Способ одновременных полнополяризационных доплеровских измерений в СВЧ-диапазоне
METHOD FOR SIMULTANEOUS FULL-POLARIZATION DOPPLER MEASUREMENTS IN THE MICROWAVE RANGE

а
Изобретение относится к области радиолокации, предназначено для измерения поляризационных характеристик морского волнения в Х-диапазоне и может использоваться в других диапазонах частот от S до К в ближней радиолокации: в бассейне, с борта судна, вертолета и морской платформы. Знание поляризационных характеристик радарных целей дает дополнительную информацию по определению, идентификации измеряемых объектов и возможность применения новых алгоритмов исследования.
Основными определяемыми величинами при полнополяризационных измерениях являются интенсивность обратно отраженного сигнала, дальность до исследуемого объекта, доплеровские частоты для определения скоростей изучаемых радарных объектов. Главной проблемой при осуществлении поляризационных измерений является сложность разделения составляющих принимаемого отраженного сигнала с разной поляризацией.
Известны полнополяризационные радары, в которых для развязки поляризаций осуществляют смещение измерений сигналов разных поляризаций по времени на величину задержки, сравнимую с периодом модуляции (доли и единицы миллисекунд), что ограничивает исследование меняющихся во времени процессов (см., например, Martti Hallikainen et al. A Helicopter-Borne Eight-Channel Ranging Scatterometer for Remote Sensing // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 1993. V. 31, no. 1.). В работе описывается устанавливаемый на вертолет двухчастотный скаттерометр FM-CW HUTSCAT, который измеряет характеристики обратного рассеяния целей с разрешением по дальности 65 см. Измерение производят последовательно: 8,3 мс излучают V поляризацию и принимают VV и VH на 5,4 ГГц и 9,8 ГГц, затем 8,3 мс излучают Н поляризацию и принимают НН и HV на 5,4 ГГц и 9,8 ГГц, так что за 16,6 мс принимают сигнал на восьми каналах, что соответствует расстоянию вдоль пути 0,33 м для скорости вертолета 20 м/с. Возможности измерения дальности в реальном времени достигают путем выполнения быстрого преобразования Фурье (БПФ) для принятого сигнала во временной области. Радиолокационная система предназначена для дистанционного зондирования лесов, морского льда и снега.
В полнополяризационном доплеровском радаре S-диапазона PARS АХ (см. О. Krasnov et al. The PARSAX - New Full Polarimetric FMCW Radar with Dual-Orthogonal Signals // Proc. 8th Int. Symp. Tropospheric Profiling. Delft, The Netherlands, 2009. ISBN 978-90-6960-233-2. P. 1-4) избавились от последовательного излучения V и Н поляризаций, добиваясь развязки поляризаций путем излучения одновременно двух ортогональных по поляризации временных ЛЧМ сигналов с положительным и отрицательным наклоном частоты модулированного сигнала. Для этого излучают 2 ортогональных по поляризации сигнала S-диапазона с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ): первый (пусть V поляризации) с положительным наклоном частоты, второй (Н поляризации) с отрицательным наклоном частоты, получают биения принимаемого отраженного первого ортогонального сигнала на V поляризации с его опорным сигналом - VV основной поляризации и биения со вторым опорным сигналом - HV перекрестной поляризации, а также биения принимаемого отраженного второго ортогонального сигнала на Н поляризации с его опорным сигналом - НН основной поляризации и биения с первым опорным сигналом - VH перекрестной поляризации (первая буква поляризации соответствует излучаемому сигналу), а далее путем БПФ биений определяют интенсивность отраженных сигналов от радарных целей, дальности и доплеровские частоты.
Недостатком описанного способа является наличие области пересечения по частоте излучаемых ЛЧМ сигналов с разным наклоном частоты, где сигналы двух поляризаций мало различаются между собой. Поэтому в области пересечения по частоте ЛЧМ-сигналов крайне сложно осуществить разделение принятых сигналов разных поляризаций. Для исключения этой области требуется применение дорогостоящей высокочастотной цифровой схемотехники. Возможное использование других вариантов разделения поляризаций, различающихся по величине девиации или длительности ЛЧМ, приведет к разным точностям по дальности и доплеровским частотам на разных поляризациях. Использование усиления на промежуточной частоте увеличивает отношение сигнала к шуму, но поскольку ширина частотной полосы сигнала на промежуточной частоте равна ширине полосы излучаемого сигнала (до сотен мегагерц), то потребуется высокочастотный АЦП, и при этом из-за шумов квантования отношение сигнал-шум уменьшается. В аналоговом виде усиление такого широкополосного сигнала также не просто выполнить.
Способ измерений, осуществляемый данным радиолокатором, по технической сущности наиболее близок к предлагаемому.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание способа, позволяющего осуществлять радиолокационные доплеровские измерения одновременно на всех поляризациях более эффективно и более простыми техническими средствами, чем прототип.
Положительный эффект достигается тем, что в СВЧ-диапазоне излучают одновременно два ортогональных по поляризации временных ЧМ-сигнала, принимают отраженные сигналы, выделяя биения принимаемого первого ортогонального сигнала на V поляризации с его опорным сигналом: VV основной поляризации и HV перекрестной поляризации, а также биения принимаемого второго ортогонального сигнала на Н поляризации с его опорным сигналом: НН основной поляризации и VH перекрестной поляризации, разделяя отраженные сигналы по поляризации, и путем БПФ определяют интенсивность отраженных сигналов, дальность и доплеровский спектр.
2
1
2
1
Новым является то, что два ортогональных по поляризации временных ЧМ-сигнала с одинаковой временной формой частотной модуляции излучают на частотах F и F, отличающихся по величине частоты в пределах 1% друг от друга так, что можно считать временные и пространственные изменения сигналов из-за разницы частот незначительными, убирающимися в пределы допустимых точностей для используемого диапазона частот; их разностную частоту выдерживают постоянной, используя фазовую автоподстройку частоты, при этом биения перекрестных поляризаций HV и VH получают на разностной частоте F - F и выделяют их из разностной частоты путем синхронного детектирования с опорной разностной частотой.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
1
2
На фиг. 1 приведена структурная схема радара, на основе которой можно осуществить предлагаемый способ одновременных полнополяризационных доплеровских измерений в СВЧ-диапазоне. Здесь 1 - генератор ЧМ сигнала с несущей частотой F, 2 - генератор ЧМ сигнала с несущей частотой F, 3 - модулятор, 4 - аттенюаторы, 5 - разделитель поляризации излучаемого сигнала, 6 - передающая антенна, 7 - приемная антенна, 8 - разделитель поляризации принимаемого сигнала, 9 и 10 - смесители вертикальной и горизонтальной поляризаций соответственно, 11 - блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), 12 - дополнительный смеситель, 13 - синхронный детектор сигнала с перекрестной поляризацией HV, 14 - синхронный детектор сигнала с перекрестной поляризацией VH, 15 - блок усилителей биений, 16 - блок БПФ.
На фиг. 2 приведен рассчитанный спектр биений на разностной частоте при форме модулирующего сигнала в виде синусоиды.
В предлагаемом способе для получения одновременной работы на всех поляризациях применяют несущественное смещение по несущей частоте двух ортогональных по поляризации излучаемых сигналов при одинаковой временной форме их частотной модуляции.
За счет этого появляется возможность разделить поляризации принимаемого сигнала на разностной частоте.
Наиболее распространенными формами модулирующих сигналов при ЧМ модуляции являются несимметричная пила «de-ramping», симметричная пила (сигнал треугольной формы) или синусоида.
Работу предлагаемого способа для любой используемой формы сигнала ЧМ модуляции можно пояснить вариантом его выполнения на структурной схеме радара, представленной на рис. 1, которая поясняет указанный способ, но не ограничивает его.
2
1
2
1
В приведенном на рисунке радаре у генератора 2 ЧМ сигнала с несущей частотой F и генератора 1 ЧМ сигнала с несущей частотой F, сигналы которых промодулированы посредством модулятора 3 по частоте одним и тем же по форме модулирующим сигналом - несимметричной пилой «de-ramping» или сигналом треугольной формы, или синусоидой, несущие частоты F и F отличаются несущественно, то есть по условиям задачи измерений можно считать временные и пространственные изменения сигналов из-за разницы частот незначительными, убирающимися в пределы допустимых точностей для используемого диапазона частот.
2
1
Поясним несущественность отличия несущих частот F и F В Х-диапазоне десятки мегагерц составляют десятые доли процентов от несущей частоты, а в Ku-диапазоне еще меньше. Например, для разрешения по дальности около 0,5 м требуется полоса частот 300 МГц и можно считать допустимым смещение частот друг относительно друга в 100 МГц, которое в 3 раза меньше полосы частот излучаемого сигнала и не повлияет на точность измерений доплеровских частот. При несущей частоте 10 ГГц это составит 1% от ее величины. Величина разностной частоты задает уровень шума на перекрестной поляризации, и обычно достаточно смещения в десятки мегагерц, когда биения составляют единицы мегагерц.
2
1
1
2
1
2
2
1
Для одновременного излучения сигналы с генератора 2 ЧМ сигнала с несущей частотой F и генератора 1 ЧМ сигнала с несущей частотой F через регулируемые аттенюаторы 4 подают на ортогональные входы разделителя поляризаций 5 излучаемого сигнала: с частотой F - на вход вертикальной поляризации, с частотой F - на вход горизонтальной поляризации, выход разделителя поляризаций 5 излучаемого сигнала подключен к передающей антенне 6, посредством которой излучают ортогональные по поляризации и с одинаковой временной формой сигналы. Отраженные сигналы принимают на приемную антенну 7, соединенную с разделителем поляризации 8 принимаемого сигнала. Ортогональные сигналы с выходов разделителя поляризации 8 принимаемого сигнала направляют на смесители вертикальной поляризации 9 и горизонтальной поляризаций 10, на другие входы этих двух смесителей подают опорные сигналы: на вход смесителя вертикальной поляризации 9 - от генератора 1 ЧМ сигнала с несущей частотой F, на вход смесителя горизонтальной поляризаций 10 - от генератора 2 ЧМ сигнала с несущей частотой F. Тогда на выходе смесителя вертикальной поляризации 9 получают биения сигналов основной поляризации VV и перекрестной HV (первая буква в обозначении поляризаций соответствует передаваемому сигналу), при этом сигнал с перекрестной поляризацией получают на разностной частоте F - F. Соответственно на выходе смесителя горизонтальной поляризаций 10 получают биения основной поляризация НН и перекрестной VH на разностной частоте. При использовании в качестве формы модулирующего сигнала симметричной пилы или синусоиды смеситель вертикальной поляризации 9 и смеситель горизонтальной поляризаций 10 должны быть квадратурными для определения знака доплеровского сигнала.
2
1
2
1
2
Чтобы разностная частота была постоянной, используют блок фазовой автоподстройки частоты генераторов (везде далее ФАПЧ) 11. Для этого в схему введен дополнительный смеситель 12, на входы которого подают сигналы от генератора 2 ЧМ сигнала с несущей частотой F и генератора 1 ЧМ сигнала с несущей частотой F. В ФАПЧ 11 входит эталон на разностную частоту F-F, например кварц, схема сравнения частот, ФНЧ, с которого берется сигнал управления, например, на генератор 2 ЧМ сигнала с несущей частотой F. Основная функция ФАПЧ 11 заключается в привязке разностной частоты к эталону. Возможна кроме аналоговой цифровая реализация этой функции или использование готовой интегральной схемы.
2
1
2
1
Биения перекрестных поляризаций HV и VH выделяют из разностной частоты F - F путем синхронного детектирования с опорной разностной частотой. Для этого в схеме для перекрестных поляризаций используют синхронный детектор для HV поляризации 13 и синхронный детектор для VH поляризации 14, состоящие из полосового усилителя с полосой, достаточной для пропускания частот биений на разностной частоте, расширенной на величину выбранной точности подстройки по частоте ФАПЧ 11, и умножителя, на опорные входы которых подают сигнал разностной частоты с дополнительного смесителя 12. Синхронный детектор для HV поляризации 13 и синхронный детектор для VH поляризации 14 ослабляют требования к ФАПЧ 11, поскольку остаточные изменения частот F и F отслеживаются в них опорными сигналами разностной частоты. Заключительные действия выполняются как в прототипе: сигналы биений основных поляризаций VV и НН с выходов смесителя вертикальной поляризации 9 и смесителя горизонтальной поляризаций 10 и сигналы биений перекрестных поляризаций с выходов синхронного детектора для HV поляризации 13 и синхронного детектора для VH поляризации 14 через блок усилителей биений 15 поступают в блок БПФ 16, где осуществляется Фурье-преобразование с целью определения интенсивности отраженных сигналов, дальности и доплеровского спектра. Блок БПФ могут быть реализован на базе компьютера.
m
r
2
1
d
Для основных поляризаций VV и НН, которые выделяются на частоте биений, для определения знака доплеровских сигналов для симметричных модулирующих функций смесители вертикальной поляризации 9 и горизонтальной поляризаций 10 должны быть квадратурными, а для перекрестных на разностной частоте квадратурный прием не требуется. На фиг. 2 приведен рассчитанный спектр биений на разностной частоте при форме модулирующего сигнала в виде синусоиды. На фиг. 2 слева приведен результат расчета спектра для расстояния до исследуемого объекта 2,53 м, девиации 50 МГц, когда четвертая гармоника максимальна, с временем когерентного усреднения 0,1 с и прямоугольным окном. По вертикальной оси - интенсивность в децибелах, по горизонтальной - нумерация гармоник частоты модуляции f относительно разностной частоты f=(F-F). На фиг. 2 справа - сигнал на четвертой гармонике частоты модуляции в другом частотном масштабе для доплеровской частоты f=200 Гц. Видно, что доплеровский сигнал присутствует только с одной стороны от гармоники частоты модуляции; это означает, что при приеме одной боковой полосы относительно разностной частоты можно получить полную информацию о доплеровском сигнале. Таким образом, на разностной частоте для получения полной информации о доплеровских сигналах не требуется квадратурного приема и для симметричных модулирующих функций, так же как и для несимметричной пилы «de-ramping».
В некоторых случаях (см., например, Зуйкова Э.М., Байдаков Г.А., Титченко Ю.А., Салин М.Б. Доплеровский скаттерометр трехсантиметрового диапазона с полным поляризационным зондированием // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], 2021. №2, https://doi.Org/10.30898/1684-1719.2021.2.2) при форме модулирующего сигнала в виде синусоиды вместо БПФ может использоваться синхронное детектирование с известной гармоникой частоты модуляции для выделения доплеровских сигналов.
Поясним более подробно некоторые особенности работы на разностной частоте.
Из схемы на фиг. 1 видно, что для разделенного приема четырех поляризаций достаточно двух смесителей вместо четырех как в прототипе. При желании работать и на основных поляризациях также на разностных частотах можно использовать 4 смесителя.
Кроме того, использование ФАПЧ позволяет в качестве генераторов применять чип-генераторы, что упрощает техническую реализацию схемы.
Усиление на разностной частоте увеличивает динамический диапазон по шумам, как и на промежуточной частоте. Существенное отличие разностной частоты от промежуточной в том, что на промежуточной частоте ширина частотной полосы равна ширине полосы излучаемого сигнала, а на разностной частоте - ширине частотной полосы биений, которая значительно меньше. Например, при ширине полосы частотной модуляции 300 МГц значение промежуточной частоты должно быть в несколько раз больше, а при этом частотная полоса биений - единицы мегагерц. Разностная частота по величине может быть такой же, как промежуточная, а при желании может быть значительно меньше, например, не более 10 МГц. При этом полосовой усилитель на разностной частоте, в отличие от промежуточной частоты, может быть всегда узкополосным, что также упрощает техническую реализацию схемы.
Необходимо также подчеркнуть важность использования синхронного детектирования.
2
1
Синхронное детектирование ослабляет требования к ФАПЧ, поскольку остаточные изменения частот F и F при синхронном детектировании отслеживаются опорными сигналами разностной частоты. Единственное условие - сигналы биений не должны выходить за увеличенную на точность настройки ФАПЧ полосу усилителя.
Вместо ФАПЧ может применяться более сложная схема - жесткая синхронизация, когда на программном уровне задаются модулирующая функция, девиация, разность частот и синхронизация генераторов между собой.
Таким образом, для осуществления необходимых измерений вместо использования двух ортогональных ЛЧМ сигналов, как в прототипе, можно применить более простое решение - несущественное смещение по несущей частоте двух ортогональных по поляризации излучаемых сигналов при одинаковой временной форме их частотной модуляции. Такое решение позволяет получить основные и перекрестные поляризации одновременно, обойтись без высокочастотной цифровой техники для разделения поляризаций и использовать для генерации несущественно различающихся частот существенно более простые по сравнению с цифровыми чип-генераторы непрерывного излучения с частотной модуляцией.
При этом за счет усиления на разностной частоте с частотной полосой существенно меньшей, чем в усилителях на промежуточной частоте, увеличивается динамический диапазон по шумам на перекрестных поляризациях по сравнению с основными не менее чем на 15 дБ (см. Зуйкова Э.М., Байдаков Г.А., Титченко Ю.А., Салин М.Б. Доплеровский скаттерометр трехсантиметрового диапазона с полным поляризационным зондированием // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], 2021. №2, https://doi.Org/10.30898/1684-1719.2021.2.2), что существенно, так как перекрестные поляризации значительно слабее основных.
Синхронное детектирование упрощает синхронизацию генераторов на разностной частоте, так как ослабляются требования к точности подстройки частоты.
Поскольку доплеровский сигнал перекрестных поляризаций присутствует только с одной стороны от гармоник частоты модуляции, для полной информации о доплеровском сигнале симметричных функций модуляции не требуется квадратурный прием.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществить те же одновременные полнополяризационные доплеровские измерения в СВЧ-диапазоне, что и прототип, но осуществить это более эффективно и более простыми техническими средствами.