СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК (ЦАР) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
RADAR RANGING METHOD USING DIGITAL ANTENNA ARRAYS (DAA) AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к способам и устройствам радиолокации. Изобретение может использоваться для обнаружения объектов и детектирования их координат в широком секторе обзора.
Аналогом является способ, использующий линейную решетку из М передающих элементов и L приемных элементов /1/. Элементы антенны расположены на одной прямой, излучаемые передающими элементами сигналы ортогональны. Обработчик формирует расширенный набор данных, эквивалентный радару с большим число элементов. Основным недостатком является совмещенное размещение элементов на прямой, ограничивающее развязку между передатчиком и приемником и возможности обзора в угломестной плоскости.
Другим аналогом является способ, использующий N передающих элементов и М приемных элементов, расположенных горизонтально в два ряда /2/. Использование ортогональных сигналов увеличивает разрешение устройства в азимутальной плоскости. Недостатком устройства является ограничение по разрешению в угломестной плоскости и использование большого числа элементов.
Наиболее близкими по достигаемому результату и технической сущности являются способ и устройство, использующие цифровую антенную решетку (ЦАР) из N приемников и М передатчиков /3/. Способ использует сигнал с пилообразной линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Сформированный ЛЧМ-сигнал поступает в передающие каналы, усиливается и излучается. Для разделения передающих каналов сигнал кодируется входящими в состав каналов ключами и фазовращателями. За счет различия между сигналами разных передатчиков формируется виртуальная антенная решетка. Виртуальную антенную решетку можно рассматривать как решетку с M*N элементами. Расположение элементов виртуальной решетки определяется комбинациями положений реальных элементов. Размеры виртуальной решетки больше размеров реальных решеток, что позволяет достичь высокого углового разрешения с низкими значениями дифракционных максимумов диаграммы направленности, при использовании меньшего числа реальных элементов. Основным недостатком является использование непрерывного пилообразного ЛЧМ-сигнала, так как период ЛЧМ-сигнала ограничивает максимальную дальность однозначного детектирования и частоту повторения импульсов (ЧПИ). Обеспечение разделения между сигналами требует формирования комбинаций фазовых состояний передатчиков с дальнейшей фазовой коррекцией. Требование к обработке множества комбинаций увеличивает длительность обрабатываемого сигнала. Уменьшение ЧПИ является нежелательным для доплеровской обработки. Выполнение требований к ЧПИ при использовании непрерывного ЛЧМ-сигнала накладывает ограничения на максимальную дальность работы устройства и количество передающих элементов. Для достижения требований к угловому разрешению и уровню дифракционных максимумов диаграммы направленности необходимо определенное число элементов виртуальной решетки. Число элементов виртуальной решетки равно произведению числа передатчиков на число приемников. Увеличение числа передатчиков уменьшает требования к мощности каждого индивидуального устройства. Уменьшение числа приемников уменьшает требования к пропускной способности канала данных между приемниками и обработчиком. Минимальное общее число элементов достигается при одинаковом количестве передатчиков и приемников. При наличии ограничений на число передатчиков для получения требуемого числа элементов виртуальной решетки требуется большее число приемников.
Задачей изобретения является формирование виртуальной антенной решетки с большим числом элементов при использовании малого числа реальных приемных элементов.
Это достигается путем использования в каждом передающем канале модулятора, обеспечивающего фазо-кодовую манипуляцию псевдошумовыми последовательностями с низкой взаимной корреляцией, что позволяет использовать большее число передатчиков.
Способ радиолокации с использованием цифровых антенных решеток, включающий передачу сигнала с цифровой антенной решетки, включающей М≥2 независимых передатчиков, прием цифровой антенной решеткой, включающей N≥2 независимых приемников, с формированием виртуальной антенной решетки с M*N элементами, отличающийся тем, что каждый передатчик излучает сигнал с фазовой модуляцией псевдошумовой последовательностью, уникальной для каждого передатчика и обладающий низкой взаимной корреляцией с остальными модулирующими последовательностями.
В качестве псевдослучайных последовательностей могут применяться, без ограничения общности, бинарные фазовые последовательности максимальной длины (М-последовательности) или полифазные последовательности.
Устройство для радиолокации, использующее цифровую антенную решетку с N≥2 приемных элементов, с модулем дискретизации и квантования в каждом приемнике, и цифровую антенную решетку М≥2 передающих элементов, отличающееся тем, что в каждом передающем канале есть модулятор, обеспечивающий фазо-кодовую манипуляцию.
Модуль дискретизации и квантования может включать в себя квадратурный демодулятор и двухканальный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), либо АЦП, работающий в n-ой зоне Найквиста.
В качестве модулирующих сигналов используются псевдошумовые последовательности. Данный тип модуляции позволяет создавать большое число длинных сигналов, обладающих низкой взаимной корреляцией. Низкая взаимная корреляция сигналов устраняет ограничения на количество одновременно задействованных передатчиков без использования временного разделения сигналов. Использование большего числа передатчиков позволяет уменьшить требования к индивидуальному передатчику и уменьшить число приемников для достижения требуемого числа элементов виртуальной решетки.
Модулированные сигналы излучаются одновременно М передатчиками, а отраженные от целей сигналы принимаются N приемниками. Принятые сигналы преобразуются в цифровой вид модулем дискретизации и квантования и поступают в обработчик. В обработчике сигнал из каждого принятого канала проходит согласованную фильтрацию с использованием М согласованных фильтров, соответствующих последовательностям передатчиков. Полученные N*M сигналов формируют виртуальную антенную решетку. Сигналы виртуальной антенной решетки могут обрабатываться с помощью существующих методов обнаружения направления прихода сигнала.
На Фиг. 1 представлена логическая схема формирования виртуальной антенной решетки при использовании 4 передающих и 4 приемных элементов, где:
1 - первый передающий элемент,
2 - второй передающий элемент,
3 - третий передающий элемент,
4 - четвертый передающий элемент,
5 - первый приемный элемент,
6 - второй приемный элемент,
7 - третий приемный элемент,
8 - четвертый приемный элемент,
9 - фильтр, согласованный с сигналом первого передающего элемента,
10 - фильтр, согласованный с сигналом второго передающего элемента,
11 - фильтр, согласованный с сигналом третьего передающего элемента,
12 - фильтр, согласованный с сигналом четвертого передающего элемента,
13 - виртуальная антенная решетка.
На Фиг. 2 представлена структура устройства, реализующего описываемый метод, где:
14 - источник модулирующих сигналов,
15 - модулятор,
16 - генератор несущей частоты,
17 - усилитель мощности,
18 - передающий антенный элемент,
19 - приемный антенный элемент,
20 - малошумящий усилитель мощности,
21 - модуль дискретизации и квантования,
22 - обработчик.
Предложенный способ радиолокации с использованием ЦАР с множеством сигналов позволяет получать информацию обо всем обозреваемом угловом пространстве за один цикл излучения и приема сигналов.
В устройстве, реализующем данный метод, используется цифровая антенная решетка с М≥2 передающих и цифровая антенная решетка с N≥2 приемных элементов. Каждый передающий канал содержит модулятор, который излучает сигнал, уникальный среди одновременно излучаемых сигналов. Каждый приемник передает полную информацию в обработчик. Каждый передающий элемент однозначно связан со своим индивидуальным излучаемым сигналом и положением, известным обработчику. Передаваемые сигналы являются фазо-кодо-манипулированными сигналами. В качестве модулирующих последовательностей используются псевдошумовые последовательности. Критериями при выборе последовательностей для передачи являются низкие значения взаимнокорреляционных функций и боковых лепестков апериодических автокорреляционных функций. Расположение элементов фиксировано и известно обработчику. Критериями при выборе расположения элементов являются низкие значения боковых лепестков функции определения направления прихода отраженного сигнала и малая ширина основного лепестка функции определения направления прихода отраженного сигнала. Излучаемые каждым передатчиком сигналы индивидуальны и хорошо выделяемы на фоне друг друга благодаря согласованной фильтрации и низкой взаимной корреляции. Используемая последовательность однозначно определяет передатчик, ее излучивший. Различные комбинации приемных элементов и согласованных фильтров обеспечивают формирование сигналов виртуальной антенной решетки. Устройство с М передатчиками и N приемниками можно рассматривать как устройство с 1 передатчиком (приемником) и M*N приемниками (передатчиками). Используя информацию о пространственном расположении элементов и сигналы виртуальной антенной решетки возможно проведение анализа направления прихода отраженного от цели сигнала.
1
2
3
4
1
2
3
4
Рассмотрим пример устройства, использующего 4 передающих и 4 приемных элемента. Логическая структура представлена на Фиг. 1. Передающие и приемные элементы расположены в одной плоскости. Передающие элементы 1…4 расположены в виде прямоугольного массива с шагом по обеим осям λ, приемные элементы 5…8 расположены в виде прямоугольного массива с шагом по обеим осям λ/2. Каждый передающий элемент излучает сигнал, модулированный индивидуальной последовательностью, s, s, s, s. Приемные элементы 5…8 принимают суммы сигналов r, r, r, r:
прд
npм
где d - межэлементное расстояние передающей решетки, d - межэлементное расстояние приемной решетки.
Сигналы, принятые приемными элементами преобразуются модулем дискретизации и квантования в цифровой вид и поступают на согласованные фильтры 9…12. Фильтры согласованы с модулирующими последовательностями излучаемых сигналов. С помощью согласованной фильтрации выделяются все индивидуальные составляющие принятого сигнала. После извлечения составляющих сигналов формируется виртуальная решетка из 16 элементов. Сигналы на элементах рассматриваемой виртуальной решетки представлены в таблице 1. Фазовое распределение на элементах виртуальной решетки соответствует решетке с межэлементным расстоянием равным λ/2. Дальнейшая обработка сигналов элементов виртуальной решетки ведется с использованием алгоритмов определения направления прихода сигнала.
Использование одновременной фазовой модуляции сигнала с различными индивидуальными последовательностями позволяет убрать ограничения по дальности, вызванные использованием непрерывной ЛЧМ, а также увеличить число передатчиков благодаря более низкой взаимной корреляции. В результате, при фиксированных требованиях к виртуальной антенной решетке, уменьшаются требования к индивидуальному передатчику, уменьшается необходимое число элементов приемной ЦАР.
Источники информации:
1 - Патент США 20190049577.
2 - Патент США 20190011532.
3 - Патент США 9541638 - прототип.