Устройство автоматической частотнозависимой компенсации амплитудных и фазовых рассогласований каналов ЦАР

Предлагаемая полезная модель относится к области СВЧ-техники, в частности к РЛС с широкой полосой частот. Решение может быть применено в перспективных радиолокационных системах, в том числе, предназначенных для построения трехмерных изображений.
Из существующего уровня техники известна цифровая фазированная антенная решетка, описанная в «Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции» [RU 2584458 С1 опубликовано 20.05.2016, МПК H01Q 3/00]. Антенная решетка из N приемных антенных модулей, устройства оцифровки приемных сигналов, цифрового устройства выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенны по каждому из сканирующих лучей, устройства цифрового формирования М сканирующих диаграмм направленности (ДН), каждый приемный антенный модуль дополнительно содержит цифровое устройство формирования ДН, при этом цифровое устройство выработки весовых коэффициентов выполнено с возможностью формирования в раскрыве цифровой приемной антенной решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U, таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует ДН, по форме близкая к столообразной.
Недостатком данного решения является отсутствие калибровки приемных модулей, поскольку, в реальных радиолокационных системах элементы тракта вносят изменяющиеся во времени амплитудные и фазовые погрешности в принимаемые сигналы, что приводит к смещению положения главного лепестка ДН и увеличению уровня боковых лепестков. Компенсацию погрешностей следует проводить на стадии обработки радиолокационного сигнала. Кроме того, частотно-модулированные сигналы обладают большой шириной полосы частот, что требует учитывать зависимость погрешностей приемных трактов от частоты.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является система коррекции амплитудных и фазовых рассогласований, описанная в «Устройство компенсации неравномерностей амплитудных и фазовых характеристик каналов цифровой АФАР» [RU 146840 U1, опубликовано 20.10.2014, МПК H01Q3/28]. Данное устройство компенсации неравномерностей амплитудных и фазовых характеристик цифровой АФАР содержит N антенных подрешеток, N - канальный приемник, N аналого-цифровых преобразователей, вычислитель комплексных компенсационных коэффициентов, запоминающее устройство, N каналов обработки сигнала, включающих квадратурный демодулятор, смеситель, дециматор, КИХ-фильтр, процессор комплексного преобразования Фурье. Работа устройства складывается из двух режимов. В контрольном режиме происходит вычисление комплексных компенсационных коэффициентов на основе сигнала, полученного от внешнего эталонного источника излучения; вычисленные компенсационные коэффициенты записываются в память устройства. В основном режиме работы вычисления компенсационных коэффициентов не происходит, а происходит извлечение вычисленных коэффициентов из запоминающего устройства.
Недостатком данного технического решения является возможность проведения амплитудно-фазовой компенсации только с использованием внешнего эталонного источника излучения, а также отсутствие возможности компенсации амплитудно-фазовых рассогласований, изменяющихся в широком диапазоне частот.
Техническим результатом, который обеспечивается всей совокупностью признаков данной полезной модели, является автоматическая компенсация амплитудно-фазовых рассогласований приемных трактов в системах широкополосным сигналом и цифровым формированием ДН по сигналам, отраженным от объектов в зоне обзора РЛС без необходимости использования эталонного источника.
Технический результат достигается следующим образом. Устройство автоматической частотнозависимой компенсации амплитудных и фазовых рассогласований каналов цифровой антенной решетки, содержащее приемник с N приемными трактами с аналого-цифровым преобразователем, выходы которых соединены с входами N модулей поканального комплексного быстрого преобразования Фурье, выходы каждого модуля поканального комплексного быстрого преобразования Фурье соединены с входом буфера обмена, первый, второй, третий выходы буфера обмена соединены с тремя модулями межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, а четвертый выход буфера обмена соединен с первым входом модуля вычисления калибровочных коэффициентов, при этом первый выход первого модуля межканального комплексного быстрого преобразования Фурье соединен с входом модуля выбора калибровочного объекта, выход которого соединен со вторым входом модуля вычисления коэффициентов, а выход модуля вычисления коэффициентов со вторым входом второго модуля межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, выход которого соединен с первым входом модуля принятия решения, второй вход которого соединен со вторым выходом первого модуля межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, причем выход модуля памяти соединен со вторым входом третьего модуля межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, выход которого соединен с третьим входом модуля принятия решения, первый выход которого соединен с модулем памяти, а второй выход которого является выходом устройства.
Полезная модель поясняется блок-схемой на фигуре 1, где приемник 1, N приемных 2 трактов с АЦП, буфер 3 обмена, N модулей 4 поканального комплексного быстрого преобразования Фурье, модуль 5 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, модуль 6 вычисления коэффициентов, модуль 7 выбора калибровочного объекта, модуль 8 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, модуль 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, модуль 10 принятия решения, модуль 11 памяти для хранения значений комплексных калибровочных коэффициентов.
Устройство автоматической частотнозависимой компенсации амплитудных и фазовых рассогласований каналов ЦАР состоит из приемника 1 с N приемными каналами 2, N модулей 4 поканального комплексного быстрого преобразования Фурье, буфера 3 обмена для хранения результата поканального комплексного быстрого преобразования Фурье, трех модулей 5, 8 и 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, модуля 11 памяти, модуля 6 вычисления комплексных калибровочных коэффициентов, модуля 10 принятия решения, модуля 7 выбора калибровочного объекта.
Выходы N приемных трактов 2 с АЦП соединены с N модулями 4 комплексного быстрого преобразования Фурье, выходы которых соединены через буфер 3 обмена с входами первого модуля 5 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье; выходы буфера 3 обмена соединены с входами модуля 6 расчета комплексных калибровочных коэффициентов и модулей 8 и 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье; выход первого модуля 5 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье соединен с входом модуля 7 выбора калибровочного объекта; выходы второго и третьего модуля 8 и 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье соединены с входами модуля 10 принятия решения, один из выходов которого соединен с входом модуля 11 памяти, а второй выход является выходом устройства.
Сущность предлагаемого устройства автоматической компенсации амплитудных и фазовых рассогласований приемных каналов ЦАР заключается в том, что оно содержит N модулей поканального комплексного быстрого преобразования Фурье, три модуля межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, модуль вычисления комплексных калибровочных коэффициентов, модуль выбора калибровочного объекта, модуль принятия решения, модуль памяти для хранения значений комплексных калибровочных коэффициентов. Выходы каждого из модулей межканального комплексного быстрого преобразования Фурье соединены с входом модуля принятия решения, первый выход модуля принятия решения соединен с модулем памяти, а второй выход модуля принятия решений является выходом устройства.
Новым в предлагаемом техническом решении является то, что дополнительно введены модуль памяти для хранения текущих значений комплексных коэффициентов, модуль выбора калибровочного объекта, модуль принятия решения. Оцифрованный сигнал от N приемников поступает на вход N модулей поканального комплексного быстрого преобразования Фурье, в которых сигнал переводится в частотную область. Выходы модуля поканального комплексного быстрого преобразования Фурье через буфер обмена, в котором происходит выбор необходимого диапазона частот, соединены с входом модуля вычисления комплексных калибровочных коэффициентов, а также с входами модулей межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, в котором формируется отклик по углу. Выходы модуля вычисления комплексных калибровочных коэффициентов и модуля памяти соединены с соответствующими входами второго и третьего модуля межканального комплексного быстрого преобразования Фурье. Выходы всех трех модулей межканального комплексного быстрого преобразования Фурье соединены с входами модуля принятия решения, в котором определяется возможность использования вычисленных комплексных калибровочных коэффициентов. Выход первого модуля межканального комплексного быстрого преобразования Фурье соединен с входом модуля выбора калибровочного объекта, выход которого соединен с входом модуля вычисления комплексных калибровочных коэффициентов. Первый выход модуля принятия решения соединен с входом модуля памяти, а второй выход модуля принятия решения является выходом устройства.
Устройство автоматической частотнозависимой компенсации амплитудных и фазовых рассогласований каналов ЦАР работает следующим образом.
В модуле памяти устройства хранятся начальные значения комплексных калибровочных коэффициентов для всех анализируемых диапазонов частот, полученные любым способом из перечисленных:
1) путем подачи на вход каждого канала приемника калибровочных сигналов;
2) путем приема сигнала, полученного от калибровочного излучателя;
3) путем прямой записи калибровочных значений в модуль памяти устройства с внешнего носителя.
В основном режиме работы производится вычисление новых комплексных калибровочных коэффициентов, сравнение результата со старыми комплексными калибровочными коэффициентами, которые хранятся в модуле 11 памяти устройства. Оцифрованный сигнал поступает с выходов каналов приемника 2 с АЦП на вход модулей 4 комплексного быстрого преобразования Фурье, в которых проводится перевод принятого сигнала из временной области в частотную, и поступает в буфер 3 обмена. Далее, из буфера 3 обмена значения сигнала в выбранном диапазоне частот поступают на вход трех модулей 5, 8 и 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, в которых производятся межканальное комплексное быстрое преобразование Фурье по углу без применения комплексных калибровочных коэффициентов, с применением комплексных калибровочных коэффициентов, хранящихся в модуле 11 памяти, а также с применением вычисленных комплексных калибровочных коэффициентов соответственно. Спектр, полученный в модуле 5 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, поступает на вход модуля выбора калибровочного объекта, в котором выбирается объект, по которому будет проводиться калибровка. Объект выбирается на основании следующих критериев:
1) отклики со всех направлений, отличающихся от направления на калибровочный объект, не должен превышать заданного уровня «Порог 1»;
2) отклик от калибровочного объекта должен превышать заданный уровень «Порог 2».
С выхода модуля 7 выбора калибровочного объекта значения сигнала поступают на вход модуля расчета комплексных калибровочных коэффициентов. Вычисление производится следующим образом:
1) Вычисляются значение модулей комплексных калибровочных коэффициентов для каждого приемного канала:
где i - номер приемного канала, а, - комплексная амплитуда отклика
БПФ от калибровочного объекта в i-м канале.
2) Вычисляются значения фазы комплексных калибровочных коэффициентов для каждого приемного канала:
где i - номер приемного канала, а, - комплексная амплитуда отклика
БПФ от калибровочного объекта в i-м канале.
3) Вычисляются значения калибровочных коэффициентов для каждого приемного канала:
На входы модуля 8 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье поступают значения сигнала в выбранном диапазоне частот из буфера 3 обмена и значения комплексных калибровочных коэффициентов из модуля 11 памяти; производится вычисление спектра с использованием старых комплексных калибровочных коэффициентов предыдущей итерации работы устройства. На входы модуля 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье поступает сигнал из буфера 3 обмена и модуля 6 расчета комплексных калибровочных коэффициентов; производится вычисление спектра с использованием вычисленных на данной итерации комплексных калибровочных коэффициентов. Спектр, полученный в модулях 8 и 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, поступает на вход модуля 10 принятия решения, где производится анализ изменения параметров ДН при использовании новых комплексных калибровочных коэффициентов. В случае если новые комплексные калибровочные коэффициенты привели к уменьшению уровня принятых сигналов вне направления на калибровочный объект, новые значения комплексных калибровочных коэффициентов для выбранного диапазона частот через первый выход модуля 10 принятия решения поступают на вход модуля 11 памяти и перезаписываются. Второй выход модуля принятия решения является выходом устройства.
Таким образом, осуществляется заявленный технический результат, продемонстрированный на фигуре 2 и заключающийся в автоматическом улучшении параметров ДН ЦАР. На фигуре 2 пунктиром изображена ДН ЦАР до автоматической калибровки, сплошной линией - ДН ЦАР после автоматической калибровки.
Описанная полезная модель может быть осуществлена следующим образом. На раскрыв плоской антенной решетки поступает широкополосный сигнал, отраженный от яркого объекта. В приемнике 1 при прохождении N приемных трактов 2 с АЦП сигнал преобразуется из аналоговой формы в цифровую и поступает на соответствующие N модулей 4 поканального комплексного преобразования Фурье. Полученные значения передаются буфер 3 обмена. На вход модуля 6 вычисления комплексных калибровочных коэффициентов, где производится вычисление новых комплексных калибровочных коэффициентов, поступают значения сигнала в выбранном частотном диапазоне из буфера 3 обмена. Далее, из буфера 3 обмена значения сигнала в выбранном диапазоне частот поступают на вход трех модулей 5, 8 и 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, в которых производятся межканальное преобразование Фурье по углу без применения комплексных калибровочных коэффициентов, с применением комплексных калибровочных коэффициентов, хранящихся в модуле 11 памяти, а также с применением вычисленных комплексных калибровочных коэффициентов соответственно.