Адаптивная антенная система для панорамного радиоприемника
ADAPTIVE ANTENNA SYSTEM FOR PANORAMIC RADIO RECEIVER

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к области антенной техники, и может использоваться в составе панорамных радиоприемных устройств в ходе радиомониторинга радиоэлектронной обстановки и оценке параметров сигналов источников радиоизлучений, радиоаппаратуре потребителей глобальных навигационных спутниковых систем, панорамных радиоприемников систем ближней навигации.
Одной из важных задач, решаемых при проведении ряда мероприятий радиоэлектронного (радиотехнического) обеспечения, является оценка радиоэлектронной обстановки (РЭО) в некотором районе (секторе) пространства. При этом достаточно часто возникает необходимость оценивания параметров сигналов источников радиоизлучений (ИРИ). Известно, что достоверность и точность оценок зависят от отношения сигнал/(помеха+шум) (ОСПШ) на входе радиоприемника поста контроля РЭО, см. например В.И. Тихонов «Статистическая радиотехника» - М.: «Советское радио», 1966 г., стр. 486, 493, 500: соответственно, приведены аналитические выражения, отражающие зависимости дисперсии оценки параметров сигналов от отношения сигнал/шум (ОСШ) для амплитуды - формула (12.2.10), для частоты - (12.2.27) и графики нормированной среднеквадратической ошибки измерения смещения частоты от ОСШ на рис. 12.4. В настоящее время для сбора, передачи и обработки информации широко используются радиоэлектронные средства (РЭС) различного назначения со значительно отличающимися энергетическими характеристиками, поэтому ОСПШ на входе радиоприемника контроля РЭО может изменяться в широких пределах. Известно, см. например «Защита от радиопомех» под ред. М.В. Максимова - М.: Советское радио, 1976 г., стр. 131, 146, 147, что одним из методов повышения ОСПШ является использование пространственной селекции интересующих ИРИ, т.е. применение антенных систем (АС) с узкими главными лепестками диаграмм направленности (ДН). Однако реализация этого метода осложняет проведение контроля РЭО в большой области пространства. Кроме того, часто оказываются неизвестными (или изменяющимися) пространственные характеристики ИРИ, что приводит к сложностям применения остронаправленных АС из-за необходимости их переориентирования или сканирования в заданном диапазоне пространственных параметров.
Антенные системы панорамных радиоприемников (ПРП) должны удовлетворять разнообразным, а порой и противоречивым требованиям. Важнейшими из них являются следующие:
ширина главного лепестка ДН антенны должна быть такой, чтобы обеспечить прием сигналов из всего заданного сектора пространства, как правило, достаточно большого. Контроль РЭО ведется, как правило, в азимутальном секторе Δα от 90° и более, в угломестном Δε - от 0° до 90°;
главный лепесток ДН антенны для увеличения ОСГТШ в интересах повышения точности измерения параметров сигналов должен быть по возможности узким.
Эти требования могут быть выполнены на основе использования методов пространственной обработки сигналов, реализуемых адаптивными АС (ААС).
Известны адаптивные антенные системы (устройства) с возможностью управления шириной и положением главного лепестка ДН антенны:
Адаптивное антенно-фидерное устройство, описанное в В.В. Юдин «Адаптивное антенно-фидерное устройство с управляемой шириной диаграммы направленности» - Антенны. 2002, №1 (56) с. 25-28, состоящее из последовательно соединенных генератора СВЧ сигнала, модулятора, оптического разветвителя, интегрально-оптических линий задержки, объединителя и модулей антенной решетки (АР), а также гетеролазера, выход которого подключен ко второму входу модулятора, обеспечивает управление формой ДН и сканированием луча кольцевой АР, посредством переключения фотодиодов за счет параллельной работы блоков временного смещения - работы схемы параллельного сканирования. При этом результирующая ДН является линейной композицией секторных, т.е. зависит от количества подключенных антенных элементов (АЭ). Недостатком этого устройства является то, что время коммутации таких систем может достигать единиц секунд, а возможности управления шириной главного лепестка и положением его максимумов зависят от количества АЭ и их характеристик направленности.
В антенной системе, описанной в Л.Д. Бахрах, Д.Ф. Зайцев «Системы сканирования фазированных антенных решеток на базе аналоговой фотоники» - Антенны. 2004, №2 (81), с. 3 - 15, состоящей из n - элементной кольцевой АР, к входам которой через корректирующие четырехполюсники подключены выходы блока n×n размерной матрицы Батлера, к входам которого, в свою очередь, подключены блоки дополнительных матриц Батлера, обеспечивающие формирование секторных диаграмм. В этой АС с помощью блока матриц Батлера формируется система лучей, перекрывающая соответствующий подсектор, формирование ДН с требуемыми показателями осуществляется за счет выбора параметров (установок) матриц Батлера. Сканирование ДН осуществляется за счет переключения оптических линий задержки. Данное устройство предназначено для исключения взаимных помех множества обслуживаемых корреспондентов в некотором секторе пространства, имеет сложную конструкцию, а управление положением глазного лепестка ДН осуществляется только на основе априорной информации о местоположении ИРИ, то есть задача формирования главного лепестка ДН в направлении ИРИ, местоположение которого заранее неизвестно, не решается.
В адаптивной ААС, описанной в Р.А. Монзинго, Т.У. Миллер «Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию». - М.: Радио и связь, 1986, с. 148, содержащей n АЭ, n линий задержки, n сумматоров, последовательно соединенные генератор контрольного сигнала, блок определения разности, вспомогательный адаптивный процессор и ведомый процессор, первый выход которого является выходом ААС, причем выход генератора контрольного сигнала подключен к сигнальным входам всех линий задержки, выход каждой из которых подключен к первому входу соответствующего сумматора, выход каждого из которых подключен к соответствующему входу вспомогательного адаптивного процессора, корректирующий выход которого подключен к второму входу блока определения разности. Такая ААС обеспечивает управление шириной ДН и ориентированием главного лепестка ДН. Однако она имеет возможность формирования остронаправленного луча ДН в заданном направлении лишь при наличии априорной информации о местоположении ИРИ. Поэтому при использовании этой ААС в составе ПРП оценивание параметров обнаруженного сигнала с неизвестным местоположением может производиться только при широком главном лепестке ДН АС.
Наиболее близкой к заявляемой является ААС, патент РФ на изобретение №2679486, содержит АЭ 1.1…1.n, преселекторы 2.1…2.n, блоки формирования ДН 3.1…3.m, контроллер 4, выходы которого подсоединены к (n+4)-м входам соответствующих блоков формирования ДН 3, а к входам контроллера 4 подсоединены вторые выходы соответствующих блоков формирования ДН 3, причем первый вход каждого из преселекторов 2 подключен к выходу соответствующего АЭ 1, вторые входы всех преселекторов 2 объединены и являются входом управления перестройкой преселекторов 2, а выход каждого из преселекторов 2 подключен к соответствующим входам каждого блока формирования ДН 3, (n+1)-е входы блоков формирования ДН 3 являются входами переключения режимов работы ААС, (n+2)-е входы блоков формирования ДН 3 являются входами начальной установки ААС, (n+3)-е входы блоков формирования ДН 3 являются входами кода частоты, (n+4)-е входы блоков формирования ДН 3 являются управляющими входами, (n+5)-е входы всех блоков формирования ДН 3 соединены с вторыми входами преселекторов, а первые выходы блоков формирования ДН 3 являются выходами ААС.
ири
Данная ААС в режиме оценивания обеспечивает формирование нескольких (до m) узконаправленных лучей ДН в направлении нескольких одновременно работающих ИРИ с произвольным местоположением за счет того, что ведомый процессор 13 каждого блока формирования ДН 3 выполняет роль пространственного фильтра, пропускающего на вход ПРИ сигналы, приходящие с направления обнаруженного ИРИ в узком луче сформированной ДНА АС (на фиг. 2 с направления α). Так как обнаружение сигналов в режиме контроля в соответствии с начальной установкой производится в пределах заданного сектора, то и узкий луч ДНА в каждом блоке формирования ДН 3 в режиме оценивания формируется в пределах этого сектора, поскольку за его пределами сигналы не обнаруживаются.
Применение такой ААС обеспечивает повышение пропускной способности ПРП за счет формирования нескольких остронаправленных лучей ДН ААС в направлении обнаруженных ИРИ с произвольным местоположением в пределах заданного сектора пространства, увеличения коэффициента усиления ААС и, следовательно, повышения отношения сигнал/помеха+шум на выходе каждого блока формирования ДН 3 при оценивании параметров сигналов.
Однако в некоторых классах измерительных радиотехнических систем (например, в глобальных спутниковых навигационных системах, как доказано в Ярлыков М.С.«Статистическая теория радионавигации». - М.: Радио и связь, 1985, 345 с.) точность оценивания параметров сигналов повышается при приближении угловой разности визирования ИРИ к 90°. Для повышения точности оценивания параметров необходимо из всех сигналов ИРИ, воздействующих на ПРП с ААС, выбрать источники, направления на которые отличаются на углы, наиболее близкие к 90°
Задача изобретения - повышение точности оценивания навигационных параметров сигналов при использовании ПРП с ААС за счет пространственной селекции источников сигналов с направлений, отличающихся на углы, близкие к 90° т.е. обеспечения возможности формирования нескольких (узких) остронаправленных лучей ДН ААС в направлении обнаруженных одновременно работающих ИРИ с разностью углов визирования, наиболее близкой к 90°.
Для решения поставленной задачи в известную ААС, содержащую АЭ 1.1…1.n, преселекторы 2.1…2.n, блоки формирования ДН 3.1…3.m, контроллер распределения сигналов 4, выходы которого подсоединены к (n+4)-м входам соответствующих блоков формирования ДН 3, а к входам контроллера распределения сигналов 4 подсоединены вторые выходы соответствующих блоков формирования ДН 3, причем первый вход каждого из преселекторов 2 подключен к выходу соответствующего АЭ 1, вторые входы всех преселекторов 2 объединены и являются входом управления перестройкой преселекторов 2, а выход каждого из преселекторов 2 подключен к соответствующим входам каждого блока формирования ДН 3, (n+1)-е входы блоков формирования ДН 3 являются входами переключения режимов работы ААС, (n+2)-е входы блоков формирования ДН 3 являются входами начальной установки ААС, (n+3)-е входы блоков формирования ДН 3 являются входами кода частоты, (n+4)-е входы блоков формирования ДН 3 являются управляющими входами, (n+5)-е входы всех блоков формирования ДН 3 соединены с вторыми входами преселекторов, а первые выходы блоков формирования ДН 3 являются выходами ААС, введен контроллер выбора ИРИ 5, выходы которого соединены с (n+6)-ми входами соответствующих блоков формирования ДН, а к входам контроллера выбора ИРИ 5 подключены третьи выходы соответствующих блоков формирования ДН 3.
Введение в известную ААС контроллера выбора ИРИ 5 и соответствующих связей позволит повысить точность оценивания навигационных параметров с помощью ПРП, в составе которого применяется ААС. Это достигается за счет пространственной селекции нескольких сигналов (путем формирования нескольких остронаправленных лучей ДН ААС в направлении обнаруженных одновременно работающих ИРИ с направлений, отличающихся на углы, близкие к 90°), увеличения коэффициента усиления ААС в направлении каждого из обнаруженных ИРИ и, следовательно, повышения отношения сигнал/помеха+шум на выходе ААС при оценивании параметров сигналов приходящих с направлений, отличающихся на углы, близкие к 90°. Число лучей ДН определяется количеством блоков формирования ДН и равно m.
При изучении других известных технических решений в данной области техники указанная совокупность признаков, отличающая изобретение от прототипа, не была выявлена.
На фиг. 1 приведена структурная схема ААС для ПРП, на фиг. 2 - ДН ААС в азимутальной плоскости, на фиг. 3 - структурная схема блока формирования ДН, на фиг. 4 - структурная схема линии задержки, на фиг. 5 - структурная схема вспомогательного адаптивного процессора, на фиг. 6 - структурная схема ведомого процессора, на фиг. 7 - структурная схема блока взвешенного сложения ведомого процессора, на фиг. 8 - структурная схема блока определения пространственных параметров сигналов, на фиг. 9 - структурная схема блока корреляционной матрицы сигнала (для упрощения рисунка при n=3), на фиг. 10 - структурная схема коррелятора, на фиг. 11 - структурная схема контроллера распределения сигналов, на фиг. 12 - структурная схема контроллера выбора ИРИ.
Заявляемая ААС для ПРП содержит АЭ 1.1…1.n, преселекторы 2.1…2. n, блоки формирования ДН 3.1…3.m, контроллер распределения сигналов 4, выходы которого подсоединены к (n+4)-м входам соответствующих блоков формирования ДН 3, а к входам контроллера распределения сигналов 4 подсоединены вторые выходы соответствующих блоков формирования ДН 3, контроллер выбора ИРИ 5, выходы которого соединены с (n+6)-ми входами соответствующих блоков формирования ДН, а к входам контроллера выбора ИРИ 5 подключены третьи выходы соответствующих блоков формирования ДН 3, причем первый вход каждого из преселекторов 2 подключен к выходу соответствующего АЭ 1, вторые входы всех преселекторов 2 объединены и являются входом управления перестройкой преселекторов 2, а выход каждого из преселекторов 2 подключен к соответствующим входам каждого блока формирования ДН 3, (n+1)-е входы блоков формирования ДН 3 являются входами переключения режимов работы ААС, (n+2)-е входы блоков формирования ДН 3 являются входами начальной установки ААС, (n+3)-е входы блоков формирования ДН 3 являются входами кода частоты, (n+4)-е входы блоков формирования ДН 3 являются управляющими входами, (n+5)-е входы всех блоков формирования ДН 3 соединены с вторыми входами преселекторов, а первые выходы блоков формирования ДН 3 являются выходами ААС.
На фиг. 2 приняты следующие обозначения:
1
4
α…α - направления максимумов остронаправленных лучей ДН ААС в азимутальной плоскости;
Δα - ширина сектора контроля ДН ААС в азимутальной плоскости;
ири
α - направление максимума остронаправленного луча ДН ААС в азимутальной плоскости в направлении на обнаруженный ИРИ.
На фиг. 3 приняты следующие обозначения:
генератор контрольного сигнала 6;
коммутатор 7;
блок определения разности 8; линии задержки 9.1…9.n;
сумматоры 10.1…10.n;
вспомогательный адаптивный процессор 11;
формирователь направляющего сигнала 12;
блок определения пространственных параметров сигнала 13;
ведомый процессор 14.
На фиг. 4 приняты следующие обозначения:
15.1…15.n - элементы задержки.
На фиг. 5 приняты следующие обозначения:
16 - масштабирующий усилитель;
17 - блок комплексного сопряжения;
18 - перемножитель;
19 - интегратор;
20 - перемножитель;
21 - сумматор.
На фиг. 6 приняты следующие обозначения:
22 - блок взвешенного сложения;
23 - блок корреляционной матрицы сигнала (КMC).
На фиг. 7 приняты следующие обозначения:
24.1…24.n - перемножители;
25 - сумматор.
На фиг. 8 приняты следующие обозначения:
26; 31 - генераторы значений параметров;
27 - блок формирования эталонных сигналов;
28 - блок корреляционной матрицы эталонного сигнала;
29 - блок вычитания;
30 - блок оценки разности;
32 - преобразователь «параметр - цифровой код»;
33 - блок управления генераторами;
34 - электронный коммутатор.
На фиг. 9 приняты следующие обозначения:
35.1 - 35.m - корреляторы.
На фиг. 10 приняты следующие обозначения:
36 - умножитель;
37 - низкочастотный фильтр.
На фиг. 11 приняты следующие обозначения:
38.1-38.m - компараторы;
39 - электронный коммутатор;
40 - блок вычитания;
41 - блок оценки разности;
42 - блок управления электронным коммутатором.
На фиг. 12 приняты следующие обозначения:
43.1-43.m - компараторы;
44 - входной электронный коммутатор;
45 - блок вычитания;
46 - блок оценки разности;
47 - блок управления электронными коммутаторами;
48 - выходной электронный коммутатор.
Блоки, используемые в заявляемой ААС, могут быть реализованы следующим образом.
Антенные элементы 1 представляют собой пассивные АЭ направленного действия.
Преселекторы 2 представляют собой полосовые фильтры с высокой избирательностью.
0
Блок формирования ДН 3 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 3. Он содержит последовательно соединенные генератор контрольного сигнала 6, вход которого подключен ко вторым входу соответствующего преселектора 2 и является входом управления перестройкой генератора контрольного сигнала, а выход подключен к сигнальным входам всех линий задержки 9.1…9.n, выходы которых подключены к первым входам сумматоров 10.1…10.n. На вторые входы сумматоров 10.1…10.n подаются сигналы с выходов соответствующих преселекторов, а их выходы подключены к соответствующим входам вспомогательного процессора 11. Вспомогательный процессор 11 перестраивая весовые коэффициенты, формирует выходной сигнал, который представляет собой оценку принимаемого сигнала . Этот сигнал подается на второй вход блока определения разности 8, где он сравнивается с поступающим на первый вход сигналом от генератора контрольного сигнала 6. Разностный сигнал Δu(t) с выхода блока определения разности 8 поступает на (n+1)-й вход вспомогательного процессора 11 и при равенстве разностного сигнала нулю сформированные вспомогательным процессором 11 весовые коэффициенты подаются на (n+1)-й вход ведомого процессора 14, который регулируя передаточные характеристики трактов, взвешивает поступающие на его первые n входов сигналы от соответствующих преселекторов, формируя ДН ААС. Первый выход ведомого процессора 14 является выходом блока формирования ДН 3, а второй подключен к блоку определения пространственных параметров сигнала 13, где вычисляются значения азимута и угла места сигнала, которые передаются на формирователь направляющего вектора сигнала 12. Сформированный направляющий вектор сигнала через коммутатор 6 поступает на вторые входы линий задержки 9.1…9.n, обеспечивая формирование узкого лепестка ДН в направлении источника обнаруженного сигнала. Коммутатор 7 обеспечивает переключение режимов работы, подключая ко вторым входам линий задержки 9.1…9.n поступающие на его второй вход сигналы начальной установки ААС (широкий лепесток ДН), или сформированный формирователем направляющего вектора сигнала 12 направляющий вектор сигнала (узкий лепесток ДН в направлении источника обнаруженного сигнала). Третий вход коммутатора 7 является входом переключения режимов работы ААС, а четвертый - входом запрета переключения режимов работы в случае, когда поступающий на вход коммутатора направляющий вектор уже используется другим блоком формирования ДН 3.
Контроллер распределения сигналов 4 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 11. Он содержит компараторы 38.1…38.m, входы которых соединены с соответствующими входами электронного коммутатора 39 и подключены к 2-м выходам соответствующих блоков формирования ДН 3, а выходы подключены к блоку управления коммутатором 42; электронный коммутатор 39, управляемый блоком управления коммутатором 42; блока вычитания 40, к входам которого подключены выходы электронного коммутатора, а выход подключен к входу блока оценки разности 41, блок оценки разности 41, выходы которого подключены к (n+4)-м входам соответствующих блоков формирования ДН 3.1…3.m.
Компаратор 38 представляет собой специализированный операционный усилитель с дифференциальным входом и одиночным или парофазным цифровым выходом. Вариант построения компаратора приведен на стр. 361 в Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: справочник / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.; Под ред. С.В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1990. - 496 с. В табл. 5.9 на стр. 362, 363 представлены характеристики наиболее распространенных компараторов.
Электронный коммутатор 39 предназначен для осуществления управляемой передачи информации от входов контроллера распределения сигналов 4 к входам блока вычитания 40. Промышленностью выпускается достаточно разнообразная номенклатура коммутаторов в виде интегральных микросхем. Характеристики наиболее широко используемых приведены на стр. 448-455 в справочнике Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.; Под ред. С.В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.
Блок вычитания 40 представляет собой набор функциональных узлов (количество которых определяется числом сигналов, составляющих вектор направляющего сигнала), и может быть реализован с использованием соответствующих дифференциальных усилителей, реализующих операции вычитания сигналов. Блок оценки разности 41 может быть реализован с использованием логических элементов. Блок управления электронным коммутатором 41 может быть встроенным или выполнен с использованием логических элементов, обеспечивающих сравнение выходных уровней компараторов с установленным порогом и формирование управляющего сигнала на подключение пары соответствующих блоков формирования ДН 3.1…3.m к входам блока вычитания 40.
Контроллер выбора ИРИ 5 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 12. Он содержит компараторы 41.1…41.m, входы которых соединены с соответствующими входами электронного коммутатора 42 и подключены к 3-м выходам соответствующих блоков формирования ДН 3, а выходы подключены к блоку управления коммутатором 45; электронный коммутатор 42, управляемый блоком управления коммутатором 45; блока вычитания 43, к входам которого подключены выходы электронного коммутатора, а выход подключен к входу блока оценки разности 44, блок оценки разности 44, выходы которого подключены к (n+6)-м входам соответствующих блоков формирования ДН 3.1…3.m.
Компаратор 41 представляет собой специализированный операционный усилитель с дифференциальным входом и одиночным или парофазным цифровым выходом. Компаратор 41 построен аналогично компаратору 38.
Электронный коммутатор 42 предназначен для осуществления управляемой передачи информации от входов контроллера распределения сигналов 4 к входам блока вычитания 43. Промышленностью выпускается достаточно разнообразная номенклатура коммутаторов в виде интегральных микросхем. Характеристики наиболее широко используемых приведены на стр. 448 - 455 в справочнике Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.; Под ред. С.В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.
Блок вычитания 43 представляет собой набор функциональных узлов (количество которых определяется числом сигналов, составляющих вектор направляющего сигнала), и может быть реализован с использованием соответствующих дифференциальных усилителей, реализующих операции вычитания сигналов. Блок оценки разности 44 может быть реализован с использованием логических элементов. Блок управления электронным коммутатором 45 может быть встроенным или выполнен с использованием логических элементов, обеспечивающих сравнение выходных уровней компараторов с установленным порогом и формирование управляющего сигнала на подключение пары соответствующих блоков формирования ДН 3.1…3.m к входам блока вычитания 43.
Выходной электронный коммутатор 46 предназначен для осуществления управляемой передачи информации от контроллера выбора источников радиоизлучения к (n+5)-м входам соответствующих блоков формирования диаграммы направленности. Промышленностью выпускается достаточно разнообразная номенклатура коммутаторов в виде интегральных микросхем. Характеристики наиболее широко используемых приведены на стр. 448-455 в справочнике Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.; Под ред. С.В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.
Генератор контрольного сигнала 6 представляет собой электронный генератор синусоидального напряжения.
Коммутатор 7 представляет собой электронный коммутатор, подключающий один из двух входов (вход начальной установки или вход вектора направляющего сигнала) на выход коммутатора.
Блок определения разности 8 может быть реализован с использованием дифференциальных усилителей, реализующих операции вычитания сигналов.
Каждая линия задержки 9 представляет собой параллельно соединенные управляемые элементы задержки, которые могут быть реализованы на основе ультразвуковых управляемых линий задержки.
Сумматоры 10 могут быть реализованы с использованием дифференциальных усилителей, реализующих операции сложения сигналов.
Вспомогательный адаптивный процессор 11 может быть выполнен по структурной схеме, приведенной на фиг. 5. Он содержит n трактов обработки и сумматор 21. Каждый тракт обработки содержит масштабирующий усилитель 16, блок комплексного сопряжения 17, перемножители 18 и 20, интегратор 19.
Масштабирующий усилитель 16 вспомогательного адаптивного процессора 11 представляет собой электронный усилитель.
Блок комплексного сопряжения 17 каждого тракта обработки вспомогательного адаптивного процессора 11 формирует на своем выходе напряжение, комплексно сопряженное напряжению на его входе, и может быть реализован с использованием полосно-задерживающих звеньев на основе Т-моста с усилителем напряжения или тока, см. например, «Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники. Под ред. Б.Х. Кривицкого в 2-х томах. Т. 2. М: Энергия, 1977.
Перемножители 18, 20, интегратор 19, сумматор 21 вспомогательного адаптивного процессора 11, перемножители 24, сумматор 25 блока взвешенного сложения 22 ведомого процессора 14 могут быть реализованы с использованием дифференциальных усилителей, реализующих соответствующие операции над сигналами. Варианты построения и основные характеристики перемножителей приведены на стр. 368-370 в «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: справочник» / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.; Под ред. С.В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.
Формирователь направляющего сигнала 12 предназначен для преобразования k-элементного двоичного кода на входе в k - элементный двоичный код на его выходе. Может быть создан на базе многофункциональных элементов цифровых структур, описанных на стр. 264 в Зельдин Е.А. «Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре». - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 280 с.
Блок определения пространственных параметров сигналов 13 может быть выполнен по структурной схеме, приведенной на фиг. 8. Он содержит последовательно соединенные блок формирования эталонных сигналов 27, блок корреляционной матрицы эталонного сигнала 28, блок вычитания 29, блок оценки разности 30, электронный коммутатор 34, а также блок управления генераторами 33, генераторы значений параметров 26 и 31, входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления генераторами 33, преобразователь «параметр - цифровой код» 32, входы которого соединены с соответствующими входами блока формирования эталонных сигналов 27 и выходами соответствующих генераторов значений параметров 26 и 31, а выходы соединены с соответствующими входами электронного коммутатора 34.
Ведомый процессор 14 может быть выполнен по схеме, представленной на фиг. 6. Он содержит блок взвешенного сложения 22 и блок корреляционной матрицы сигнала 23.
Блок взвешенного сложения 22 может быть выполнен по схеме представленной на фиг. 7.
Блок корреляционной матрицы сигнала 23 ведомого процессора 14 представляет собой (n×n) корреляторов, выходные сигналы которых характеризуют корреляционную связь между сигналами в соответствующих антенных элементах, и может быть реализован по схеме, приведенной на фиг. 9. Входящие в состав блока КMC 23 корреляторы 35.1…35.9 широко используются в устройствах обработки сигналов многоканальных АС, например Ямпольский В.Г., Фролов О.П. «Антенны и ЭМС». - М.: Радио и связь, 1983, с. 235 рис. 10.10, с. 240, рис. 10.16, Венскаускас К.К. «Компенсация помех в судовых радиотехнических системах». - Л.: Судостроение, 1989, с. 111, рис. 2.31 и могут быть реализованы по схеме, фиг. 10 в виде последовательно соединенных умножителя 35 и низкочастотного фильтра 36.
Таким образом, реализация предложенного устройства не вызывает сомнений, так как для его изготовления используются типовые радиотехнические устройства и элементы цифровой техники.
Заявляемая ААС предназначена для работы совместно с ПРП, осуществляющим последовательно-параллельный (комбинированный) обзор заданного пространства.
Для повышения качества оценивания навигационных параметров обнаруживаемых сигналов ААС в процессе функционирования имеет возможность последовательного автоматического формирования двух ДН: широкой - при контроле РЭО (наблюдении и обнаружении сигналов в заданном секторе) и нескольких узких, максимумы которых разнесены в пространстве на углы, максимально приближенные к 90° - при оценивании их параметров. Число узких ДН равно количеству формирователей ДН.
В процессе работы ААС по командам ПРП осуществляется последовательная пошаговая перестройка одновременно всех преселекторов 2 от нижней до верхней границ заданного частотного диапазона в соответствии с сеткой частот ПРП. При этом на каждом шаге при широкой ДН ААС сначала осуществляется проверка наличия сигнала в полосе обзора, определяемой полосой пропускания преселектора 2 (в общем случае она может быть регулируемой для согласования с шириной спектра определенного класса сигналов). При появлении сигнала в полосе обзора он принимается АЭ 1 и через преселекторы 2, блоки формирования ДН 3 поступает на ПРП, где производится его энергетическое обнаружение, после чего по команде с ПРП один из блоков формирования ДН 3 ААС автоматически формирует узкую ДН в направлении на источник сигнала и далее ПРП производит оценивание параметров сигнала. Если в полосе преселекторов 2 находится несколько сигналов, то обнаруживается каждый из них, и по команде с ПРП другие блоки формирования ДН 3 ААС автоматически формируют узкие ДН в направлении на источники сигналов. Контроллер распределения сигналов 4 предотвращает возможность использования одного направляющего вектора в нескольких блоках формирования ДН 3. Контроллер выбора ИРИ 5 обеспечивает формирование направляющего вектора на ИРИ с пространственным разносом с другими ИРИ, наиболее близким к 90°
Диаграмма направленности ААС формируется следующим образом:
От генератора контрольного сигнала 1 на сигнальные входы всех элементов задержки (ЭЗ) 15 всех линий задержки (ЛЗ) 9 подается синусоидальный сигнал. Каждая ЛЗ 9 представляет собой параллельно соединенные управляемые элементы задержки 15 (на фиг. 4 показана одна из них).
В работе ААС можно выделить два режима: контроля и оценивания.
1ЛЗ1
1ЛЗ2
1ЛЗn
1
1
2ЛЗ1,
2ЛЗ2
2ЛЗn
2
2
1
1
2
2
3
3
4
4
Режим контроля начинается после каждой перестройки преселекторов 2 на очередную частоту (полосу обзора) заданного частотного диапазона, при этом коммутатор 7 по команде от ПРП устанавливается в такое положение, при котором на управляющие входы всех элементов задержки 15 всех ЛЗ 9 через коммутатор 7 подаются команды начальной установки, определяющие величину задержки каждого элемента задержки 15 каждой ЛЗ 9, обеспечивая управление шириной (Δα, Δε) и положением максимума главного лепестка широкой ДН. Для обеспечения возможности изменения ширины ДН величины задержки каждого элемента задержки 15 при начальной установке задаются таким образом, чтобы на выходах соответствующих элементов задержки 15 всех линий задержки 9 формировались совокупности сигналов, соответствующие плоским волнам, пришедшим с различных направлений. Например, совокупность сигналов с выходов элементов задержки ЭЗ, ЭЗ, …, ЭЗ соответствует плоской волне, пришедшей с первого направления (α, ε), совокупность сигналов с выходов элементов задержки ЭЗ ЭЗ, …, ЭЗ соответствует плоской волне, пришедшей со второго направления (α, ε) и т.д. Количество ЭЗ 15 (k) в каждой ЛЗ 9 (фиг. 4) определяет число возможных направлений, в которых ААС может сформировать максимумы ДН. На фиг. 2 в качестве примера иллюстрируется получение широкой результирующей ДН в азимутальной плоскости за счет формирования лучей в четырех направлениях. Управляя положениями максимумов каждого луча (α, ε; α, ε; α, ε; α, ε), можно обеспечить требуемую ширину ДН.
0
0
Вспомогательный адаптивный процессор 11 (фиг. 5) представляет собой многоканальное (по числу АЭ) устройство, которое оценивает различия параметров сигналов, воздействующих на его сигнальные входы и после их преобразования формирует управляющие напряжения, называемые весовыми коэффициентами, таким образом, чтобы разность Δu(t) между контрольным сигналом u(t) и его оценкой  на выходе вспомогательного адаптивного процессора 11 была минимальной для минимизации ошибки воспроизведения контрольного сигнала, а, следовательно, и всех сигналов, приходящих с направлений, определяемых начальной установкой.
Таким образом, основным назначением вспомогательного адаптивного процессора 11 является выработка управляющих напряжений (весовых коэффициентов), соответствующих совокупности сигналов на его сигнальных входах и обеспечивающих формирование ДН ААС требуемой формы с заданным положением главного лепестка. Эту же функцию выполняют процессоры, широко используемые в ААС различного назначения, см. например Р.А. Монзинго, Т.У. Миллер «Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию». - М.: Радио и связь, 1986, с. 97, рис. 3.7, с. 106, рис. 3.9, с. 231, рис. 5.26, с. 304, рис. 8.11, Ямпольский В.Г., Фролов О.П. «Антенны и ЭМС». - М.: Радио и связь, 1983, с. 236 рис. 10.11, Венскаускас К.К. «Компенсация помех в судовых радиотехнических системах». - Л.: Судостроение, 1989, с. 72, рис. 2.15, с. 115, рис. 2.34, с. 125, рис. 3.2, «Адаптивная компенсация помех в каналах связи» / Ю.И. Лосев, А.Г. Бердников, Э.Ш. Гойхман, Б.Д. Сизов / под. ред. Ю.И. Лосева. - М.: Радио и связь, 1988, с. 22, рис. 1.8, с. 35, рис. 1.14, с. 39, рис. 1.17.
Масштабирующий усилитель 16 каждого тракта обработки вспомогательного адаптивного процессора 11 обеспечивает необходимый уровень выходного напряжения блока определения разности 8 на входе перемножителя 18. Параметры масштабирующего усилителя определяют размер интервала адаптации.
Блок комплексного сопряжения 17 каждого тракта обработки вспомогательного адаптивного процессора 11 формирует на своем выходе напряжение, комплексно сопряженное напряжению на его входе.
Сформированные во вспомогательном адаптивном процессоре 11 управляющие напряжения (весовые коэффициенты) подаются на ведомый процессор 14 (фиг. 6) и определяют комплексные коэффициенты передачи в каждом канале блока взвешенного сложения 22 ведомого процессора 14. В результате взвешенного сложения сигналов в ведомом процессоре 14 максимальную результирующую амплитуду будут иметь те сигналы, которые приходят с направлений, определенных начальной установкой. Для сигналов, приходящих с других направлений, напряжения сигналов каждого из каналов в блоке взвешенного сложения 22 взаимокомпенсируются, и их сумма становится минимальной. Таким образом, в режиме контроля ведомый процессор 14 выполняет роль пространственного фильтра, пропускающего на вход ПРП сигналы, приходящие с направлений, определенных начальной установкой, фиг. 2.
Режим оценивания начинается с момента энергетического обнаружения сигнала ПРП. При этом в блоке определения пространственных параметров сигнала 13 каждого из задействованных блоков формирования ДН 3 определяется направление прихода (азимута и угла места) обнаруженного сигнала, а ПРП выдает на коммутатор 7 команду, по которой он подключает выход формирователя направляющего сигнала 12 к входам всех элементов задержки 15 всех линий задержки 9.
В заявляемом устройстве для определения пространственных параметров сигнала используется корреляционный метод, реализующий алгоритм пространственной обработки сигналов: наведенные в каждом АЭ 1 ААС напряжения подвергаются корреляционной обработке.
Результаты корреляционной обработки выходных сигналов многоэлементных АС удобно представлять в виде корреляционной матрицы (КМ) сигналов. Известно, что КМ сигналов содержит полную информацию о внешних источниках, воздействующих на антенную систему. Диагональные элементы КМ дают информацию о мощности собственных и внешних шумов в парциальных каналах приема, остальные элементы КМ содержат информацию о направлениях прихода сигналов, см. например Ямпольский В.Г., Фролов О.П. «Антенны и ЭМС». - М.: Радио и связь, 1983, стр. 227.
Для извлечения информации, заложенной в набеге (сдвиге) фазы сигналов на выходах антенных элементов 1, в блоке корреляционной матрицы сигнала (КMC) 23 ведомого процессора 14 (фиг. 6; 9) формируется КMC, диагональные элементы которой являются функциями автокорреляции, а остальные элементы - функциями взаимной корреляции сигналов в соответствующих АЭ 1.
Для получения элементов КМ в блоке КMC 23 ведомого процессора 14 (фиг. 9) производится перемножение и низкочастотная фильтрация выходного напряжения каждого АЭ 1 с выходными напряжениями всех остальных АЭ 1. Корреляторы 35 в блоке КMC 23 идентичны.
Таким образом, в результате корреляционной обработки напряжений с выходов АЭ 1 формируются сигналы (являющиеся элементами КMC), фазы которых содержат информацию об азимуте α и угле места ε сигнала (волны, падающей на АЭ 1 ААС).
Определение параметров сигнала α и ε в блоке определения пространственных параметров сигнала 13 (фиг. 8) каждого блока формирования ДН 3 осуществляется следующим образом. Блок управления генераторами 33 для заданных (установленных пользователем) границ поиска по азимуту Δα, Δε и углу места Δα, Δε и соответствующих значений разрешения по азимуту и углу места Δα, Δε управляет соответствующими генераторами 26 и 31, формирующими множество вариантов сочетаний напряжений, пропорциональных соответственно значениям азимута и угла места (в град.). В блоке формирования эталонных сигналов 27 имитируются сигналы с АЭ 1 ААС для текущих сочетаний значений α; ε. Блок КМ эталонного сигнала 28 в блоке определения пространственных параметров сигнала 13, идентичен блоку КMC 24 ведомого процессора 14 и выполняет те же функции. В блоке оценки разности 30 определяется точность совпадения КМ принимаемого ААС сигнала и КМ сформированных копий (эталонных сигналов) по заданному пороговому значению. При отсутствии сигнала на входе блока определения пространственных параметров сигнала 13, значение напряжения выходного сигнала блока оценки разности 30 равно нулю. Если разность КMC на выходе блока вычитания 29 не превышает порогового значения (т.е. эталонный сигнал максимально совпал с сигналом на выходе блока КMC 23 ведомого процессора 14 и параметры которого надо определить), то на выходе блока оценки разности 30 появляется сигнал высокого уровня (логическая единица). Этот сигнал открывает электронный коммутатор 34. При этом сигналы с выходов генераторов значений параметров α; ε 26 и 31, присутствующие на входе электронного коммутатора 34 в виде кода азимута и угла места (в результате аналогово-цифрового преобразования в преобразователе «параметр - цифровой код» 32) поступают на выход блока определения пространственных параметров сигнала 13 каждого блока формирования ДН 3. После завершения оценивания параметров сигналов логическая единица с входа коммутатора снимается и в блоках формирования ДН 3 вновь формируется широкая ДН.
Таким же образом (путем формирования множества эталонных сигналов и сравнения каждого из них с принятым многоэлементной АС сигналом корреляционным методом) определяются пространственные параметры сигналов в малобазовом интерферометре, см. Германия, патент DE4128191 А1, 1993, МПК 7 G01S 3/46.
Полученные пространственные параметры обнаруженного сигнала в незадействованном канале с выхода 3 блока определения пространственных сигналов 13 поступает на соответствующий вход контроллера выбора ИРИ 5, на который они подаются через компараторы 41.1…41.m. Компараторы 41 определяют, в каких блоках формирования ДН 3 сформированы направляющие векторы и формируют сигналы в блок управления электронными коммутаторами 45 для поочередного попарного подключения векторов направляющего сигнала ко второму входу блоку вычитания 43, а первый вход блока вычитания 43 подключен к третьему выходу бока формирования ДН 3 канала, в котором обнаружен сигнал. Выход блока вычитания 43 контроллера выбора ИРИ 5 подключен к (m+1)-му входу блока управления электронными коммутаторами 45, который разрешает подключение выхода, соответствующего номеру канала, в котором обнаружен сигнал, к (n+6)-му входу соответствующего блока формирования ДН 3, где используется для формирования направляющего сигнала в блоке формирования направляющего сигнала 13.
Блок формирования направляющего сигнала 13 (представляющий собой кодопреобразователь) каждого блока формирования ДН 3, ставит в соответствие величинам азимута α и угла места ε величины задержек контрольного сигнала в каждом элементе задержки 15 каждой ЛЗ 9 таким образом, чтобы совокупность сигналов на выходе ЛЗ 9 соответствовала плоской волне, приходящей с направления обнаруженного сигнала. Таким образом, направляющий сигнал представляет собой совокупность управляющих напряжений в виде цифровых кодов для всех элементов задержки 15 всех линий задержки 9. Вспомогательный адаптивный процессор 11 каждого блока формирования ДН 3 формирует новые весовые коэффициенты, которые подаются на ведомый процессор 14 каждого блока формирования ДН 3.
Коэффициенты передачи в каналах ведомого процессора 14 каждого блока формирования ДН 3 устанавливаются таким образом, чтобы результат взвешенного сложения был максимальным для сигналов, приходящих с направления обнаруженного ИРИ, а напряжения сигналов с других направлений взаимокомпенсировались при сложении.
Сформированные формирователем направляющего сигнала каждого задействованного блока формирования ДН 3 векторы подаются на соответствующие входы контроллера распределения сигналов 4 для сравнения. Сравнение уровней элементов направляющего сигнала производится в блоке вычитания 40 контроллера распределения сигналов 4, на который эти элементы подаются через компараторы 38.1…38.m. Компараторы 38 определяют, в каких блоках формирования ДН 3 сформированы направляющие векторы и формируют сигналы в блок управления электронным коммутатором 42 для поочередного попарного подключения векторов направляющего сигнала к блоку вычитания 40. В случае равенства уровней соответствующих элементов вектора направляющих сигналов на выходах блока вычитания 40 сигналы отсутствуют и на его выходе имеется напряжение низкого уровня (логический ноль), при котором формируется сигнал в один из блоков формирования ДН 3, запрещающий формирование узкого луча ДН.
ири
Таким образом, заявляемая ААС в режиме оценивания обеспечивает формирование нескольких (до m) узконаправленных лучей ДН в направлениях, отличающихся друг от друга на углы наиболее близкие к 90°, нескольких одновременно работающих ИРИ с произвольным местоположением за счет того, что ведомый процессор 13 каждого блока формирования ДН 3 выполняет роль пространственного фильтра, пропускающего на вход ПРП сигналы, приходящие с направлений обнаруженного ИРИ, отличающихся друг от друга на углы наиболее близкие к 90°, в узком луче сформированной ДНА АС (на фиг. 2 с направления α). Так как обнаружение сигналов в режиме контроля в соответствии с начальной установкой производится в пределах заданного сектора, то и узкий луч ДНА в каждом блоке формирования ДН 3 в режиме оценивания формируется в пределах этого сектора, поскольку за его пределами сигналы не обнаруживаются.
Применение заявляемого устройства позволит повысить точность оценивания пространственных параметров обнаруженных сигналов, в составе которого применяется ААС за счет обеспечения возможности формирования нескольких остронаправленных лучей ДН ААС в направлениях обнаруженных ИРИ, отличающихся друг от друга на углы наиболее близкие к 90°, с произвольным местоположением в пределах заданного сектора пространства и, следовательно, повышения точности оценивании пространственных параметров сигналов за счет обеспечения угла между визирования ИРИ, близкого к 90°, и увеличения отношения сигнал/шум на входе панорамного приемника.