Радиолокационная станция пространственного кодирования MIMO

Полезная модель относится к технике измерения расстояния или относительной скорости объекта, и, в частности, к устройству для точного измерения расстояния и/или относительной скорости с быстрым откликом, независимо от дистанции до объекта.
Из существующего уровня техники известно устройство из патента США 20160131752 "MIMO Radar system" [1]. Обнаружение объектов осуществляется при помощи радара с массивом приемных и передающих элементов MIMO. Недостатком такого решения является использование FMCW сигнала, что снижает точность на больших дистанциях, причиной этому является особенность работы приемника, а именно длительность передаваемого сигнала Т, которая существенно превышает требуемое время приема для установленного диапазона измерения расстояния, за это время объект может изменить свое местоположение. Также значительно увеличиваются технические требования и стоимость передатчика и приемника так, как FMCW радар изменяет свою рабочую частоту во время измерений.
Известна система CW радара из патента США 10451723 "Signal processing apparatus of a continuous wave (cw) radar sensing system" [2]. Обнаружение объектов осуществляется при помощи радара, генерирующего непрерывный высокочастотный сигнал. Недостатком такого решения является использование двух антенн, одна из которых используется для передачи, а другая для приема.
Прототипом технического решения является устройство радиолокационного обнаружения по патенту США 20150285897 "Hybrid radar system combining FMCW radar and pulsed radar" [3]. Устройство представляет собой радар гибридного типа, совмещающий в себе радар с частотно-модулированным непрерывным сигналом и импульсный радар. Техническим результатом данного решения является возможность объединения преимуществ каждого из типов радарных систем: за счет применения FMCW радара обеспечивается высококачественное радиолокационное обнаружение объектов на небольших расстояниях, а с помощью импульсного радара становится возможным выполнение этих же функций для большей дальности. Это достигается за счет поочередного применения обоих типов радаров к отслеживаемому сектору. Недостатками устройства являются техническая сложность, высокие требования к стабильности системы, дороговизна исполнения.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности определения расстояния и скорости движущегося объекта.
Указанный результат достигается с помощью использования в радиолокационной станции пространственного кодирования MIMO за счет использования схожих с прототипом блоков двух генераторов первичных сигналов, сумматора, массива передающих антенн, массива приемных антенн, мультиплексоров, блоков быстрого преобразования Фурье, блока, определяющего пиковые значения сформированного сигнала, блока вычисления расстояния и скорости определяемого объекта, отличием от прототипа является наличие блока синхронизации, реализующего технологию MIMO и массива из N>2 антенн, работающих как на передачу, так и на прием.
Устройство реализует функции Dual CW радара на основе технологии MIMO. Это достигается за счет преимуществ Dual CW перед частотно-модулированным сигналом, а именно наличия более четкого спектра, что положительно влияет на точность обнаружения и снижение требований к минимальной скорости объекта, при которой он будет обнаружен. Также с помощью MIMO можно добиться снижения влияния канальных помех благодаря использованию нескольких излучаемых сигналов.
Структурная схема предлагаемой радиолокационной станции представлена на Фиг. 1, в соответствии с которой радиолокационная система с MIMO содержит:
1 - генератор первичного сигнала;
2 - сумматор;
3 - блок синхронизации;
4 - массив передающих антенн;
5 - массив приемных антенн;
6 - мультиплексор;
7 - блок быстрого преобразования Фурье;
8 - блок, определяющий пиковые значения принятого сигнала;
9 - блок, вычисляющий скорость и расстояние объекта по максимальным значениям принятого сигнала.
В предлагаемом решении содержится приемник и передатчик. Процесс работы радиолокационной станции происходит следующим образом: формируется два CW сигнала, одинаковых по модулю, но имеющих разный знак. Затем сигналы подаются на сумматор. После следует блок синхронизации, необходимый для реализации технологии MIMO: он компенсирует рассинхронизацию между генераторами первичных сигналов. Затем, обработанные сигналы передаются с помощью нескольких антенн. При движении объекта в отслеживаемом секторе, излучаемый сигнал отражается от него и попадает на приемные антенны. Затем, отраженный сигнал по отдельности перемножается с каждым из первичных и подается на блок, выполняющий быстрое преобразование Фурье. Оба обработанных сигнала подаются в мультиплексор, где осуществляется их перемножение. Далее производится нахождение максимального значения сформированного сигнала. По пиковым значениям происходит оценка фазового сдвига, на основе которой вычисляется дистанция и скорость цели.
Конкретный пример реализации MIMO радиолокационной станции:
в качестве приемопередающего устройства выступает программируемая логическая интегральная схема USRP-2943R;
для передачи используются антенны направленного излучения, поддерживающие частоты от 850 до 6,5 ГГц;
для приема используется антенны всенаправленного излучения с диапазоном частот от 1200 до 8 ГГц;
при частотах сигнала 2,45 ГГц, 3 ГГц, 4 ГГц радиолокационная станция выполняла свои функции с радиусом 750 м, были зафиксированы передвижения людей и автомобилей с минимальным откликом системы, 1 с.
В результате была получена радиолокационная система пространственного кодирования MIMO, выполняющая функции охранной РЛС с радиусом 750 м, выполненная на базе ПЛИС USRP2943r, с рабочей частотой от 2,45 ГГц до 4 ГГц.
Источники информации
1. Патент США 9541638.
2. Патент США 10451723.
3. Патент США 2015028597 - прототип.