МНОГОЧАСТОТНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ЦЕЛИ
MULTI-FREQUENCY ANTENNA ARRAY WITH DIGITAL SIGNAL PROCESSING FOR DETERMINING COORDINATES OF RADAR TARGET

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиолокационных станциях, предназначенных для обнаружения целей, определения дальности до цели и определения координат цели.
Известны многодиапазонные антенны [см. "Зарубежная радиоэлектроника" №3, 1978, стр. 38-62]. Двухчастотные антенные решетки частный случай таких антенн [см. Л.И. Пономарев, В.И. Степаненко "Сканирующие многочастотные антенные решетки" / Под ред. Л.И. Понамарева. - М.: Радиотехника, 2009. - 328 с., ил.]. Известно устройство с использованием четырех типов волноводных излучателей, предназначенная для формирования с одного раскрыва электрически управляемого излучения в диапазоне 1-10 ГГц [Boyns J.Е., Provencher J.Н., Experimental results of a multifrequency array antenna. - IEEETrans. AP, 1972, 20, no. 1, p. 107-106].
Недостатком известных устройств является то, что в них сканирование пространства осуществляется за счет фазового сдвига сигнала на каждом антенном элементе посредством фазовращателей, при этом информация о радиолокационной обстановке в рабочей зоне получается за счет многократного зондирования пространства, что приводит к значительным временным затратам при сканировании всей рабочей зоны, а также то, что эхосигналы, полученные при зондировании пространства на различных частотах, обрабатываются независимо, тем самым не обеспечивается точность определения координат цели по дальности за счет когерентного сложения сигналов различных частот.
Наиболее близким по технической сущности устройством является сканирующая антенна, схема которой приведена на фиг.2 [Заявка № 2153076, Франция, публикация 1 июня 1973], содержащая: систему формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот (1) и N излучающих элементов (2), параллельно соединенных с этой системой, причем частоты сигналов по элементам решетки от 1-го до N-ого располагаются в порядке возрастания или убывания частоты, а величина дискета частоты Δf между соседними элементами является постоянной величиной.
1
1
N
<mrow><mi>Δ</mi><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>λ</mi><mi>N</mi></msub></mrow><mi>N</mi></mfrac></mrow>
Недостатком наиболее близкого технического решения является невозможность одновременного определения углового положения цели и ее дальности, что связано с особенностью формирования максимума интенсивности суммарного сигнала, формируемого прототипом (см. фиг. 3), а так же интервал времени, необходимый для обзора всей рабочей зоны из-за необходимости многократного зондирования пространства, что обусловлено отсутствием возможности апостериорной обработки сигналов. Особенность заключается в том, что максимум интенсивности суммарного сигнала при расположении частот по элементам решетки в порядке возрастания или убывания имеет характерную форму в виде дуги окружности. Такая форма максимума интенсивности позволяет определить дальность до цели, но не позволяет с высокой точностью определить угловые координаты цели. Авторами выполнены расчеты максимума интенсивности суммарного сигнала в фиксированный момент времени применительно к изотропным излучающим элементам при следующих начальных условиях: число излучающих элементов N=54, расстояние между элементами d=0.5 λ, λ=0.09 м, λ=0.03 м,
. Причем частоты сигналов по элементам решетки от 1-го до N-ого располагаются последовательно в порядке возрастания частоты. Расчет проведен согласно выражению:
где  - вектор координат точки расположения i-ого излучающего элемента, x и y - координаты точки наблюдения,  - волновое число,  - расстояние от точки наблюдения до i-ого излучающего элемента.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения координат цели при одновременном повышении быстродействия.
Указанный технический результат достигается тем, что известное устройство, содержащее систему формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот и N излучающих элементов, параллельно соединенных с этой системой, отличается тем, что в него введены N аналоговых приемников, N аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), устройство хранения результатов измерений, суммирующее устройство, N умножителей, вычислительное устройство, устройство отображения результатов измерений и устройство управления, причем N излучающих элементов параллельно соединены с N аналоговыми приемниками, которые параллельно соединены с АЦП, которые параллельно подключены к устройству хранения результатов измерений, N выходов которого подключены к соответствующим входам умножителей, выходы которых подключены к N входам суммирующего устройства, выход которого подсоединен к устройству управления, выходы которого подключены соответственно к системе формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот, к устройству отображения результатов измерений, к устройству хранения результатов измерений и вычислительному устройству, N выходов которого параллельно подсоединены к N умножителям, причем выходы системы формирования когерентной сетки частот соединены с входами излучающих элементов, расстояние между соседними излучающими элементами выбирают равным половине длины волны, соответствующей минимальной частоте, формируемой системой формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот, излучающие элементы располагают так, чтобы сигналы с различными частотами были распределены по номерам излучающих элементов от 1-го до N-ого по случайному закону.
Предлагаемая конструкция устройства позволяет повысить точность определения координат цели за счет многоканального приема, цифровой совместной апостериорной обработки разночастотных сигналов и случайного распределения сигналов с различными частотами по номерам излучающих элементов (см. фиг. 4), а также повысить быстродействие за счет однократного излучения и приема разночастотных сигналов и получения информации о радиолокационной обстановке в рабочей зоне на этапе обработки, а не за счет многократного зондирования пространства во времени.
1
1
N
<mrow><mi>Δ</mi><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>λ</mi><mi>N</mi></msub></mrow><mi>N</mi></mfrac></mrow>
Авторами выполнены расчеты максимума интенсивности суммарного сигнала, формируемого на этапе обработки эхосигналов, применительно к изотропным излучающим элементам при следующих начальных условиях: число излучающих элементов N=54, расстояние между элементами d=0.5 λ, λ=0.09 м, λ=0.03 м,
. Причем частоты сигналов по элементам решетки от 1-го до N-ого располагаются в случайном порядке. Расчет проведен согласно выражению:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mrow><mi>λ</mi><mi>i</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>L</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
- вектор координат точки расположения i -ого излучающего элемента, x и y - координаты точки наблюдения,
- волновое число,
- расстояние от точки наблюдения до i-ого излучающего элемента. Из сравнения результатов расчета, представленных на фиг. 3 и фиг. 4, видно, что максимум интенсивности суммарного сигнала, формируемого заявляемым устройством, позволяет точнее определить координаты радиолокационной цели.
Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что аналоги, характеризующие совокупность признаков, идентичных всем признакам заявляемого технического решения, содержащимся в предложенной заявителем формуле изобретения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявляемого изобретения условию охраноспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного устройства, показали, что в общедоступных источниках информации не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Из уровня техники также не подтверждена известность влияния отличительных признаков заявляемого изобретения на указанный заявляемый технический результат, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявляемое техническое решение "Многочастотная антенная решетка с цифровой обработкой сигналов для определения координат радиолокационной цели" промышленно применимо, так как совокупность характеризующих его признаков обеспечивает возможность его осуществления, работоспособность и воспроизводимость, и для его реализации могут быть использованы стандартные материалы и оборудование.
На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства. На фиг. 2 представлена структурная схема прототипа. На фиг. 3 приведено пространственное распределение интенсивности сигнала, сформированного прототипом. На фиг. 4 приведено пространственное распределение интенсивности сигнала, сформированного заявляемым устройством. На фиг. 5 представлена схема алгоритма работы заявляемого устройства. На фиг. 6 схематически представлено разбиение рабочей зоны на М элементов разрешения.
Многочастотная антенная решетка с цифровой обработкой сигналов для определения координат радиолокационной цели содержит: систему формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот (1) и N излучающих элементов (2.1-2.N), параллельно соединенных с этой системой, N аналоговых приемников (3.1-3.N), N аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) (4.1-4.N), устройство хранения результатов измерений (5), N умножителей (61-6.N), вычислительное устройство (7), суммирующее устройство (8), устройство отображения результатов измерений (9) и устройство управления (10), причем N излучающих элементов параллельно соединены с N аналоговыми приемниками, которые параллельно соединены с АЦП, которые параллельно подключены к устройству хранения результатов измерений, N выходов которого подключены к соответствующим входам умножителей, выходы которых подключены к N входам суммирующего устройства, выход которого подсоединен к устройству управления, другие выходы которого подключены соответственно к системе формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот, к устройству отображения результатов измерений, к устройству хранения результатов измерений и вычислительному устройству, N выходов которого параллельно подсоединены к N умножителям, причем выходы системы формирования когерентной сетки частот соединены со входами излучающих элементов, расстояние между соседними излучающими элементами выбирают равным половине длины волны, соответствующей минимальной частоте, формируемой системой формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот, излучающие элементы располагают так, чтобы сигналы с различными частотами были распределены по номерам излучающих элементов от 1-го до N-ого по случайному закону.
В качестве излучающих элементов (2.1-2.N) могут использоваться щелевые, микрополосковые или вибраторные излучатели, открытые концы волноводов различного типа и размера, а также сочетание указанных или иных типов излучателей. Излучающие элементы (2.1-2.N) закрепляются на основании из композитного материала.
Сигналов с различными частотами по излучающим элементам (2.1-2.N) от 1-го до N-ого распределены по случайному закону.
Устройство хранения результатов измерений (5), умножители (6.1-6.N), вычислительное устройство (7), суммирующее устройство (8) могут быть реализованы с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Управляющее устройство (10) так же может быть реализовано с использованием ПЛИС либо реализовано на ЭВМ типа IBM.
Остальные блоки и устройства, входящие составной частью в устройство, выполняются по типовым требованиям для данных устройств.
<mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
Алгоритм работы многочастотной антенной решетки с цифровой обработкой сигналов для определения координат радиолокационной цели (фиг. 4) следующий. Из управляющего устройства (10) подаются управляющие сигналы на систему формирования когерентной сетки эквидистантно расстроенных частот (1), на устройство хранения результатов измерений (5) и на вычислительное устройство (7). При поступлении управляющего сигнала на устройство хранения результатов измерений (5) оно переходит в режим записи. При поступлении управляющего сигнала системой формирования когерентной сетки частот (1) передаются сигналы на излучающие элементы (2.1-2.N). При этом в пространстве формируется зондирующий сигнал вида
,
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
i
где
- вектор координат i-ого излучающего элемента, f - рабочая частота i-ого излучающего элемента. Эхосигналы
, i=1, …, N, поступают на N излучающих элементов (2.1-2.N), принимаются аналоговыми приемниками (3.1-3.N), преобразуются аналогово-цифровыми преобразователями (4.1-4.N) в цифровую форму и записываются в устройство хранения результатов измерений.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mi>i</mi><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>ϕ</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>c</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Ω</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>→</mo></mover><mi>j</mi></msub><mo>,</mo><msub><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
В результате в устройстве хранения результатов измерений (5) сохраняется набор значений амплитуд и фаз эхосигналов
, i=1 …, N, где
- волновое число, с - скорость света. После поступления сигналов устройство хранения результатов измерений (5) переходит в режим хранения и передачи сигналов на умножители (6.1-6.N). Полученные сигналы поступают на соответствующие умножители (6.1-6.N). При поступлении управляющего сигнала на вычислительное устройство (7) в нем происходит вычисление N комплексных весовых коэффициентов
для j=1 по формуле:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>→</mo></mover><mi>j</mi></msub></mrow>
oi
i
где
- вектор, определяющей положение центра j -го элемента разрешения (см. фиг 6), j=1…М, γ - начальная фаза излучаемого сигнала на частоте f.
<mrow><mover accent="true"><mi>Ω</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>→</mo></mover><mi>j</mi></msub><mo>,</mo><msub><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>S</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mi>i</mi><msub><mi>k</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>ϕ</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msup></mrow>
<mrow><mi>Z</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Рассчитанные комплексные весовые коэффициенты поступают на соответствующие умножители (6.1-6.N). Значения, полученные перемножением соответствующих комплексных весовых коэффициентов
и комплексных амплитуд
, поступают на суммирующее устройство (8), где они суммируются, а с его выхода поступают на управляющее устройство (10), где сохраняется модуль полученного комплексного значения
.
<mrow><mi>Z</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
После сохранения на вычислительное устройство (7) поступает управляющий сигнал и происходит расчет комплексных весовых коэффициентов для j=2. Рассчитанные комплексные весовые коэффициенты поступают на соответствующие умножители (6.1-6.N). Значения с выходов умножителей поступают на суммирующее устройство (8), а с его выхода - на управляющее устройство (10), где сохраняется модуль полученного комплексного значения
. Таким образом вычисляют сигнальную функцию (апостериорное когерентное сложение эхосигналов, полученных при зондировании пространства):
<mrow><mi>Z</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mover accent="true"><mi>R</mi><mo>→</mo></mover><mi>j</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Когда j=М+1, управляющее устройство (10) подает сигнал на устройство отображения результатов измерений (9) и на нем отображаются рассчитанные значения
, j=1…M.