Способ параллельного формирования характеристики направленности линейной антенны
Способ параллельного формирования характеристик направленности линейной антенны предназначен для использования при обработке пространственно-временных сигналов, прежде всего гидроакустических. Техническим результатом изобретения является повышение точности формирования характеристик направленности линейной антенны при осуществлении спектрального анализа сигналов в широкой полосе частот. Достижение технического результата заключается в формировании сигналов антенны в виде двумерного информационного массива в координатах временные отсчеты - номер элемента антенны и выполнении последовательности операций: операции параллельного преобразования Фурье по временной координате, поэлементного умножения полученного результата на первую двумерную функцию, операции параллельного преобразования Фурье по пространственной координате с последующим поэлементным умножением на вторую двумерную функцию и операции обратного Фурье-преобразования по пространственной координате, при этом осуществляется спектральный анализ сигналов в широкой полосе частот как в дальней, так и в ближней зонах антенны. Первая и вторая двумерные функции определяют параметры формирования характеристик направленности и учитывают геометрию антенны и характеристики сигнала, включая дальность до цели. 3 ил.
Изобретение относится к области обработки сигналов, прежде всего гидроакустических, принимаемых линейными антенными решетками.
Известны способы обработки сигналов антенн, на основе которых реализованы устройства (Активная гидроакустическая станция по патенту US 5544128 А от 06.08.96, G 01 S 15/00, Активная гидроакустическая станция по патенту JP 6019431 от 16.03.94, G 01 S 15/06, Радиооптическая антенная решетка, описанная в книге "Радиооптические антенные решетки", Д.И. Воскресенский, А.Ю. Гринев, Е.Н. Воронин. М.: Радио и связь, 1986, стр. 18, рис. 1.3). Недостатком устройства по патенту US 5544128 А является то, что заложенный в его основу способ обработки сигналов на основе формирования характеристик направленности и спектрального анализа предполагает формирование только двух характеристик направленности, что ограничивает поле обзора пространства. Недостатком устройства по патенту JP 6019431 является то, что заложенный в его основу способ обработки сигналов на основе записи сигналов элементов антенны в ОЗУ и суммировании отсчетов сигналов с помощью каскада сумматоров предъявляет высокие требования к цифровой системе обработки вследствие большого числа требуемых операций обращения к памяти и вычислений, что приводит к снижению точности формирования характеристик направленности вследствие ограничений на информационную емкость исходного массива информации. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ, заложенный в основу функционирования Радиооптической антенной решетки для параллельного формирования характеристик направленности линейной антенны ("Радиооптические антенные решетки", Д.И. Воскресенский, А.Ю. Гринев, Е.Н. Воронин. М.: Радио и связь, 1986, стр. 18, рис. 1.3), который заключается в формировании сигналов антенны в виде двумерного информационного массива в координатах "время - номер элемента антенны" путем развертки сигналов в пространстве с помощью многоканального акустооптического модулятора света и последовательно выполняемых операций параллельного преобразования Фурье по временной координате и параллельного преобразования Фурье по пространственной координате путем освещения модулятора когерентным светом, проходящим через модулятор и оптическую систему. Недостатками указанного способа являются недостаточная точность формирования характеристик направленности при обработке сигналов в широкой полосе частот, понижающаяся с уменьшением частоты сигнала и связанная с представлением пространственно-временного спектра, как результата операций Фурье-преобразований, в радиальной системе координат, когда для фиксированного угла прихода сигнала спектральные компоненты сигнала расположены вдоль линии, соединяющей начало координат выходного массива данных и точку, соответствующую верхней временной частоте и пространственной частоте для данного угла прихода, при этом масштаб пространственного спектра и число отсчетов сигнала уменьшаются с уменьшением временной частоты сигналов, а также невозможность использования указанного способа при обработке сигналов, пришедших из ближней зоны антенны. Задачей заявляемого способа является повышение точности формирования характеристик направленности линейной антенны при осуществлении спектрального анализа сигналов в широкой полосе частот в дальней и ближней зонах, достигаемой за счет увеличения числа отсчетов по координате пространственного спектра в области низких временных частот. Для решения указанной задачи между преобразованиями Фурье по временной координате и преобразованием Фурье по пространственной координате введены операция поэлементного умножения на первую двумерную функцию и последовательно выполняемые после операции Фурье-преобразования по пространственной координате операция поэлементного умножения на вторую двумерную функцию и операция обратного Фурье-преобразования по пространственной координате, при этом первая двумерная функция имеет вид![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658807.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/951.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/951.gif)
Позиция 1 - формирователь двумерного информационного массива обрабатываемого сигнала антенны;
Позиция 2 - БПФm - устройство одномерного быстрого преобразования Фурье (БПФ) по временной координате;
Позиция 3 - умножитель первой двумерной функции на выходной сигнал БПФm;
Позиция 4 - БПФn - устройство БПФ по пространственной координате;
Позиция 5 - умножитель второй двумерной функции на выходной сигнал БПФn;
Позиция 6 - ОБПФр - устройство обратного БПФ по пространственной координате;
s(m, n) - двумерный информационный массив входного сигнала в координатах временные отсчеты (m=1:М) - номера элементов антенны (n=-N/2+1: N/2);
F1(k, n), F2(k, n) - первая и вторая двумерные функции соответственно;
.X - операция поэлементного перемножения матриц;
Sвых(k, рв) - выходной сигнал в координатах временной спектр (k=1:M1) - номер характеристики направленности (пространственная частота на верхней частоте). На фиг. 2 представлено отображение результата моделирования алгоритма обработки для входного сигнала, являющегося смесью гармонического сигнала и пространственно-коррелированного шумового сигнала. На фиг. 3 представлено отображение результата моделирования алгоритма обработки двух гармонических сигналов в ближней зоне с учетом дистанции до цели. Рассмотрим принцип работы заявленного изобретения. Сигнал sвх(t)c выхода линейной антенны формируется в виде двумерного информационного массива, (позиция 1, фиг.1), в координатах временные отсчеты - номер элемента антенны и для случая гармонического сигнала имеет вид
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658808.gif)
где S(ko) - амплитуда сигнала на временной частоте ko,
М - число временных отсчетов,
N - число элементов антены,
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658809.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658810.gif)
fo - частота сигнала;
fв - верхняя частота;
fg - частота дискретизации;
qo - пространственная частота для угла прихода сигнала
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/920.gif)
d - расстояние между элементами антенны, причем
d =
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/946.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658811.gif)
В результате операции преобразования Фурье по времени, (позиция 2 на фиг.1), получаем двумерный сигнал, имеющий вид
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658812.gif)
Рассмотрим принцип преобразований для случая обработки сигналов в дальней зоне, при этом в выражении для первой двумерной функции параметр
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658813.gif)
где Sc(k, n) - определена в формуле (5),
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658814.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658815.gif)
Операции Фурье-преобразования по пространственной координате, (позиция 4 на фиг.1), умножения на функцию, соответствующую второму фильтру, (позиция 5 на фиг.1), и обратного Фурье-преобразования по пространственной координате, (позиция 6 на фиг. 1), в соответствии с теоремой о свертке эквивалентны операции свертки сигнала (6) и функции F2t = exp(j2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/951.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658816.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658817.gif)
и соответствует вееру характеристик направленности антенны, сформированному для всех временных частот k одновременно. После несложных преобразований сигнал (7) можно представить в виде
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658818.gif)
В случае согласования угла прихода сигнала
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/920.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658819.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658820.gif)
В указанной точке наблюдения nl0 мы получаем усиленный в N раз сигнал, соответствующий результату формирования характеристики направленности антенны.
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658821.gif)
Заметим, что преобразования сигналов предлагаемым способом осуществляются одновременно для всех пространственных каналов наблюдения (характеристик направленности) и параллельно для всех временных частот входного сигнала. Рассмотрим преобразования сигнала, пришедшего из ближней зоны антенны. При этом входной сигнал имеет вид
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658822.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658823.gif)
а его временной спектр на выходе операции Фурье-преобразования по временной координате, (позиция 1 на фиг.1), определен выражением
SБЗ(k,n) = Sc(k,n1)exp(j2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
где Sc(k, n1) определено выражением (5). После умножения сигнала (12), (позиция 2 на фиг.1), на функцию, соответствующую первому фильтру с учетом ближней зоны антенны, определенную выражением
F1(k,n) = exp(-j2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/951.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
получаем компенсацию квадратичного фазового множителя, связанного с приходом сигнала из ближней зоны. Дальнейшие операции для осуществления параллельного формирования характеристик направленности совпадают с операциями обработки, рассмотренными выше для сигнала из дальней зоны. Предлагаемый способ формирования характеристик направленности при осуществлении спектрального анализа сигналов в широкой полосе частот может быть также использован при обработке принимаемых сложных сигналов в режиме гидролокации. В этом случае сложный сигнал, являющийся суммой взвешенных гармонических сигналов, после операции Фурье-преобразования по временной координате имеет вид:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658824.gif)
где Sc(k) - временной спектр сложного сигнала. После операции умножения сигнала (14), (позиция 2 на фиг.1), на функцию, соответствующую первому фильтру и имеющую вид
F1 = exp(-j2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/951.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
и последовательности операций, определенных позициями 3, 4, 5 и 6 на фиг.1, обеспечивается формирование пространственных каналов наблюдения как в ближней, так и в дальней зоне антенны, аналогично рассмотренному выше формированию пространственных каналов для гармонических сигналов, при этом временная составляющая сигнала на выходе операции обратного Фурье-преобразования по пространственной координате, (позиция 6 на фиг.1), имеет вид
St(k)=Sc(k)Sф(k). (16)
Последующая операция обратного Фурье-преобразования по временной координате при условии, что функция Sф(k) фильтрации временных частот, входящая в качестве сомножителя в первую двумерную функцию, согласована со спектром принимаемого сложного сигнала, обеспечит сжатие сложного сигнала в короткий корреляционный пик, осуществляя преобразование сигнала (16) к виду
sвых(m,n1)=sс(m,n)*tsф(m), (17)
где sc(m,n) - сложный сигнал на выходе антенны,
*t - операция корреляции по временной координате,
sф(m) - сигнал, согласованный с ожидаемым сложным сигналом. Работоспособность заявленного изобретения может быть доказана путем моделирования алгоритма обработки на ЭВМ. Результаты указанного моделирования представлены на фиг.2, фиг.3. На фиг.2 представлено отображение результата моделирования алгоритма обработки заявляемым способом смеси гармонического сигнала и пространственно-коррелированного шумового сигнала (Входной объем информации составляет: М=1024; N=64; параметры; амплитуда и угол прихода гармонического сигнала соответственно равны 1; и - 40o; амплитуда и угол прихода шумового сигнала соответственно равны 1 и + 20o. Формат выходного сигнала М1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/920.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/920.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
Формула изобретения
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658825.gif)
где k - временная частота;
n - номер элемента антенны;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/951.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658826.gif)
N и M - число элементов антенны и число временных отсчетов соответственно;
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658827.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8706.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658828.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/65/658829.gif)
b - отношение дальности до цели к апертуре антенны;
S(k) - функция фильтрации спектра сигнала,
а вторая двумерная функция F2(k, n) является Фурье-образом по пространственной координате двумерной функции вида
F2t(k,n) = exp(j2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/951.gif)
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3