СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ
POLARISATION CHARACTERISTIC DEFINITION METHOD FOR HIGH FREQUENCY SIGNAL PROPAGATION ENVIRONMENT

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения поляризационных характеристик среды распространения высокочастотных (ВЧ) сигналов.
Известен «Многополяризационный способ распознавания воздушных целей» (патент РФ №2139553, G01S 13/30, 1999), заключающийся в излучении последовательности ВЧ-сигналов, имеющих различную поляризацию (линейную, круговую, эллиптическую поляризации различных видов), приеме ортогонально поляризованных составляющих отраженных от цели сигналов на каждой из поляризаций, анализе их амплитуд, накоплении и усреднении полученной информации и формировании на ее основе признака распознавания (поляризационного портрета) цели.
К недостаткам известного способа относится недостаточное быстродействие измерения поляризационных характеристик среды распространения в диапазоне частот из-за необходимости многократного проведения большого количества измерений с использованием множества зондирующих сигналов с разными несущими частотами и последующей их цифровой обработкой.
Известен «Способ измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта (ПМР)» (Д.Б. Канарейкин, М.В. Павлов, В.А. Потехин. Поляризация радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1966, с.118-124, 282-293), заключающийся в одновременном излучении ортогональных по структуре радиосигналов на соответствующих ортогональных поляризациях на разных несущих частотах, приеме ортогонально поляризованных составляющих отраженных от объекта радиосигналов, одинаковые по поляризации составляющие отраженных радиосигналов, принятые каждым приемным каналом, разделяют за счет использования фильтров, настроенных на частоты, соответствующие частотам излученных сигналов, измеряют амплитуды и фазы каждой из выделенных ортогонально поляризованных составляющих отраженных сигналов и получают совокупность результатов измерений, которая определяет измеренное значение ПМР объекта.
К недостаткам известного способа относятся недостаточное быстродействие и трудность реализации данного способа для измерения поляризационных характеристик среды распространения в диапазоне частот (из-за использования большого количества зондирующих сигналов с разными несущими частотами, необходимо иметь столько же приемных каналов, настроенных на эти частоты соответствующими фильтрами). Также неоднозначность измерения поляризационных характеристик среды распространения на каждой частоте, потому что измеренние одной ПМР на двух частотах не характеризует поляризационные свойства среды распространения ни на одной частоте.
Известен «Способ измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта» (патент РФ №2190239, G01S 13/95, G01S 13/04, 2002), выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что в каждом периоде зондирования излучают два сдвинутых во времени ортогональных по структуре радиосигнала на соответствующих ортогональных поляризациях на одной несущей частоте, запоминают начальные фазы излученных радиосигналов, принимают ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов, измеряют параметры радиосигналов, которые характеризуют поляризационную матрицу рассеяния объекта, исключают задержку по времени измерения параметров, которая обусловлена разным временем излучения радиосигналов на разных поляризациях, и получают совокупность результатов, которая определяет измеренное значение поляризационной матрицы рассеяния объекта,
Недостатком известного способа является недостаточное быстродействие измерения поляризационных характеристик среды распространения в диапазоне частот, из-за использования большого количества зондирующих сигналов с разными несущими частотами.
В основу изобретения положена задача создать способ измерения поляризационных характеристик среды распространения в ВЧ-диапазоне.
Техническим результатом, при осуществлении заявляемого изобретения является увеличение быстродействия предлагаемого способа.
Технический результат достигается тем, что в каждом периоде зондирования последовательно излучают два сдвинутых во времени, ортогональных по структуре радиосигнала на соответствующих ортогональных поляризациях на одной несущей частоте, принимают ортогонально поляризованные составляющие радиосигналов, переносят на промежуточную частоту и усиливают ортогонально поляризованные составляющие радиосигналов, согласно изобретению два сдвинутых во времени, ортогональных по структуре радиосигнала после излучения передающей антенной проходят среду распространения между передающей и приемной антеннами, после приема, переноса на промежуточную частоту и усиления ортогонально поляризованные составляющие радиосигналов преобразуют в цифровую форму, применяют быстрое преобразование Фурье, получают комплексные спектры ортогонально поляризованных составляющих радиосигналов, делят комплексные спектры ортогонально поляризованных составляющих радиосигналов на комплексный спектр соответствующего излученного радиосигнала, тем самым определяют элементы матрицы Джонса для каждого частотного отсчета, которые характеризуют поляризационные характеристики среды распространения ВЧ-сигналов в диапазоне частот, определяемом шириной спектра излученного радиосигнала.
x1
y1
Технический результат достигается благодаря тому, что в каждом периоде зондирования среду распространения облучают двумя сдвинутыми во времени, ортогональными по структуре радиосигналами на соответствующих ортогональных поляризациях и на одной несущей частоте: S(t) - радиосигнал с горизонтальной поляризацией, S(t) - радиосигнал с вертикальной поляризацией.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественным всем признакам заявляемого «Способа определения поляризационных характеристик среды распространения высокочастотных сигналов», - отсутствуют. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна».
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенных признаков заявляемого изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемый «Способ определения поляризационных характеристик среды распространения высокочастотных сигналов» соответствует «изобретательскому уровню».
Сущность способа поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена структурная схема устройства, позволяющая реализовать предлагаемый способ.
Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, формирователь радиосигналов 2, коммутатор каналов 3 и двухканальную по поляризации антенну 4, второй вход которой соединен со вторым выходом коммутатора каналов 3, второй вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора 1. Выходы приемной антенны горизонтальной поляризации 5, приемной антенны вертикальной поляризации 6, приемной антенны 7 подключены к двухканальному спектроанализатору 8, выход которого соединен с входом блока обработки 9, а его выход является выходом устройства. Исследуемая среда распространения 10.
1x
1y
В каждом периоде зондирования синхронизатор 1 вырабатывает старт-импульс, который подают в коммутатор каналов 3. Через коммутатор каналов 3 старт-импульс поступает в один из каналов двухканальной по поляризации антенны 4 в зависимости от поляризационной структуры первого зондирующего среду распространения радиосигнала, вырабатываемого формирователем радиосигналов 2. После излучения старт-импульса двухканальной по поляризации антенной 4 с первого выхода синхронизатора 1 на вход формирователя радиосигналов 2 поступает пара сдвинутых во времени синхронизирующих импульсов. Формирователь радиосигналов 2 по паре сдвинутых во времени синхронизирующих импульсов вырабатывает два сдвинутых во времени и ортогональных по структуре радиосигнала S(t) и S(t). В качестве ортогональных радиосигналов могут быть использованы два ступенчато частотно-модулированных (СЧМ) сигнала. Импульсы синхронизатора 1, поступающие на вход формирователя радиосигналов 2, обеспечивают его синхронную работу с коммутатором каналов 3.
В каждом периоде зондирования коммутатор каналов 3 по импульсам, поступающим на его первый вход со второго выхода синхронизатора 1, подключает выходные радиосигналы формирователя радиосигналов 2 к соответствующим ортогональным по поляризации каналам двухканальной по поляризации антенны 4, которая излучает их в среду распространения 10.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>1</mn><mi>x</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>1</mn><mi>y</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Комплексные спектры излученных двухканальной по поляризации антенной 4 радиосигналов
и
заранее известны, и информация о них находится в блоке обработке 9.
Поляризационные характеристики среды распространения в диапазоне частот характеризуются матрицами Джонса 2×2 на соответствующих частотных отсчетах комплексных спектров излученных ортогональных по структуре радиосигналов [1]:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>M</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>21</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>22</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
.
Старт-импульс, прошедший среду распространения, поступает на вход приемной антенны 7, с выхода которой поступает на третий вход двухканального спектроанализатора 8 и запускает его.
1x
1y
2x
2y
1x
2x
2y
1x
x
x
y
y
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>x</mi></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>x</mi></msup></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>y</mi></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>x</mi></msup></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>x</mi></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>y</mi></msup></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>y</mi></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>x</mi></msup></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>x</mi></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>x</mi></msup></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>y</mi></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>x</mi></msup></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>x</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
После прохождения среды распространения 10 поляризационная структура сигналов S(t) и S(t) изменяется. Приемная антенна горизонтальной поляризации 5 и приемная антенна вертикальной поляризации 6 последовательно принимают ортогонально поляризованные составляющие радиосигналов после прохождения среды распространения 10: S(t) и S(t) - ортогонально поляризованные составляющие радиосигнала S(t), S(t), и S(t) - ортогонально поляризованные составляющие радиосигнала S(t). Ортогонально поляризованные составляющие радиосигналов подают на вход двухканального спектроанализатора 8, где их переносят на промежуточную частоту, усиливают, преобразуют в цифровую форму, подвергают операции быстрого преобразования Фурье, в результате чего на выходе двухканального спектроанализатора 8 получают сигналы комплексных спектров ортогонально поляризованных составляющих радиосигналов
,
,
,
, которые подают на вход блока обработки 9, где комплексные спектры ортогонально поляризованных составляющих радиосигналов, прошедших среду распространения 10, например
,
, делят на комплексный спектр излученного радиосигнала, например
, в результате определяют элементы матрицы Джонса на каждом частотном отсчете:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>x</mi></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>x</mi></msup></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>x</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>x</mi></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>y</mi></msup></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>y</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>21</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>y</mi></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>x</mi></msup></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>x</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>22</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>2</mn><mi>y</mi></mrow></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>y</mi></msup></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>y</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
.
Сформированное множество матриц Джонса, элементы которых определяют в блоке обработки 9, характеризует поляризационные характеристики среды распространения ВЧ-сигналов в частотном диапазоне, который определяется шириной спектра излученных радиосигналов, и выдается потребителю.
Как видно из вышеизложенного, быстродействие достигается за счет использования широкополосных сигналов, что позволяет проводить всего один цикл измерений для определения поляризационных свойств среды распространения в частотном диапазоне.
Предлагаемый способ позволяет оперативно получать информацию о поляризационных свойствах среды распространения ВЧ-сигналов.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата при осуществлении изобретения в силу того, что в каждом периоде зондирования среду распространения облучают двумя сдвинутыми во времени, ортогональными по структуре радиосигналами на соответствующих ортогональных поляризациях и на одной несущей частоте.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:
- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных до даты подачи заявки средств;
- действия, воплощающие заявленное изобретение при его осуществлении, способны обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентноспособности «промышленная применимость».
Источники информации
1. O.D. Moskaletz, A.S. Vershinina Polarization transformations of pulse electromagnetic signals / O.D. Moskaletz, A.S. Vershinina // XVI International Conference «Wave electronics and its applications in the information and telecommunication systems». Preliminary program and abstracts, Saint-Petersburg, 2-6 June, 2013.