ОБНАРУЖИТЕЛЬ-ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ

Предлагаемая полезная модель относится к средствам радиоэлектронной разведки источников сверхширокополосных (СШП) сигналов, протекающей в условиях повышенной априорной неопределенности о значениях параметров принимаемых сигналов и может быть использована в качестве помехозащищенного обнаружителя-измерителя параметров СШП сигналов, в том числе при одновременном присутствии на входе упомянутого обнаружителя-измерителя ряда других радиосигналов: импульсных, непрерывных, частотно-модулированных (ЧМ), фазокодомодулированных (ФКМ) и других.
c,
0
Известен оптимальный обнаружитель СШП сигнала (см. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары. Особенности и возможности//Радиотехника и электроника. - 2009. - т.54. - №1. - С.5-31) (фиг.1), представляющего собой пачку - М одинаковых импульсов, имеющих неизвестную форму, длительность - τ, период повторения - T, энергию каждого k-го импульса - E действующих на фоне аддитивного стационарного нормального шума с нулевым средним, дисперсией N и спектральной плотностью N. В данном аналоге реализуется оптимальный по критерию обобщенного отношения правдоподобия алгоритм обнаружения в виде
0
0
где Λ - порог обнаружения. Как то следует из приведенного соотношения суть оптимального алгоритма обнаружения периодического сигнала неизвестной формы сводится к суммированию отрезков принятой реализации (длительностью Т каждый) на тех интервалах времени, где ожидаютсясигналы, вычислению энергии этой суммы и сравнению полученной энергии с порогом Λ, определяемым заданной вероятностью ложной тревоги.
Аналог включает в себя разветвитель (делитель) - 1 на N каналов, (N-1) линий задержек - 2, каждая из которых отличается временем задержки на величину Т - периода следования СШП сигнала, N канальный сумматор - 3, с выходом нагруженным на последовательно соединенные квадратор - 4, интегратор - 5 и пороговое устройство - 6, причем уровень срабатывания порогового устройства задается модулем 7.
Признаками, совпадающими с признаками предлагаемой полезной модели является то, что в составе аналога и предлагаемой модели используются такие одинаковые по функциональному назначению элементы как N канальный разветвитель, линии задержки и сумматор; в аналоге последний может быть отождествлен с N канальной схемой совпадения.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата является то, что для данного аналога характерна незначительная помехозащищенность.
Известен обнаружитель (см. Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех. - М.: «Радиотехника». - 2009. - 288 с.) последовательности СШП сигналов с неизвестным временем прихода, которая описывается соотношением
.
0
0
M
0
В приведенном выражении: λ - время прихода последовательности, Т - период повторения, параметр µ определяют точку последовательности, с которой связано ее время прихода λ; при) µ=0 величина представляет собой время прихода первого импульса последовательности; функция S(t) описывает форму одного импульса СШП последовательности. Структурная схема обнаружителя изображена на фиг.2; данный аналог включает в себя полоснопропускающий фильтр - 1, устройство задержки - 2 сравноотстоящими через время Т отводами, сумматор - 3, пиковый детектор - 4, в котором определяется наибольший максимум просуммированных сигналов S(t, λ).
Признаками, совпадающими с признаками предлагаемой полезной модели, является то, что один из каналов аналога включает в себя полоснопропускающий фильтр, устройство задержки, сумматор и детектор.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является то, что аналог обладает слабой помехозащищенностью, поскольку практически любой из дополнительных входных сигналов, действующих в полосе частот СШП сигнала, им - (аналогом) будет восприниматься как высокоэффективная помеха. Принимая во внимание большую полосу частот, занимаемую СШП сигналом (1-5) ГГц, вероятность наличия мешающих, в том числе синхронных сигналов, значительна. Кроме того приведенный аналог не обеспечивает возможность измерения параметров СШП сигналов.
0
H
B
H
B
m
B
H
Известен корреляционный обнаружитель СШП сигналов предназначенный в том числе для измерения частотных параметров СШП сигналов (см. Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех. - М.: «Радиотехника». - 2009. -288 с.). Данный корреляционный измеритель содержит делитель на N каналов, каждый из которых включает последовательно соединенные перемножитель, на который подается опорный сигнал  интегратор, вычитающее устройство, на один из входов которого подается  сигнал , а также решающее устройство (см. фиг.3); на вход обнаружителя поступает сигнал вида x(t)=S(t)+n(t), где n(t) - гауссовский белый шум с односторонней спектральной плотностью N. Приведенный аналог решает задачу обнаружения СШП сигнала, а такжеизмерения его f - нижней и f - верхней частоты спектра по заданному уровню его неравномерности. Измеренные значения f и f обеспечивают возможность регистрации центральной частоты f СШП сигнала, а также расчета его длительности, поскольку f-f=Δf=2/τ.
Существенными признаками, общими с заявляемым устройством является то, что корреляционный измеритель содержит делитель на N каналов, каждый их которых включает последовательно соединенные перемножитель, интегратор, вычитающее устройство, а также решающее устройство.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата данным аналогом, является его незначительная помехозащищенность.
Прежде чем перейти к рассмотрению выбранного прототипа отметим следующее.
H
B
m
0
B
H
m
0
m
н
B
ф
ф
Описание импульсных СШП сигналов, представляющих собой радиоимпульсы длительностью т и включающие m квазиполупериодов (иначе - временных лепестков) высокочастотного заполнения, может быть (как и обычных радиосигналов) проведено с помощью следующих характеристик: a) S(t) - функции времени, описывающей форму сигнала; б)  - спектра сигнала; в)  - спектра мощности или спектральной плотности, характеризующей распределение ею энергии СШП сигнала по частоте; г)  - автокорреляционной функции. В условиях радиомониторинга - радиоэлектронной разведки при наличии на входе радиоприемного устройства ряда других сигналов, в том числе перекрывающихся по времени с СШП сигналом, перечисленные характеристики СШП сигнала являются трудно измеримыми. Поэтомуспециалистами (см. Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех. - М.: «Радиотехника». - 2009. - 288 с.) предлагается следующий набор параметров, который можно считать достаточным для опосредованного описания СШП сигнала, его обнаружения на фоне других и последующей классификации. К числу таких параметров относятся: f - нижняя частота спектра СШП сигнала, f - его верхняя частота, f - частота, на которой спектральная плотность сигнала максимальна, f=(f+f)/2 - несущая частота - высокочастотное заполнение огибающей СШП сигнала; достаточно часто имеет место f≠f. В предлагаемом полезной модели обеспечивается возможность измерения f f и f, причем отсчет их значений осуществляется, как минимум, с погрешностью, равной Δf/2, где Δf - полоса пропускания каждого из каналов обнаружителя-измерителя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: многоканальная параллельная система запоминания коротких импульсов, построенная с использованием метода двухканального преобразования; она описана на стр.83-84 в книге: Маграчев З.В. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов. - М.: Энергия. - 1974. - 223 с.
Устройство прототип изображено на фиг.4, где позиции на чертеже обозначают: частотный разветвитель - 1; линии задержки - 2, они выполнены в виде отрезков коаксиальных кабелей разной длины; преобразователь - 3; расширитель длительностей - 4; разделительный каскад - 5 и вычислительное устройство - 6. Заметим, что изображенная на фиг.4 схема устройства-прототипа целиком и полностью соответствует схеме устройства, приведенной на стр.83 цитируемого источника. Однако названия двух элементов изменены, в частности, в нашем случае разветвитель назван частотным разветвителем, а вычитающее устройство (ВУ) названо вычислительным устройством.
Устройство-прототип в своем составе содержит частотный разветвитель 1, на вход которого подается обрабатываемый СШП сигнал. В практике частотный разветвитель выполняет функции деления входного сигнала на N каналов. Каждый из каналов представляет собой последовательное включение линии задержки 2 - они выполнены на основе отрезков коаксиальных кабелей разной длины, преобразователи 3, расширители длительностей 4, разделительных каскадов 5 и вычислительного устройства 6; вычислительное устройство в прототипе осуществляет операцию вычитания. Как то следует из представленного описания прототипа принцип его работы заключается в следующем: входной сигнал делится на N составляющих, каждая из которых задерживается на время превышающее длительность входного сигнала, затем задержанные отрезки сигнала преобразуются и расширяются расширителем длительностей 4 и затем уже входной сигнал большой длительности обрабатывается вычислительным устройством, определяющим как факт его наличия (обнаружения), так и амплитудные параметры.
Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым устройством, являются то, что обнаружитель-измеритель параметров СШП сигналов в своем составе содержит N-канальный частотный разветвитель, выходы которого включены на N входов последовательно соединенных N линий задержек и N преобразователей, расширителей длительностей и разделительных каскадов, причем первый из выходов разделительного каскада нагружен на управляющий вход расширителя импульсов, а второй его выход подсоединен к одному из входов вычислительного устройства.
Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата являются технические сложности, связанные с реализацией элементов, входящих в обнаружитель-измеритель и предназначенных для обработки сигналов короткой длительности, а именно длительностей ~(0,1-1,0) нc; и, как следует, сложностей обнаружения и измерения параметров СШП сигналов с шириной спектра ~(1-7) ГГц вусловиях сложной помеховой обстановки или присутствия на входе ряда других сигналов, воспринимаемых обнаружителем-измерителем как помеховые сигналы.
H
B
m
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель является повышение вероятности правильного обнаружения СШП сигналов короткой длительности в условиях сложной помеховой обстановки и действия на входе обнаружителя-измерителя как помеховых сигналов в виде узкополосных или широкополосных помех различной интенсивности, так и измерения его основных частотных параметров, а именно f - нижней и f - верхней частот спектра СШП сигнала, а также частоты - f, на которой спектральная плотность СШП сигнала максимальна.
Заявляемый технический результат в предлагаемой полезной модели достигается за счет того, что на все преобразователи дополнительно подаются сигналы от N гетеродинов, а линии задержки выполнены в виде идентичных дисперсионных линий задержек, причем в каждом из N каналов дисперсионная линия задержки включена после преобразователя, а между дисперсионной линией задержки и разделительным каскадом дополнительно включен детектор огибающей, совместно с дисперсионной линией задержки, выполняющей функции расширителя длительности, причем N первых выходов разделительного каскада подключены к N входам вычислительного устройства, а N его вторых выходов нагружены на N входов также дополнительно введенной схемы совпадения, выход которой является управляющим для вычислительного устройства.
Для достижения технического результата в обнаружителе-измерителе параметров СШП сигналов, содержащем N-канальный частотный разветвитель, выходы которого включены на N входов последовательно соединенных N линий задержек и N преобразователей, расширителей длительностей и разделительных каскадов, причем первый из выходов разделительного каскада нагружен на управляющий вход расширителя импульсов, а второй его выход подсоединен к одному из входоввычислительного устройства, на все преобразователи дополнительно подаются сигналы от N гетеродинов, а линии задержки выполнены в виде идентичных дисперсионных линий задержек, причем в каждом из N каналов дисперсионная линия задержки включена после преобразователя, а между дисперсионной линией задержки и разделительным каскадом дополнительно включен детектор огибающей, совместно с дисперсионной линией задержки выполняющей функции расширителя длительностей, причем N первых выходов разделительных каскадов подключены к N входам вычислительного устройства, а N их вторых выходов нагружены на N входов также дополнительно введенной схемы совпадения, выход которой является управляющим для вычислительного устройства.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, также видно, что оно соответствует критерию «существенные отличия», поскольку в аналогах не обнаружены заявляемые новые признаки. Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и техническим результатом рассмотрим принцип работы предлагаемого устройства и сопоставим его с работой прототипа и аналогов.
Сущность и работа предлагаемой полезной модели поясняется фиг.5, где позиции на чертеже обозначают: 1 - частотный разветвитель, 2 - набор N преобразователей и 3 - гетеродинов, 4 - набор N дисперсионных линий задержек, 5 - набор из N детекторов огибающей, 6 - набор из N разделительных каскадов, 7 - схема совпадения и 8 - вычислительное устройство.
H
B
m
∑
B
H
Работа заявляемой полезной модели и обеспечиваемый ею технический эффект заключается в следующем (фиг.5). Входной СШП сигнал короткой длительности, составляющей доли или единицы наносекунд, подается на вход частотного разветвителя 1, частотный диапазон которого делится на N (в данном случае одинаковых) каналов; полоса пропусканиякаждого канала - ΔF; число каналов в разветвителе 1 выбирается тем большим, чем большая точность необходима для измерения f, f и f. Далее с помощью преобразователей 2 и набора гетеродинов 3 весь частотный диапазон, в котором работает обнаружитель-измеритель, ориентировочно равный Δf≈f-f, переносится на промежуточную частоту одинаковую для всех каналов. Последнее позволяет в дальнейшем использовать дисперсионные линии задержки 4 с одинаковым набором параметров. Каждый из преобразованных на одинаковую промежуточную частоту отрезков спектра входного СШП сигнала поступает на набор N дисперсионных линий задержек 4, с выходов которых снимается ЧМ сигнал, длительность которого и девиация определяются параметрами дисперсионной линии задержки 4.
Расширенный ЧМ сигнал поступает на детектор огибающей 5, обеспечивающий последующим устройством работу с длительностями импульсов значительно превышающих длительность входного СШП сигнала. С выходов разделительных каскадов 6 данные N импульсов одновременно поступают на схему совпадения 7 и вычислительное устройство 8.
H
B
m
В задачу схемы совпадения 7 входит формирование управляющего сигнала - сигнала обнаружения для вычислительного устройства 8. На выходе схемы совпадения 7 формируется сигнал обнаружения только в том случае, если на все его N входов со всех N каналов поступают расширенные сигналы, по крайней мере, одинаковой длительности. Вычислительное устройство 8 «с разрешения» схемы совпадения 7 производит оцифровку амплитуд импульсов, поступающих на него от разделителей каналов 6 и выбирает из них импульсы, номера которых соответствуют f, f и f. Достаточно очевидно, что указанные частоты спектра входного СШП сигнала определяется с точностью, равной (0.5ΔF), а именно половины частотного интервала между каналами.
Таким образом, суть технического решения, используемого в предлагаемой полезной модели, заключается в том, что спектр короткогоСШП сигнала разбивается на участки, преобразовывается и подается на ряд дисперсионных линий задержек, с помощью которых длительность СШП сигнала расширяется, что, в конечном счете, и обеспечивает последующую его обработку обычным цифровым устройствами. При наличии на входе обнаружителя-измерителя других радиосигналов они будут дисперсионными линиями задержки не приниматься «во внимание» или, по крайней мере, значительно ослабляется. Степень просачивания других видов радиосигналов на выходы дисперсионных линий задержек требует отдельного рассмотрения и соответственно для каждого вида помехового сигнала степень помехозащищенности будет различной. В частности, для непрерывных и некоторых видов импульсных радиосигналов защита может быть полной. Последнее можно обеспечить, воспользовавшись тем обстоятельством, что в предлагаемом устройстве при наличии на его входе СШП сигнала в каждом из каналов формируется импульсный ЧМ сигнал постоянной длительности. Именно этот факт в предлагаемом устройстве используется в качестве основного для повышения его помехозащищенности. Само по себе улучшение данного параметра осуществляется схемой совпадения - 7. Однако еще более значительным улучшение будет иметь место, если в составе упомянутой схемы совпадения - 7 в каждом из каналов предусмотреть селектор длительности, широко применяемый в локационной технике для выделения полезных свойств (зондирующих) сигналов (см. Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. - Пер. с англ. - Мир. - М.: 1966. - 747 с.). Пример такого селектора иллюстрируется схемой на фиг.6. В данной схеме огибающая ЧМ сигнала дифференцируется и направляется в два канала. В одном из них дифференцируемый импульс задерживается на время равное длительности сигнала, сформированного дисперсионной линией задержки. Во втором канале этот же импульс проходит через инвертор.
Если длительность входного сигнала равна τ, то задний фронт прошедшего через инвертор импульса совпадает по времени с переднимфронтом импульса, задержанного на τ.Схема совпадения пропускает импульсы из двух каналов только при их точном временном совпадении. Если длительность входного импульса отличается от т, то получившиеся после его дифференцирования остроконечные импульсы не совпадут по времени и не пройдут через схему совпадения. Идеальный селектор по длительности (см. фиг.6) будет «задерживать» все сигналы, длительность которых не будет равна точно τ.
В реальном селекторе длительность Δτ двух остроконечных импульсов имеет конечную величину и входные импульсы с длительностью τ±Δτ будут приходить через селектор.
Однако длительности импульсов Δτ при необходимости можно сделать любой и таким образом полностью избавиться от действия на заявляемый обнаружитель-измеритель сигнала не являющихся СШП сигналами.
Предлагаемый обнаружитель-измеритель параметров СШП сигналов не требует для своей реализации разработку новых технологий или разработку принципиально новой элементной базы. Так, например, частотный разветвитель может быть выполнен на основе системы направленных фильтров, каждый из каналов которой представляет собой комбинацию направленного ответвителя и фильтра. Такая система будет обладать минимальными потерями. Возможно выполнение частотного разветвителя как системы, включающей в себя N-канальный делитель и N перекрывающихся по полосе полосовых фильтров. Такая система будет обладать большой гибкостью, она проще в реализации, но она же будет характеризоваться значительным затуханием, причем тем большим, чем больше частотных каналов она будет содержать.
H
B
Требования к частотному разветвителю заявляемого устройства могут быть заданы только качественно; в идеализированном варианте его желательно реализовать в виде фильтра, согласованным с ожидаемым СШП сигналом. Полагая, что обнаружитель-измеритель предназначен для функционирования в заданном диапазоне рабочих частот, то условноизвестными можно считать его полосу частот, а также минимальную - f и максимальную - f частоты. В этом случае в качестве частотного разветвителя можно использовать фильтр, согласованный по полосе. Под фильтрами согласованными по полосе подразумевают фильтры, полоса которых выбирается из условия максимума отношения сигнал/шум на их выходе. В нашем случае, по-видимому, можно использовать фильтр с прямоугольной АЧХ, причем положение этой АЧХ на оси частот должно выбираться из условия максимальной вероятности попадания в нее полезного СШП сигнала. Следует отметить, что форма спектра СШП сигнала чаще всего наклонная, причем наклон направлен в сторону высоких частот, а энергия сигнала, в основном, сосредоточена в области нижних частот. Последнее дает основание к приближенному выбору формы АЧХ частотного разветвителя.
Что касается набора N преобразователей и гетеродинов, обеспечивающих трансформацию входного диапазона рабочих частот обнаружителя-измерителя в удобный для функционирования дисперсионных линий задержек, то они могут быть выполнены на основе стандартных смесителей и генераторов, объединенных в одну микросхему. Подобные микросхемы сегодня свободно поставляются потребителю отечественными и зарубежными фирмами.
В предлагаемой полезной модели дисперсионную линию задержки целесообразно выполнить на основе поверхностных акустических волн. Такие линии задержки обеспечивают формирование ЛЧМ и ЧМ сигналов длительностью от единиц до сотен микросекунд с девиацией от единиц до сотен МГц и поставляются целым рядом фирм.
Таким образом, использование в заявляемом устройстве серийных дисперсионных линий задержек обеспечивает возможность расширения длительности входного СШП сигнала в сотни и более раз.
Детектор огибающей и разделительный каскад (последний может быть пассивным и активным) являются обычными радиоэлектронными элементами.
Многоканальную схему совпадения целесообразно выполнить на основе микросхем.
Вычислительное устройство должно выполняться на основе ПЛИС.
Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает решение задачи измерения параметров СШП сигналов в условиях, когда на входе измерителя действуют другие мешающие сигналы.