей, or1707666

1707666

Редактор В.Данко

Заказ 270 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 1О1 т)

1) 1

То 5 4 Е р

Составитель K.Ôèëàòîâ

Техред М.Моргентал Корректор М. Кучерявая