Устройство автоматической устойчивой частотнозависимой компенсации амплитудных и фазовых рассогласований каналов ЦАР

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, предназначенных для построения трехмерных изображений.
Из существующего уровня техники известна цифровая фазированная антенная решетка, (RU 2584458 С1, опублик. 20.05.2016), которая состоит 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 Μ 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 (RU 186029 U1, опублик. 26.12.2018). Данное устройство автоматической частотно-зависимой компенсации амплитудных и фазовых рассогласований ЦАР содержит N приемных трактов с АЦП, N модулей поканального комплексного быстрого преобразования Фурье (БПФ), N выходных буферов обмена, 3 модуля межканального комплексного БПФ, модуль памяти, модуль вычисления калибровочных коэффициентов, модуля принятия решения, модуля выбора калибровочного объекта. В основном режиме работы производится вычисление новых калибровочных коэффициентов и сравнение результата со старыми калибровочными коэффициентами, которые хранятся в модуле памяти устройства. Для вычисления значений комплексных калибровочных коэффициентов используются объекты в зоне обзора, признанные модулем выбора калибровочного объекта подходящими для калибровки. В случае, если новые комплексные калибровочные значения обеспечивают снижение уровня принятых сигналов вне направления на калибровочный объект, новые значения комплексных калибровочных коэффициентов записываются в память устройства.
Недостатком данного технического решения является отсутствие контроля за качеством вычисляемых калибровочных коэффициентов для различных отражающих объектов, что может в неблагоприятных случаях приводить к снижению фазировки трехмерной радиолокационной картины в целом.
Техническим результатом, который обеспечивается всей совокупностью признаков данной полезной модели, является автоматическая устойчивая компенсация амплитудно-фазовых рассогласований приемных трактов в системах с широкополосным сигналом и цифровым формированием ДН по сигналам, отраженным от объектов в зоне обзора РЛС без необходимости использования эталонного источника, с автоматической верификацией получаемых значений комплексных корректирующих коэффициентов.
Технический результат достигается тем, что устройство автоматической устойчивой частотно-зависимой компенсации амплитудных и фазовых рассогласований ЦАР содержит приемник с N приемными трактами с аналогово-цифровым преобразователем, выход каждого из которых соединен со входом соответствующего модуля комплексного быстрого преобразования Фурье, причем выходы всех N модулей комплексного быстрого преобразования Фурье соединены со входами буфера обмена, выход которого соединен со входами трех модулей межканального комплексного быстрого преобразования Фурье и входом модуля вычисления значений комплексных калибровочных коэффициентов, выход первого модуля межканального комплексного быстрого преобразования Фурье соединен со входом модуля выбора калибровочного объекта и первым входом модуля принятия решения, выход модуля выбора калибровочного объекта соединен со вторым входом модуля вычисления значений комплексных калибровочных коэффициентов, выход которого соединен со вторым входом третьего модуля межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, выход модуля памяти соединен со вторым входом второго модуля комплексного быстрого преобразования Фурье, причем выходы второго и третьего модулей комплексного быстрого преобразования Фурье соединены соответственно с четвертым и третьим входами модуля принятия решения, первый выход которого соединен с модулем памяти, а второй является выходом устройства.
Устройство отличается тем, что в него дополнительно введены модуль верификации значений комплексных калибровочных коэффициентов, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами первого модуля межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, модуля выбора калибровочного объекта и третьего модуля межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, и выход соединен со вторым входом модуля принятия решения, а также модуль долговременной памяти, вход и выход которого соединены соответственно с первым выходом и пятым входом модуля принятия решения.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена блок-схема устройства, а на фиг. 2 изображены ДН ЦАР до и после автоматической устойчивой калибровки.
На фиг. 1 показаны приемник 1, N приемных каналов 2 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, модуль 12 верификации значений комплексных калибровочных коэффициентов, модуль 13 долговременной памяти.
Выходы N приемных трактов 2 с АЦП соединены с N модулями 4 комплексного быстрого преобразования Фурье, выходы которых соединены через буфер 3 обмена со входами трех модулей 5, 8 и 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье; выход буфера 3 обмена соединен с входом модуля 6 расчета комплексных калибровочных коэффициентов; выход первого модуля 5 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье соединен со входами модуля 7 выбора калибровочного объекта, модуля верификации, первым входом модуля принятия решения; выход модуля 7 выбора калибровочного объекта соединен со вторым входом модуля 6 вычисления комплексных калибровочных коэффициентов, а также со вторым входом модуля 12 верификации значений комплексных калибровочных коэффициентов; выход второго модуля 8 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье соединен с четвертым входом модуля 10 принятия решения, второй вход второго модуля 8 межканального комплексного преобразования Фурье соединен с выходом модуля 11 памяти, выход модуля 6 вычисления комплексных калибровочных коэффициентов соединен со вторым входом третьего модуля 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, выход третьего модуля 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье соединен с третьим входом модуля 10 принятия решения и третьим входом модуля 12 верификации комплексных значений калибровочных коэффициентов, выход которого соединен со вторым входом модуля 10 принятия решения, вход и выход модуля 13 долговременной памяти соединены соответственно с первым выходом и пятым входом модуля 10 принятия решения, первый выход которого соединен также со входом модуля 11 памяти, а второй выход является выходом устройства.
На фиг. 2 изображены линия 14 ДН ЦАР до автоматической устойчивой калибровки (пунктирная линия), линия 15 ДН ЦАР после автоматической устойчивой калибровки (сплошная линия).
Устройство автоматической устойчивой частотно-зависимой компенсации амплитудных и фазовых рассогласований каналов ЦАР работает следующим образом. В модуле 13 долговременной памяти устройства хранятся начальные наилучшие K наборов значений комплексных калибровочных коэффициентов для всех анализируемых диапазонов частот, полученные любым способом из перечисленных:
1) путем подачи на вход каждого канала 2 приемника 1 калибровочных сигналов;
2) путем приема сигнала, полученного от калибровочного излучателя;
3) путем прямой записи калибровочных значений в модуль 11 памяти устройства с внешнего носителя;
4) путем последовательного сохранения наилучших наборов калибровочных коэффициентов в модуле 13 долговременной памяти, полученных в результате предыдущей работы устройства.
В основном режиме работы производится вычисление новых комплексных калибровочных коэффициентов, сравнение результата со всеми наборами из K наилучших, хранящихся в модуле 13 долговременной памяти; при этом в случае, если новые комплексные значения калибровочных коэффициентов обеспечивают наилучший технический результат, полученный набор комплексных значений калибровочных коэффициентов записывается в модуль 13 долговременной памяти и модуль 11 памяти для хранения текущего набора комплексных значений калибровочных коэффициентов, иначе выбирается наилучший набор комплексных калибровочных коэффициентов из хранящихся в модуле 13 долговременной памяти. Оцифрованный сигнал поступает с выходов каналов 2 приемника 1 с АЦП на вход модулей 4 комплексного быстрого преобразования Фурье, в которых проводится перевод принятого сигнала из временной области в частотную, и полученные данные поступают 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 комплексных калибровочных коэффициентов, вычисленных в модуле 6 вычисления калибровочных коэффициентов, соответственно. Спектр, полученный в модуле 5 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, поступает на вход модуля 7 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 6 расчета комплексных калибровочных коэффициентов. Вычисление производится следующим образом:
1) Вычисляются значение модулей комплексных калибровочных коэффициентов для каждого приемного канала:
a
i
где i - номер приемного канала,  - комплексная амплитуда отклика БПФ от калибровочного объекта в i-м канале.
2) Вычисляются значения фазы комплексных калибровочных коэффициентов для каждого приемного канала:
a
i
где i - номер приемного канала,  - 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 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 поступают значения 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 модуле 8 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, поступает на вход модуля 10 принятия решения. Спектр, полученный в первом и третьем модулях 5 и 9 межканального комплексного преобразования Фурье поступает на входы модуля 12 верификации комплексных значений калибровочных коэффициентов. В данном модуле происходит проверка новых значений калибровочных коэффициентов следующим образом:
1) Дополнительно к уже определенному калибровочному объекту выбирается Μ верификационных объектов (М>2) по следующим условиям:
а) отклики со всех направлений, отличающихся от направления на верификационный объект, не должен превышать заданного уровня «Порог 3»;
б) отклик от верификационного объекта должен превышать заданный уровень «Порог 4».
2) Для каждого из верификационных объектов проверяется, приводит ли применение новых комплексных калибровочных коэффициентов к снижению уровня принятых сигналов вне направлений на эти объекты. В случае выполнения данного условия для всех объектов, новые значения калибровочных коэффициентов подаются на вход модуля 10 принятия решения. В обратном случае новые значения комплексных калибровочных коэффициентов отбрасываются и соответствующее сообщение подается на вход модуля 10 принятия решения.
На входы модуля 10 принятия решения поступают спектр с выхода модуля 8 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, K наилучших наборов комплексных значений калибровочных коэффициентов с выхода модуля 13 долговременной памяти, текущие значения комплексных калибровочных коэффициентов или сообщение об их отсутствии - с выхода модуля 12 верификации комплексных значений калибровочных коэффициентов, а также спектры с выхода первого модуля 5 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье и выхода третьего модуля 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье. В зависимости от входных данных, модуль принятия решений выполняет одну из следующих операций:
1) Если с выхода модуля 12 верификации комплексных значений калибровочных коэффициентов получено сообщение об отсутствии новых значений комплексных калибровочных коэффициентов, модуль принятия решения вычисляет уровни сигнала вне направлений на верификационные объекты для каждого набора комплексных калибровочных коэффициентов из K наилучших, хранящихся в модуле 13 долговременной памяти, и выбирает тот набор, применение которого обеспечивает наименьшее значение отношения сигнала вне направлений на верификационные объекты к сигналу, полученному с направлений на верификационные объекты.
2) Если с выхода модуля 12 верификации комплексных значений калибровочных коэффициентов получены новые значения комплексных калибровочных коэффициентов, модуль принятия решения вычисляет уровни сигнала вне направлений на верификационные объекты для каждого набора комплексных калибровочных коэффициентов из K+1 наилучших, включая текущий набор и те K наборов, которые хранятся в модуле 13 долговременной памяти; и выбирает тот набор, применение которого обеспечивает наименьшее значение отношения сигнала вне направлений на верификационные объекты к сигналу, полученному с направлений на верификационные объекты.
Если наилучший набор комплексных значений калибровочных коэффициентов определен для выбранного диапазона частот, то новые комплексные калибровочные коэффициенты с выхода модуля принятия решения поступают на вход модуля 11 памяти. На основании уровня сигналов вне направления на калибровочный объект формируются новые K наилучших наборов комплексных значений калибровочных коэффициентов, которые поступают на вход модуля 13 долговременной памяти и записываются. Второй выход модуля принятия решения является выходом устройства, по которому передаются значения наилучшего набора калибровочных коэффициентов, а также результат межканального комплексного БПФ с использованием этих значений.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, заключающийся в автоматическом устойчивом улучшении параметров ДН ЦАР, что продемонстрировано на фиг. 2, где показаны линии 14 и 15 ДН ЦАР до и после автоматической устойчивой 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. Также, 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. Спектры, полученные в модулях 5 и 9 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье, поступают на вход модуля 12 верификации комплексных значений калибровочных коэффициентов, где проводится проверка качества полученных значений. На входы модуля 10 принятия решения поступают: спектр, полученный с использованием текущих значений комплексных калибровочных коэффициентов во втором модуле 8 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье; спектр, полученный без использования калибровочных коэффициентов в первом модуле 5 межканального комплексного быстрого преобразования Фурье; новые калибровочные коэффициенты с выхода модуля 12 верификации комплексных значений калибровочных коэффициентов; K наилучших наборов комплексных значений калибровочных коэффициентов с выхода модуля 13 долговременной памяти; а также спектр, полученный в модуле 9 межканального комплексного преобразования Фурье с использованием новых калибровочных коэффициентов. Среди всех наборов калибровочных значений определяется единственный набор, обеспечивающий наилучший технический результат, заключающийся в автоматическом и устойчивом улучшении параметров ДН ЦАР.