Приёмо-передающее устройство гомодинного радиолокатора
TRANSCEIVER APPARATUS OF A HOMODYNE RADAR

Область техники. Предлагаемое устройство относится к области радиоэлектроники, в частности, ближней радиолокации и может быть использовано как функциональный узел радиолокаторов для измерения дальностей, скоростей и угловых координат транспортных средств и пешеходов (далее отражателей) в системах контроля дорожного движения и предотвращения столкновений.
Уровень техники. В последние десятилетия системы ближней радиолокации (далее радары) широко применяются как для контроля обстановки на транспортных магистралях, так и в системах охраны объектов. Основным их достоинством является возможность предоставления объективных данных о координатах и скоростях отражателей, находящихся в зоне обзора, в любое время суток и в любых погодных условиях. Жесткие требования к стоимости и массогабаритным характеристикам обусловили широкое применение в этих радарах гомодинных приемо-передающих устройств. Классическим аналогом изобретения является радар непрерывного широкополосного излучения (FMCW) гомодинного типа, когда часть излучаемого модулированного по частоте (ЧМ) зондирующего сигнала (ЗС) поступает в качестве гетеродинного на смеситель приемника (см. Справочник по радиолокации в 4-х томах под ред. Скольника том 3, разделы 4.9-4.10). Радары этого типа, использующие линейную частотную модуляцию (ЛЧМ) ЗС и цифровую обработку гомодинного сигнала, получили широчайшее распространение. Важное качество FMCW радаров - возможность контроля пространства на минимальных дальностях отражателей (ближняя зона) - сопровождается недостатком, характерным для всех радиолокационных систем, использующих непрерывный излучаемый сигнал. Это снижение чувствительности приемников вследствие воздействия амплитудных (AM) шумов излучаемого сигнала, неизбежно попадающего в приемный тракт радиолокатора из-за неидеальной изоляции приемных каналов от проникновения шумов зондирующего сигнала. Этот эффект приводит к снижению потенциала и ограничению предельной дальности радара «ближней зоной». Он устраняется применением квазинепрерывного импульсного (КНИ) FMiCW излучаемого сигнала, формируемого импульсной модуляцией сигнала FMCW. Повышение потенциала этих радаров в «дальней зоне» достигается тем, что излучаемый сигнал модулируется импульсами, а прием слабых отраженных сигналов ведется во временном интервале между импульсами излучения, где шумы излучаемого сигнала отсутствуют. Пример - патент США WO 2008048318 A2, также являющийся аналогом настоящего изобретения. Преимущество этого и других подобных решений - возможность работы в «дальней зоне» - сопровождается неизбежным для импульсных систем недостатком - затруднением приема сигналов отражателей - в «ближней зоне». Настоящее изобретение решает задачу расширения интервала измеряемых дальностей гомодинного радара поочередным применением в едином устройстве режимов FMCW при работе в ближней и, соответственно, FMiCW в дальних зонах измеряемых дальностей. Ближайшим аналогом и прототипом настоящего изобретения является приемо-передающее устройство FMCW радиолокатора с корреляционной обработкой гомодинного сигнала (статья «Некоторые возможности корреляционной обработки сигнала гомодинного радиолокатора с непрерывным частотно-модулированным излучением», Известия ВУЗов. Радиофизика, том XLVIH, №10-11,2005, стр. 869-875, рис 2). Радар использует непрерывный модулированный по фазе излучаемый сигнал и содержит соединенные микроволновыми входами и выходами антенно-фидерное (АФУ) и приемо-передающее (ППУ) устройства. ППУ содержит соединенный с АФУ источник зондирующего модулированного процессором по фазе сигнала (далее генератор ФМ сигнала) и приемный канал, включающий смеситель, подключенный входами к генератору и выходу АФУ, а выходом через усилитель гомодинного сигнала (ГС) к процессору. Процессор управляет параметрами ППУ и вычисляет двумерные (дальность-скорость) матрицы коэффициентов (функций) корреляции выходного цифрового гомодинного сигнала приемо-передающего устройства и матриц базисных сигналов. По экстремальным значениям коэффициентов обнаруживает отражатели, а по номерам строк и столбцов матриц определяет их дальности и скорости. Поскольку число столбцов и строк матриц, а также размеры их элементов теоретически не ограничиваются, реальные предельные дальности и скорости обнаруживаемых отражателей определяются техническими параметрами системы, в первую очередь - параметрами приемо-передающего устройства.
Раскрытие сущности изобретения. Целью изобретения является создание приемопередающего устройства, являющегося составной частью гомодинного радиолокатора (гибрида FMCW и FMiCW радаров), способного обеспечить поочередное использование двух режимов зондирующего сигнала: непрерывного (для отражателей ближней зоны дальностей) и квазинепрерывного импульсного (для дальней зоны). В предлагаемом изобретении ставится задача устранения указанных выше недостатков прототипа дополнительным использованием режима импульсной модуляции излучаемого сигнала с приемом отраженного сигнала дальней зоны в интервалах времени между импульсами излучения. При этом повышением средней излучаемой мощности может быть повышен потенциал радара, а алгоритмы цифровой обработки принятого сигнала сохраняются, поскольку приемо-передающим устройством устраняется импульсная модуляция гомодинного сигнала на стадии его аналоговой обработки.
Поставленная задача решается совершенствованием приемо-передающего устройства гомодинного радиолокатора, содержащего передающий и приемные каналы, соединенные микроволновыми выходом и входами с антенно-фидерным устройством, а цифровыми входами и выходами с процессором радиолокатора. В подключенный к микроволновому выходу устройства передающий канал, содержащий источник - задающий генератор микроволнового зондирующего сигнала в виде последовательности модулированных по фазе фрагментов (далее генератор ФМ сигнала), процессор-контроллер, связанный с входом управления фазой генератора и с процессором радиолокатора, и делитель мощности, подключенный входом к выходу генератора, а одним из выходов - к микроволновому выходу устройства, включены, согласно изобретению, дополнительно импульсный модулятор и усилитель мощности, связанные цепями регулирования режима импульсной модуляции и уровня выходной мощности с процессором-контроллером. При этом в каждый приемный канал, связанный с одним из микроволновых входов устройства, содержащий последовательно включенные смеситель, соединенный входом с микроволновым входом устройства и соответствующим выходом делителя мощности, усилитель гомодинного сигнала и аналого-цифровой преобразователь, связанный с цифровым выходом устройства, дополнительно включен, согласно изобретению, между выходом смесителя и усилителем гомодинного сигнала гомодинный фильтр, подавляющий спектральные составляющие выходного сигнала смесителя, превышающие частоту среза фильтра, которая устанавливается меньшей частоты импульсной модуляции, но большей максимальной частоты гомодинного сигнала фрагмента, рассчитанной для отражателей с максимальными заданными значениями дальностей и радиальных скоростей. В результате радиолокатор совмещает возможность работы в режиме непрерывного (FMCW) излучаемого сигнала в «ближней» и импульсного (FMiCW) - в «дальней зоне» при сохранении формы выходного гомодинного сигнала и алгоритмов его цифровой обработки.
Далее основные признаки изобретения конкретизуются математическим анализом. Генератором ФМ сигнала, управляемым процессором-контроллером, формируется зондирующий сигнал (ЗС) в виде фрагмента или последовательности (пакета) N фрагментов с длительностями  модулированных сигналом процессора-контроллера по фазе:
где  - центральная частота зондирующего сигнала;  - задаваемый процессором-контроллером закон изменения фазы (модуляции) n-го фрагмента. Длительности  и законы модуляции фазы  фрагментов в пакете могут отличаться. Функция изменения частоты зондирующего сигнала (частотная модуляция) n-го фрагмента есть производная  а размах частоты фрагмента  - есть разность максимальной и минимальной частот ЗС, определяющий разрешающую способность радара по дальности. Фрагмент (1) усиленный и (при включении импульсного режима) модулированный импульсами по закону  (частота повторения импульсов -  скважность произвольна), излучается передающей антенной (номер фрагмента я далее для простоты опускается):
Сигнал (1) через делитель мощности с ослаблением  подается на гетеродинный вход микроволнового смесителя
Отраженный от множества отражателей и принятый сигнал фрагмента есть сумма задержанных на время  колебаний, модулированных по фазе  и амплитуде  с центральными частотами, изменившимися на величину допплеровского сдвига
k
где -  - ЭДС сигналов «на клеммах» приемной антенн; L - дальность k-го отражателя;  - частота допплеровского сдвига принятого отраженного сигнала,  - радиальная скорость k-го отражателя. Принятые сигналы (3) и выходной сигнал ответвителя (1а) поступают на аналоговый активный элемент микроволнового смесителя (например полупроводниковый диод) генерирующий сигнал  описываемый произведением функций (1a) и (3). Отделив энергетические параметры  определяемые известным из уровня техники основным уравнением дальности радиолокации, получим из (3) нормированную функцию (4) сигнала фрагмента:
которая есть пара слагаемых с суммой (5) и разностью (6) фаз сомножителей (4):
где
Задача классического варианта гетеродинного смесителя - генерация и выделение колебания с разностью входных фаз (6) и подавление составляющей (5) с суммарной частотой (фазой) входных сигналов. Эта функция реализуется различными методами: применением, например, фильтра нижних частот, конструктивно объединенного с смесителем. В итоге этих операций сигнал биений или разностный сигнал (6), сохраняет и фазовую, и импульсную модуляцию. Этот вариант используется, как правило, в аналогах предлагаемого решения. Недостаток - усложнение цифровой обработки сигнала (6). Настоящим изобретением предлагается вариант амплитудной демодуляции импульсного выходного сигнала (6) смесителя, для чего между выходом смесителя и входом усилителя включается дополнительно гомодинный фильтр (ГФ), подавляющий верхние, обусловленные импульсной модуляцией частотные составляющие сигнала (6). Для этого частота среза фильтра  устанавливается существенно меньшей частоты повторения импульсов, но - для сохранения полезной информации - большей максимальной расчетной частоты гомодинного сигнала. При этом используется известный из уровня техники факт, что верхняя частота спектра сигнала (6) при гомодинном приеме возрастает с увеличением скорости и дальности отражателей и при заданной функции ФМ фрагмента легко рассчитывается. Согласно изобретению, импульсный сигнал (6) детектируется смесителем и гомодинным фильтром, а результат - нормированный, непрерывный, усиленный и ограниченный по частоте гомодинный сигнал n-ного фрагмента k-го отражателя, существующий в интервале времени  принимает вид (индексы k и n здесь и далее также опускаются):
Здесь  - время задержки сигнала при максимальной заданной дальности отражателя, а  - длительность соответствующего фрагмента. Очевидно, что в идеале сигнал (7) не имеет импульсной модуляции, а переход приемо-передающего устройства радара от режима непрерывного зондирующего сигнала к квазинепрерывному (импульсному) осуществляется простым включением импульсного модулятора. Здесь не рассматриваются вопросы энергетики и другие особенности первичной обработки квазинепрерывных импульсных сигналов (в частности, защита входных цепей приемника), известные из уровня техники.
m
m
0
0
m
m
D
D
Гомодинный сигнал (7) фрагмента представляет собой сложную комбинацию двух некогерентных колебаний: гармонического с частотой допплеровского сдвига  и широкополосного модуляционного (частота Δω((t.τ))=Δϕ(t.τ)/dt). Его удобно представить как сумму двух ортогональных составляющих cos[ωt-Δϕ] и sin[ωt-Δϕ], модулированных по амплитуде (DSB), соответственно, ортогональными сигналами cos[Δϕ(t.τ)] и sin[Δϕ(t.τ)]:
D
D
Спектр каждого слагаемого (7а) имеет подавленную несущую с частотой  (для частного случая неподвижных отражателей ω=0) и две боковые полосы, сдвинутые (относительно ω) по частоте  Верхняя частота полезной области гомодинного сигнала  равна сумме максимальных частот: модуля частоты допплеровского сдвига  и модуляционной составляющей гомодинного сигнала
Эта величина, определяющая требования к частоте дискретизации АЦП, устанавливает в нашем случае соотношение между частотой среза гомодинного фильтра  и допустимой частотой повторения импульсов зондирующего сигнала
Выходной сигнал устройства есть последовательность фрагментов (7), полученных фильтрацией гомодинным фильтром и усилителем гомодинного сигнала, имеющими суммарную импульсную характеристику  Функция (спектр) выходного сигнала ППУ может быть уточнена вычислением свертки функций  и (7), или произведения спектра сигнала (7) на комплексный коэффициент передачи ГФ и УГЧ. Эта дополнительная операция, как и реализация разрешения отражателей по скорости, определяемая длительностью пакета фрагментов, решается в процессе цифровой обработки выходного сигнала ППУ процессором радиолокатора. Импульсная характеристика ГФ и УГЧ может использоваться для выполнения дополнительных операций аналоговой обработки гомодинного сигнала (например, его дифференцирования).
Основной вариант функциональной (структурной) схемы приемо-передающего устройства показан на фигуре. Передающий канал устройства, содержит последовательно включенные генератор ФМ зондирующего сигнала 1, делитель мощности 2, импульсный модулятор 3, соединенный с одним из выходов делителя мощности и способный поддерживать режим непрерывного излучения, и усилитель мощности 4, соединенный с выходом ППУ и (через него) с соответствующим входом антенно-фидерного устройства радара. Каждый из приемных каналов устройства (а, b и т.д.) связан входом с соответствующим выходом антенно-фидерного устройства радара и содержит включенные последовательно, смесители 5 (5a, 5b), соединенные с соответствующими выходами делителя мощности 2, гомодинный фильтр 6 (6a, 6b), усилитель гомодинного сигнала (УГС) 7 (7a, 7b) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8 (8a, 8b), связанный с процессором радиолокатора. Процессор-контроллер 9 соединен аналоговыми или цифровыми линиями связи и управления параметрами передающего канала с генератором ФМ сигнала 1, импульсным модулятором 3 и усилителем мощности 4, а входом управления режимами ППУ через цифровой вход-выход с процессором радиолокатора. Если функции процессора-контроллера 9 дополнены, например, управлением параметрами УГС 7 или гомодинного фильтра 6, его связывают с ними дополнительными цепями. Основной вариант структурной схемы обеспечивает работу ППУ в режиме непрерывного излучаемого сигнала и возможность увеличение потенциала радара в импульсном режиме, а также измерение угловой координаты отражателя по разности фаз сигналов в двух приемных каналах. Допустимо, в рамках изобретения и известных решений из уровня техники, объединение функций отдельных узлов устройства (например, усилителя мощности и импульсного модулятора, усилителя гомодинного сигнала и гомодинного фильтра). Целесообразно также включение в приемные каналы входных малошумящих усилителей (либо в виде отдельного узла, либо в составе АФУ или ППУ). При повышенных уровнях мощности излучаемого сигнала состав ППУ может быть дополнен известными из уровня техники средствами защиты приемных каналов (например, ограничители мощности или ключевые устройства). Генератор сигнала 1 может быть выполнен, например, и по простейшей схеме (генератор, управляемый напряжением АЦП процессора-контроллера), и путем прямого цифрового синтеза ФМ сигнала.
m
max
m
m
max
Осуществление изобретения. Функционирование устройства реализуется следующим образом. Процессор-контроллер 9 по программе процессора радара или команде оператора, задает, исходя из заданных значений разрешающей способности по дальности и предельной дальности отражателей, длительность  и функцию (1) модуляции фазы  и (в импульсном режиме) форму импульсной модуляции каждого (n-го) фрагмента зондирующего сигнала. Закон изменения фазы  может быть отрезком линейной, нелинейной (например, гармонической) или случайной функции. Он либо генерируется процессором радиолокатора, либо хранится в его базе данных. Выбор параметров КНИ режима (частота модуляции, форма импульса, скважность) в рамках указанного (9) ограничения определяется техническими требованиями к радиолокатору. При конструировании ППУ радиолокатора на основе выбора  фрагмента вычисляют модуляционную составляющую фазы Δϕ(t.τ)=ϕ(t)-ϕ(τ-τ), а также частоту модуляционной составляющей ГС  где  и определяют ее максимум  Сумма частот модуляционной и модуля допплеровской составляющих ГС  определяет максимальную полезную область спектра ГС и, следовательно, минимальную частоту среза гомодинного фильтра  Принципы способа корреляционной обработки гомодинного сигнала системы-прототипа позволяют регулировать в определенных пределах  и  каждого фрагмента путем выбора  и изменения размеров элементов основной матрицы базисных сигналов (ΔL, ΔV), оставляя неизменными (подбором размеров матрицы) заданные значения предельных дальностей и радиальных скоростей отражателей.
Зондирующий непрерывный микроволновый сигнал фрагмента (1), фаза которого модулирована по закону  формируемый в передающем канале ППУ генератором 1, направляется на вход делителя мощности 2, который подает часть мощности ЗС на вход двухрежимного (импульсный или непрерывный выходной сигнал) модулятора 3. Сигналы управления режимом ППУ модулятор получает от процессора-контроллера ППУ 9, который изменяет соответственно режимы генератора ФМ 1, импульсного модулятора 3 и усилителя мощности 4. Импульсный (2) или непрерывный (1) сигнал с выхода модулятора 3 поступает на вход усилителя мощности 4. Выходной сигнал с выхода усилителя 4 ППУ, средняя мощность которого, управляемая процессором-контроллером, в импульсном режиме может быть больше, чем в непрерывном, подается на вход антенно-фидерного устройства (АФУ) и излучается в пространство. Принятые отраженные сигналы с выходов АФУ поступают на входы смесителей приемных каналов 5 ППУ. Поскольку число их, как правило больше единицы, они обозначены индексами (5а, 5b). Смесители получают на вторые входы непрерывный гетеродинный сигнал (1а) с соответствующих выходов делителя мощности 2 передающего канала. Из полученного в результате преобразования выходного колебания (6) смесителя 5 каждого канала гетеродинный фильтр 6, выделяет гомодинный сигнал (7, 7a). Частота среза  гомодинного фильтра должна соответствовать условиям (9) и (8), что гарантирует подавление лишних, превышающих  высокочастотных составляющих ГС. Он поступает далее на вход усилителя ГС 7, а с его выхода - на аналого-цифровой преобразователь 8. Процессор-контроллер 9 получает сигналы процессора радара и передает генератору ФМ, импульсному генератору, усилителю мощности команды на выбор режимов. АЦП 8 доставляют процессору радара выходные фрагменты ГС каналов в цифровом формате. Для реализации требуемых значений разрешения отражателей по скорости длительность одного фрагмента, как правило, недостаточна, процессор радара использует последовательность фрагментов.
Технические решения, предлагаемые настоящим изобретением, реализуют в ППУ с непрерывным и импульсным (КНИ) излучаемым сигналом первый этап согласованной фильтрации (оптимальной обработки) отраженного принятого сигнала в любом диапазоне радиочастот, в том числе субмиллиметровом. Набор функциональных узлов ППУ, представленного на фигуре, есть актуальный вариант устройства, который в радарах различного назначения обеспечивает измерение дальности, скорости и одной угловой координаты отражателя. Расширение задач радара может потребовать увеличения числа узлов ППУ при сохранении структурных решений. Естественно, что предложенная структура и алгоритмы ППУ могут быть применены и в чисто импульсных радарах, если работа в «ближней зоне» не предусматривается.
Группы приемо-передающих устройств могут входить в состав сложных радиолокационных комплексов. Это, например, моноимпульсные радары, радары MIMO и т.д. При этом функции некоторых узлов ППУ, например, процессора-контроллера, могут передаваться узлам радара. Функция выходных сигналов гомодинных фильтров, и, следовательно, выходных сигналов ППУ существенно не изменяется при переходе от непрерывного режима излучения к импульсному, что и является задачей изобретения.