Устройство цифрового диаграммообразования с частотным сканированием

Предлагаемая полезная модель относится к области СВЧ-техники, в частности к радиолокационным системам (РЛС) с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Решение может быть применено в перспективных радиолокационных системах, в том числе, РЛС непрерывного излучения, предназначенных для построения трехмерным радиолокационных изображений. Из [Теоретические основы радиолокации, ред. Ширмана Я.Д., с. 375-377] известен способ электронного сканирования лучом по одной из угловых координат (в угломестной или азимутальной плоскости) при непрерывном излучении широкополосных сигналов с линейной частотной модуляцией, суть которого заключается в том, что при изменении частоты излучаемых колебаний, диаграмма направленности антенны занимает ряд последовательных положений, для каждого из которых излучается ограниченный спектр частот (1):
где Δθ - ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны по уровню половины мощности (фигура 1). Очевидно, что при линейной частотной модуляции этот спектр будет соответствовать сигналу ограниченной длительности:
Подробно метод представлен в работе [Шишанов С.В., Применение антенной решетки с частотным качанием луча в автомобильном радаре. - Датчики и системы №5. - 2014. - С. 31-35] и иллюстрируется фигурой 1.
Из существующего уровня техники известны реализации данного метода для радиолокационных систем с использованием линейной частотной модуляции излучаемого сигнала.
Радиолокационный приемо-передающий модуль, описанный в «Корабельная трехкоординатная радиолокационная станция и антенное устройство для нее» [WO 2005/038484 А1 опубликовано 28.04.2005, МПК G01S 13/44, H01Q 1/18], содержащий два канала, работающих в разнесенных поддиапазонах частот. Каждый канал состоит из отдельной приемопередающей антенной решетки с цифровым сканированием. Сканирование в вертикальной плоскости осуществляется за счет изменения частоты излучаемых сигналов по специальным программам, соответствующим установленным режимам работы. Программы задают очередность следования лучей и виды зондирующих сигналов, при этом электронное сканирование лучей в зонах обзора по углу места обеспечивается за счет дискретного изменения несущей частоты каждого из каналов. Таким образом, сканирование в вертикальной плоскости осуществляется за счет последовательного во времени излучения и приема сигнала на своей центральной (несущей) частоте, дискретно изменяемой для каждого положения луча. Недостатком данного решения является существенно увеличенный период обзора сектора сканирования из-за последовательного изменения положения главного луча (ГЛ) диаграммы направленности (ДН), формирующегося за счет изменения центральной частоты излучаемого сигнала.
Радиолокационная система миллиметрового диапазона для построения изображений, описанная в «Imaging millimeter wave radar system» [US 7019682 B1 опубликовано 28.03.2006, МПК G01S 13/89, G01S 13/93]. Приемная антенна данного устройства является антенной решеткой змеевидных щелевых элементов с диапазоном качания от 10,5 град до 20,5 град. Передающая антенна состоит из одного излучающего элемента. Приемная антенна выполнена с использованием линзы Ротмана с 192 выходными элементами, и, соответственно, 192 положениями главного лепестка диаграммы направленности в азимутальной плоскости. Качание луча в плоскости угла места осуществляется путем линейного изменения частоты излучаемого и принимаемого сигнала. Информация о радиальной дальности до объекта извлекается с помощью преобразования Фурье, при этом скорость изменения частоты составляет 180 Гц/с. Положениям главного лепестка диаграммы направленности в плоскости угла места соответствует 22 неперекрывающихся окна обработки временных отсчетов принятых сигналов биений. Недостатком данного технического решения является низкое разрешение по дальности, обусловленное малой длиной окон обработки (1/22 от длины всего принятого сигнала биений). Кроме того, отсутствие весовой функции при оконной обработке приводит к увеличению боковых лепестков диаграммы направленности.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является радиолокационная система миллиметрового диапазона для дальней зоны, описанная в «Long range millimeter wave surface imaging radar system» [US 8362948 B2, опубликовано 29.01.2013, МПК G01S 13/89]. Данная система построения изображений подстилающей поверхности отличается тем, что в ней для построения двумерного изображения, соответствующего каждому положению главного лепестка диаграммы направленности по углу места, используются взвешенные окном Хэмминга диапазоны отсчетов оцифрованных сигналов биений (размером 1/12 от длины принятого сигнала биений) с половинным перекрытием, что позволяет увеличить точность определения угловых координат за счет улучшения формы ДН.
Недостатком данного технического решения остается низкое разрешение по дальности, обусловленное малой длительностью используемых окон обработки. Результаты работы описанного в [US 8362948 В2, опубликовано 29.01.2013, МПК G01S 13/89] метода, полученные с помощью моделирования, представлены на фигуре 3. Кроме того, при уменьшении общего числа отсчетов до 1000-2000 (характерно для реальных РЛС), характеристики данного метода по разрешению и форме ДН значительно ухудшаются. Результаты моделирования для этого случая представлены на фигуре 4.
Техническим результатом, который обеспечивается всей совокупностью признаков данной полезной модели, является увеличение точности определения радиальной дальности до объектов без значительного снижения разрешения РЛС по углу (азимута или угла места, в зависимости от плоскости, в которой происходит частотное качание) в области видимости РЛС (фигура 2). Преимущество демонстрируется фигурой 5, на которой показан эффект незначительного уширения главного лепестка ДН при использовании перекрывающихся окон длиной 1/4 длины всего интервала обработки и перекрытием между соседними окнами в 15/16 длины окна. При этом разрешение по радиальной дальности увеличивается в 3 раза, а разрешение по углу снижается только в 1,2 раза. Для случая обработки данных в реальных условиях длина выборки значительно меньше - до 1000-2000 отсчетов, результаты моделирования представлены на фигуре 6 (где длина кона составляет 1/4 длины оцифрованного сигнала биений, а перекрытие - 15/16 длины окна).
Технический результат достигается следующим образом. Устройство цифрового диаграммообразования для антенной системы с частотным сканированием, содержащее модуль излучателя, выходы которого соединены со входами N приемных каналов со смесителями, приемник с N приемными каналами, причем N∈N, выходы каждого из которых соединены соответственно со входами N аналого-цифровых преобразователей, выходы каждого из N аналого-цифровых преобразователей соединены со входами N входных буферов обмена, выходы которых соединены с N входами модуля настраиваемой системы сдвига скользящего окна, причем выход модуля управления скользящего окна соединен с N+1 входом модуля настраиваемой системы сдвига скользящего окна, а N выходов модуля настраиваемой системы сдвига скользящего окна соединены со входами N промежуточных буферов обмена переменной длины, выходы которых соединены соответственно со входами N модулей оконного быстрого преобразования Фурье, а выходы N модулей оконного быстрого преобразования Фурье соответственно соединены со входами N выходных буферов обмена переменной длины, выходы которых являются выходами устройства.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображена схема расположения ГЛ ДН; на фигуре 2 - сектор сканирования РЛС; на фигуре 3 - результаты моделирования работы ближайшего аналога; на фигуре 4 - результаты работы ближайшего аналога в условиях, приближенных к реальным; на фигуре 5 - результаты моделирования работы предлагаемой полезной модели; на фигуре 6 - результаты моделирования работы предлагаемой полезной модели в условиях, приближенных к реальным; на фигуре 7 - блок-схема полезной модели, где приемник 1, N приемных трактов 2, N аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) 3, модуля 4 управления скользящим окном, N входных буферов 5 обмена, модуль 6 настраиваемой системы сдвига скользящего окна, N промежуточных буферов 7 обмена переменной длины, N*K модулей 8 оконного быстрого преобразования Фурье, N выходных буферов 9 обмена переменной длины, модуль излучателя 10; на фигуре 8 - иллюстрация положений скользящего окна, на фигуре 9 - блок-схема варианта реализации полезной модели, где приемник 1, N приемных трактов 2, N АЦП 3, модуль 4 управления скользящим окном, N модулей 5 настраиваемой системы сдвига скользящего окна, N*K промежуточных буферов 6 обмена, N*K модулей 7 оконного быстрого преобразования Фурье, N выходных буферов 8 обмена, выходы которых являются выходами устройства.
Устройство цифрового диаграммообразования с частотным сканированием состоит из приемника 1, содержащего N приемных трактов 2, N АЦП 3, N входных буферов 5 обмена, модуля 4 управления скользящим окном, модуля 6 настраиваемой системы сдвига скользящего окна, N промежуточных буферов 7 обмена переменной длины, N модулей 8 оконного преобразования Фурье, N выходных буферов 9 обмена переменной длины, модуля излучателя 10.
Выходы модуля излучателя 10 соединены с входами N приемных трактов 2 со смесителями, N приемных трактов 2 приемника 1 соединены с входами N АЦП 3, выходы которых соединены с входами N входных буферов 5 обмена, выходы которых соединены с N входами модуля 6 настраиваемой системы сдвига скользящего окна, на вход которой подается управляющее воздействие от модуля 4 управления скользящим окном, а N выходов соединены через N промежуточных буферов 7 обмена переменной длины с входами N модулей 8 оконного быстрого преобразования Фурье, выходы которых соединены с входом N выходных буферов 9 обмена, выходы которых являются выходами устройства.
Сущность заявленного решения заключается в приеме с помощью антенны с частотным сканированием отраженного сигнала ЛЧМ, его демодуляции в приемном тракте, сохранении оцифрованного с помощью АЦП сигнала биений во входном буфере обмена для всего периода излучения сигнала, а также последующей обработкой методом скользящего окна с цифровым формированием диаграммы направленности. Во входном буфере обмена настраиваемой системой сдвига скользящего окна производится выделение отрезков оцифрованного сигнала биений, соответствующего каждому положению скользящего окна, которые подаются на входы оконного быстрого преобразования Фурье, выходы которых соединены с соответствующими входами выходных буферов обмена, в которых формируется двумерное радиолокационное изображение в каждом приемном канале. Выходы выходных буферов обмена являются выходами устройства.
Новым в предлагаемом техническом решении является то, что дополнительно введен модуль управления скользящим окном, в котором задаются размер и сдвиг скользящих окон, определяющие параметры цифровой диаграммы направленности по углу при частотном сканировании; а также модуль настраиваемой системы сдвига скользящего окна, с помощью которого непосредственно производится выделение необходимых отсчетов оцифрованных сигналов биений, соответствующих конкретным положением скользящего окна. В приемных трактах приемника формируются сигналы биений, которые оцифровываются с помощью АЦП. Выходы АЦП соединены с входным буфером обмена, в котором исходный сигнал биений разбивается на участки, соответствующие положениям скользящих окон, параметры которых подаются с выходов блока управления. Выходы входных буферов соединены со входами модулей оконного быстрого преобразования Фурье, в которых сигнал переводится в частотную область. Выходы модулей оконного преобразования Фурье соединены с входами соответствующих выходных буферов обмена, в которых производится формирование двумерного радиолокационного изображения, полученное в соответствующем приемном канале.
Устройство цифрового диаграммообразования с частотным сканированием работает следующим образом.
Приемник содержит N (где N∈N, и при N=1 формируется ДН только в одной плоскости, а при N≠1 в одной плоскости формируется ДН за счет частотного качания ГЛ ДН, а в другой формируется классическая многоканальная ДН) каналов с приемными трактами, содержащими смесители, с выходов которых на вход АЦП поступают сигналы биений. В АЦП происходит оцифровка соответствующих сигналов биений. В модуле управления скользящим окном формируется информация о параметрах скользящего окна, а именно его длина в отсчетах Nwin и сдвиг между различными положениями скользящего окна Nshift, которые поясняются фигурой 8. При этом количество различных положений скользящего окна (количество положений сканирующего луча по углу) К определяются по формуле:
где М - длина сигнала биений в отсчетах АЦП, Nwin - длина окна в отсчетах АЦП, Nshift - длина сдвига между соседними окнами в отсчетах АЦП, а  - целая часть О. Управляющее воздействие от модуля управления скользящим окном поступает на вход настраиваемой системы сдвига скользящего окна, с помощью которой из входного буфера обмена каждого из N каналов последовательно выделяются отсчеты, соответствующие текущему положению скользящего окна. Номера отсчетов АЦП для каждого положения скользящего окна представлены в таблице 1. При этом в случае выхода крайнего положения окна за границы массива отсчетов АЦП реализуется один из способов, указываемых в настройках модуля управления скользящим окном:
1) Недостающие значения в начале и/или в конце задаются нулями (фигура 8), при этом происходит смещение положений главного луча ДН, а также увеличивается число положений главного луча:
- в случае дополнения нулями и в начале, и в конце;
- в случае дополнения нулями только в начале или только в конце;
2) крайнее положение скользящего окна исключается из рассмотрения.
Выделенные для каждого положения скользящего окна отсчеты АЦП последовательно подаются через промежуточный буфер обмена переменной длины на вход модуля оконного быстрого преобразования Фурье, в котором производится две операции:
- Взвешивание отсчетов АЦП с помощью оконной функции, которое поясняется следующей формулой:
где Signal(n) - взвешенные отсчеты АЦП, Buff(N:N+Nwin) - исходные отсчеты АЦП, соответствующие конкретному положению скользящего окна, w(n) - используемая оконная функция, а  - операция поэлементного умножения.
- Быстрое преобразование Фурье вектора сформированных отсчетов Signal(n).
Результат последней операции записывается в выходной буфер обмена, в котором формируется двумерное радиолокационное изображение (после формирования ДН в другой плоскости), а выход является выходом устройства.
Таким образом достигается заявленный технический результат, продемонстрированный на фигурах 4, 6 и заключающийся в увеличении точности определения радиальной дальности до объектов и их углового положения без снижения разрешения РЛС по углу в области видимости РЛС, за счет использования скользящего окна большой длины и небольшим смещением, параметры которого могут гибко изменятся для получения требуемого соотношения разрешения по углу и радиальной дальности.
Описанная полезная модель может быть также осуществлена следующим образом. В приемные тракты со смесителями на входы поступает принятый ЛЧМ сигнал и излученный ЛЧМ сигнал от модуля излучателя, где сигнал биений формируется и оцифровывается с помощью АЦП. Оцифрованный сигнал биений через входной буфер обмена и указания от блока управления поступают на входы соответствующих входных буферов обмена. Оцифрованный сигнал биений каждого канала и указания от модуля управления скользящим окном поступают на входы модуля настраиваемой системы управления скользящим окном, с помощью которой из сигналов биений выделяются отсчеты, соответствующие всем положениям скользящего окна. Выделенные интервалы отсчетов сигналов биений в каждом канале и для каждого положения скользящего окна поступают соответственно на входы N*K промежуточных буферов обмена переменной длины, откуда далее поступают на вход модулей оконного быстрого преобразования Фурье, в которых производится параллельная обработка отрезков исходного сигнала биений: оконное взвешивание и перевод сигнала из временной области в частотную. Полученные спектры в каждом из N каналов поступают на К входов соответствующего выходного буфера обмена переменной длины, в котором формируется двумерное изображение для каждого приемного канала. Выходы N выходных буферов обмена являются выходами устройства. Данный вариант реализации поясняется блок-схемой на фигуре 9.