ГРУППОВОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ РАССЕИВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к пассивным маркерам-ответчикам, являющимся вторичными источниками электромагнитного излучения.
Известен по [Горбачев П.А. Формирование сигналов системой пассивных субгармонических рассеивателей // Радиотехника и электроника, 1995, т40, N11, стр.1606-1610.] группой параметрический рассеиватель позволяющий решать задачу обнаружения объектов, в частности людей или грузов, маркированных с помощью пассивных нелинейных маркеров-ответчиков, в качестве которых используются параметрические рассеиватели. На объекте поиска предварительно размещается параметрический рассеиватель, область пространства, в которой может находиться объект поиска, облучается зондирующим сигналом на частоте f. Принимается рассеянный маркером сигнал на частоте субгармоники, равной f/2. В случае превышения порога обнаружения принимается решение о наличии в зоне обнаружебния объекта поиска.
Данный группой параметрический рассеиватель обладает существенным недостатком, а именно не достаточной эффективностью, поскольку либо нет возможности использовать импульсный зондирующий сигнал, либо не обеспечивается когерентный прием рассеянного сигнала. Это связано с тем, что при возбуждении каждого радиоимпульса, рассеянного маркером сигнала на частоте субгармоники, возможны два равновероятных значения фазы, отличающиеся на п.В результате рассеянный на субгармонике сигнал не когерентен, даже при когерентном зондирующем сигнале. При обнаружении совокупности параметрических рассеивателей и импульсном зондирующем сигнале, указанный эффект будет проявляться в том, что амплитуда рассеянного сигнала будет случайным образом меняться от радиоимпульса к радиоимпульсу, то есть будет наблюдаться паразитная амплитудная модуляция.
Указанный недостаток преодолен в способе обнаружения одиночных и групповых параметрических рассеивателей, известному по [Ларцов С.В. Зондирующий сигнал для обнаружения параметрических рассеивателей // «Радиотехника», 2000, N5, стр.8-12.].
1
Предложено формировать зондирующий сигнал в виде последовательности пачек узкополосных когерентных радиоимпульсов сигнала накачки с частотой высокочастотного заполнения f и длительностями радиоимпульсов т и последовательности пачек узкополосных когерентных синхронизирующих радиоимпульсов с частотой высокочастотного заполнения f/2 и длительностями радиоимпульсов τ. При этом обе последовательности обладают одинаковыми, периодами следования радиоимпульсов и периодами следования пачек. Длительность радиоимпульсов синхронизирующего сигнала существенно меньше длительности радиоимпульсов сигнала накачки.
В результате возбуждение параметрического рассеивателя происходит в условиях существования внешнего воздействия на частоте возбуждения. В этих условиях фаза возбуждаемого колебания на частоте субгармоники перестает быть случайной и определяется фазой внешнего воздействия, то есть фазой радиоимпульсов синхронизирующего сигнала.
Фаза высокочастотного заполнения синхронизирующего радиоимпульса соответствует символу выбранного закона кодирования фазы, что позволяет формировать рассеянный сигнал в виде последовательности радиоимпульсов, фазы высокочастотного заполнения которых определяются определенным выбранным заранее законом кодирования фазы. Такая последовательность радиоимпульсов может когерентно накапливаться в приемнике.
Однако радиоимпульсы такого синхронизирующего сигнала являются помехой приему полезного сигнала, так как будут рассеиваться от окружающих параметрический рассеиватель предметов и подстилающей поверхности и поступать на вход приемника одновременно с полезным сигналом. Устранить такую помеху за счет временной селекции не возможно, ее можно только скомпенсировать. Поэтому после синхронизирующего радиоимпульса предложено излучать компенсирующий радиоимпульс с противоположной фазой, при этом синхронизирующий радиоимпульс задает выбранный закон кодирования фазы рассеянного сигнала, а компенсирующий радиоимпульс необходим для взаимокомпенсации обоих радиоимпульсов в оптимальном приемнике сигнала, принимаемого на частоте субгармоники.
Таким образом, излучается пара коротких, следующих друг за другом, вспомогательных радиоимпульсов: один из них, а именно первый радиоимпульс, является синхронизирующим сигналом, а другой радиоимпульс, является компенсирующим радиоимпульсом.
1
Задний фронт первого синхронизирующего радиоимпульса из пары совпадает с передним фронтом второго синхронизирующего радиоимпульса из пары. Фаза высокочастотного заполнения второго синхронизирующего радиоимпульса из пары всегда отличается на π от фазы высокочастотного заполнения первого синхронизирующего радиоимпульса из пары. Кроме того, передний фронт радиоимпульсов зондирующего сигнала должен либо совпадать с задним фронтом первого синхронизирующего радиоимпульса, либо опережать его на время не превышающее τ.
Подобный зондирующий сигнал предложено использовать для получения отраженного сигнала от нелинейной отражательной решетки из параметрических рассеивателей, то есть группы расположенных в определенном порядке параметрических рассеивателей. При этом будет снята неопределенность суммарной диаграммы обратного нелинейного рассеяния группы параметрических рассеивателей, обнаруженная в [Горбачев П.А. Формирование сигналов системой пассивных субгармонтческих рассеивателей // Радиотехника и электроника, 1995, т40, N11, стр.1606-1610.]. Синхронизирующий радиоимпульс, навяжет свою фазу всем параметрическим рассеивателям в группе. В результате диаграмму обратного нелинейного рассеяния можно прогнозировать, при этом суммарный рассеянный сигнал, как у всякой отражательной решетки, возрастет.
Известный по [Ларцов С.В. Зондирующий сигнал для обнаружения параметрических рассеивателей // «Радиотехника», 2000, N5, стр.8-12.] групповой параметрический рассеиватель, в виде группы размещенных определенным образом параметрических рассеивателей выбран прототипом полезной модели.
Недостатком прототипа является то, что при обнаружении группового параметрического рассеивателя, в виде группы размещенных определенным образом параметрических рассеивателей, например в виде нелинейной отражательной решетки из параметрических рассеивателей, детерминированность диаграммы обратного нелинейного рассеяния приводит к тому, что увеличение величины рассеянного сигнала происходит только в области главных лепестков, при этом появляются направления, где рассеянный сигнал отсутствует, что может привести к пропуску цели.
В полезной модели поставлена задача устранения пропуска цели из-за наличия нулей в диаграмме обратного нелинейного рассеяния группового параметрического рассеивателя.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что предлагается техническое решение, а именно групповой параметрический рассеиватель, в виде группы размещенных определенным образом параметрических рассеивателей, при этом один или несколько параметрических рассеивателей в группе параметрических рассеивателей отличаются от остальных тем, что интенсивность волны сигнала накачки, необходимая для их возбуждения, меньше, чем для остальных параметрических рассеивателей из данной группы.
Суть полезной модели заключается в том, что предлагается техническое решение в виде группового параметрического рассеивателя, для которого может быть применен режим мерцания, который позволяет устранить пропуск цели из-за наличия нулей в диаграмме обратного нелинейного рассеяния групп параметрических рассеивателей (в частности решеток из них). В этом режиме синхронизация параметрических рассеивателей в группе происходит то от волны зондирующего сигнала, то есть от внешнего синхронизирующего радиоимпульса, то от внутреннего источника синхронизации (источников), которым выступает один или несколько первых возбудившихся параметрических рассеивателей. Соответственно вид диаграмм обратного нелинейного рассеяния для этих случаев может быть разным: где в первом случае был ноль - во втором случае может быть максимум. Для того, чтобы указанный источник синхронизации образовался, необходимо, чтобы определенный (определенные) параметрический рассеиватель возбудился раньше других. А для этого необходимо, чтобы у этого параметрического рассеивателя интенсивность волны сигнала накачки, необходимая для его (их) возбуждения, была меньше чем у остальных. Кроме того, амплитуда радиоимпульсов накачки должна нарастать монотонно. Если амплитуда радиоимпульсов накачки растет резко, то есть передний фронт прямоугольный, то возбуждение параметрических рассеивателей в группе будет происходить одновременно от синхронизирующего радиоимпульса.
Заявленное техническое решение может быть реализовано с помощью обнаружителя групповых параметрических рассеивателей, структурная схема которого представлена фиг.1, где 1 - генератор синусоидального сигнала, 2 - удвоитель, 3 - фазовый модулятор, 4 - амплитудный модулятор, 5 - генератор опорных импульсов, 6 - формирователь, 7, 8 - высокочастотные усилители, 9, 10, 12 - антенны, 11 - групповой параметрический рассеиватель, 13 - высокочастотный усилитель, 14 - аналого-цифровой преобразователь, 15 - сигнальный процессор, 16 - индикатор.
Сигнальные выходы 1 и 2 генератора синусоидального сигнала 1 соединены с входом с удвоителя частоты 2 и сигнальным входом 1 фазового модулятора 3. Удвоитель частоты 2 соединен с сигнальным входом 1 амплитудного модулятора 4. Выход амплитудного модулятора 4 соединен с входом высокочастотного усилителя 7. Выход высокочастотного усилителя 7 соединен со входом антенны 10.
Выход фазового модулятора 3 соединен с входом высокочастотного усилителя 8. Выход высокочастотного усилителя 8 соединен СВЧ трактом со входом антенны 9.
Генератор опорных импульсов 5 соединен с входом формирователя 6. Выход 1 формирователя 6 соединен с управляющим входом 2 амплитудного модулятора 4, выход 2 формирователя 6 соединен с управляющим входом 2 фазового модулятора 3. Выход 3 формирователя 11 соединен с вспомогательным входом 2 сигнального процессора 15.
Антенна 12 соединена со входом высокочастотного усилителя 13, настроенном на частоту f/2. Выход высокочастотного усилителя 13 соединен со входом 14 - аналого-цифрового преобразователя 14. Выход аналого-цифрового преобразователя Нсоединен с сигнальным входом 1 сигнального процессора 15, выход сигнального процессора 15 соединен со входом индикатора 16.
В зоне облучения антенн 9, 10, 12 расположен групповой параметрический рассеиватель 11 в виде 2-х параметрических рассеивателей, расположенных на расстоянии λ/2, где λ длина волны сигнала накачки. При этом интенсивность волны сигнала накачки, необходимая для их одного из параметрических рассеивателей, меньше, чем для второго параметрического рассеивателя.
Обнаружитель групповых параметрических рассеивателей работает следующим образом.
Генератор синусоидального сигнала 1 генерирует непрерывный сигнал на частоте f/2. Этот сигнал проходит через удвоитель и поступает на сигнальный вход 1 амплитудного модулятора 4. Одновременно этот сигнал поступает на сигнальный вход 1 фазового модулятора 3.
Одновременно генератор опорных импульсов 5 формирует тактовую последовательность, поступающую на вход формирователя 6. Указанная тактовая последовательность синхронизирует работу излучающей части обнаружителя параметрических рассеивателей, ее осциллограмма представлена на фиг.2, кривая 1.
Тактовая последовательность в формирователе 6 преобразуется в последовательность видеосигналов управления фазовым модулятором 3 (фиг.2, кривая 2) и амплитудным модулятором 4 (фиг.2, кривая 3). При этом последовательность видеосигналов управления амплитудным модулятором 4 содержит информацию о выбранном законе кодирования, а последовательность видеосигналов управления фазовым модулятором 3 содержит информацию об альтернативном законе кодирования. В кодовое слово выбранного закона кодирования состоит из трех чередующиеся символов «1»,«0»,«1», а альтернативный закон кодирования содержит одинаковые символы «1»,«1», «1».
Сигналы управления фазовым модулятором 3 формируются в виде следующих друг за другом через определенный период времени пар видеоимпульсов. Временной интервал между видеоимпульсами внутри пары тоже определен. Полярность сигналов в паре всегда противоположна. Полярность первого видеоимпульса в паре задается соответственным порядковым символом альтернативного закона кодирования.
Информация о выбранном законе кодирования в сигнале управления амплитудным модулятором 4 содержится не в амплитуде, а в моменте появления видеоимпульса управления амплитудным модулятором 4. Все сигналы управления смеют одинаковую длительность и полярность. Позиция переднего фронта видеоимпульса управления амплитудным модулятором 4 совпадает с передним фронтом первого видеоимпульса в паре видеоимпульсов управления фазовым модулятором 3, если символы соответствующие порядковые символы кодового слова выбранного и альтернативного законов кодирования совпадают, то есть первые и третьи порядковые символы. Если эти символы не совпадают, то позиция переднего фронта видеоимпульса управления амплитудным модулятором 4 совпадает с задним фронтом второго ивидеомпульса в паре видеоимпульсов управления фазовым модулятором 3. В частности это вторые символы.
1
1
Сигналы управления фазовым модулятором 3 формируются на выходе 2 формирователя 6 и поступают на управляющий вход 2 фазового модулятора 3. Фазовый модулятор 3 формирует сигнал в соответствии с полярностью управляющих видеоимпульсов. В результате формируется последовательность пачек узкополосных когерентных пар следующих друг за другом вспомогательных радиоимпульсов с частотой высокочастотного заполнения f/2, с длительностью каждого из парных радиоимпульсов τ, при этом τ<<τ. Фаза первого радиоимпульса из пары определяется альтернативным закону кодирования и чередуется от радиоимпульса к радиоимпульсу. Синхронизирующим выступает то первый радиоимпульс из пары (1-я и 3-я пара радиоимпульсов), то второй (вторая пара радиоимпульсов). Осциллограмма этой последовательности представлена на фиг.2, кривая 4.
Сформированная последовательность пачек узкополосных когерентных пар следующих друг за другом вспомогательных радиоимпульсов с частотой высокочастотного заполнения f/2 проходит через высокочастотный усилитель 8 и антенну 9 при помощи которой излучается в пространство в направлении параметрического рассеивателя 11.
Одновременно сигналы управления амплитудным модулятором 4 поступают на управляющий вход 2 амплитудного модулятора 4. Амплитудный модулятор 4 в соответствии с управляющим сигналом на входе 2 формирует последовательность прямоугольных радиоимпульсов с частотой высокочастотного заполнения частоте f.
В результате формируется последовательность пачек узкополосных когерентных прямоугольных радиоимпульсов сигнала накачки с частотой высокочастотного заполнения f и длительностью радиоимпульсов τ. Осциллограмма этой последовательности представлена на фиг.2, кривая 5.
Эта последовательность усиливается усилителем 7 и поступает вход антенны 10 при помощи которой излучается в пространство в направлении параметрического рассеивателя 11.
На групповом параметрическом рассеивателе 11 формируется последовательность пачек узкополосных когерентных радиоимпульсов рассеянного сигнала. Каждый радиоимпульс этой последовательности соответствует символу выбранного закона кодирования, то есть каждая посылка состоит из трех радиоимпульсов с одинаковыми фазами высокочастотного заполнения. Осциллограмма этой последовательности представлена на фиг.2, кривая 5.
Радиоимпульсы рассеянного сигнала принимаются антенной 12, усиливаются высокочастотным усилителем 13 и поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 14, где входной сигнал оцифровывается. Оцифрованный сигнал поступает на сигнальный процессор 15, где производится когерентное накопление по алгоритму, обеспечивающему максимальный уровень когерентного накопления принимаемого сигнала, соответствующего выбранному закону кодирования. Результат когерентного накопления сравнивается с порогом, при превышении которого подается сигнал на индикатор 16 об обнаружении цели.
Алгоритм работы сигнального процессора представлен на фиг.3., где 17 - разветвитель, 18 - инвертор, 19 - линия задержки на время, равное периоду следования импульсов Т, 20 - линия задержки на время, равное двум периодам следования импульсов 2Т, 21 - сумматор, 22 - оптимальный фильтр на радиоимпульс, с длительностью τ, 23 - пороговое устройство, 24 - блок определения дальности.
Приемник работает следующим образом. При помощи разветвителя 17, инвертора 18, линий задержек 19, 20 и сумматора 21 производится оптимальное когерентное сложение последовательности пачек узкополосных когерентных радиоимпульсов рассеянного сигнала в виде последовательности пачек из 3-х чередующихся радиоимпульсов на частоте f/2 (фиг.2 кривая 6). Процесс и результат сложения представлен на фиг.4, где осциллограмма 1 соответствует сигналу на входе 1 сумматора 4, осциллограмма 2 соответствует сигналу на входе 2 сумматора 4 (сигнал инвертирован и задержан на время Т), осциллограмма 3 соответствует сигналу на входе 3 сумматора 4 (сигнал задержан на время 2Т). Результат сложения представлен на фиг.4, кривая 4. По осциллограмме можно судить о том, что происходит когерентное накопление при некотором уширении принимаемых радиоимпульсов.
Далее сигнал проходит через оптимальный фильтр 22, настроенный на радиоимпульс, с длительностью τ и поступает на вход 1 порогового устройства 23 и на вход 1 блока 24 определения дальности. На второй вход порогового устройства 23 поступает значение заданного порога обнаружения, при превышении которого на входе порогового устройства 23 формируется сигнал об обнаружении цели, который поступает на индикатор.
На второй вход блока 24 определения дальности поступает сигнал с формирователя 3 с информацией о моменте излучения радиоимпульса накачки, на основе которой определяют дальность до объекта поиска.
Помеховый сигнал вспомогательных радиоимпульсов так же поступает на вход приемника. Процесс и результат его когерентного сложения по алгоритму, реализованному в сигнальном процессоре, изображены на фиг.5. Видно, что в данном случае когерентного накопления не наблюдается.
В качестве группового параметрического рассеивателя 11 использована пара параметрических рассеивателей, расположенных на расстоянии λ/2, где λ длина волны сигнала накачки. При этом интенсивность волны сигнала накачки, необходимая для их одного из параметрических рассеивателей, меньше, чем для второго параметрического рассеивателя. В описанном режиме работы обнаружителя параметрических рассеивателей оба параметрических рассеивателя возбуждаются от волны радиоимпульса накачки при наличии синхронизирующего радиоимпульса. В этом режиме эффективный рассеянный сигнал будет наблюдаться, например, если плоскость, в которой расположены параметрические рассеиватели, проходит поперек или вдоль направления волны зондирующего сигнала. Однако, если угол между направлением волны зондирующего сигнала и плоскостью в которой расположены параметрические рассеиватели составляет 60°, рассеянный сигнал будет отсутствовать, так как в этом направлении параметрические рассеиватели рассеивают противофазные колебания. Для устранения этого негативного эффекта при излучении некоторых пачек зондирующего сигнала применен режим мерцания. В этом режиме используется физическое явление, которое получило название «звон». «Звон» заключается в том, что если облучить сигналом резонансную структуру на частоте, близкой к собственной частоте колебаний, то после окончания воздействия колебание достаточно долго будет сохраняться в системе релаксируя, то есть, убывая по экспоненте с достаточно малым инкрементом затухания. Поэтому синхронизирующий радиоимпульс будет еще достаточно долго сохраняться в невозбужденных параметрических рассеивателях так как они по определению являются резонансными структурами, так как содержат параметрический контур. Монотонно растущий радиоимпульс накачки возбудит такой параметрический рассеиватель с фазой, близкой к фазе релаксирующих колебаний после окончания синхронизирующего радиоимпульса. После возбуждения одного из параметрических рассеивателей фаза второго параметрического рассеивателя будет навязываться уже этим, первьм возбудившимся параметрическим рассеивателей, при этом существенно изменится картина излучения по сравнению с одновременным возбуждением. В частности, если угол между направлением волны зондирующего сигнала и плоскостью в которой расположены параметрические рассеиватели составляет 60° параметрические рассеиватели рассеивают синфазные колебания.
Процесс работы обнаружителя параметрических рассеивателей в режиме мерцания такой же, что и в обычном режиме и представлен на фиг.6. Отличием является то, что на основе тактовой последовательности (фиг.6, кривая 1) формирователь 6 кроме последовательности видеосигналов управления фазовым модулятором 3 (фиг.6, кривая 3) формирует последовательность видеосигналов управления амплитудным модулятором 4 (фиг.6, кривая 2), при этом передний фронт видеоимпульсов имеет вид монотонно растущей кривой. Длительность этого участка видеосигнала управления амплитудным модулятором 4 не менее, чем временной промежуток между первым и вторьм видеоимпульсами из пары видеосигнала управления фазовьм модулятором 3.
В результате в пространство излучается зондирующий сигнал, состоящий из последовательности парных вспомогательных радиоимпульсов (фиг.6, кривая 4) и последовательности радиоимпульсов накачки с монотонно растущим передним фронтом (фиг.6, кривая 5).
Этот сигнал первым возбудит параметрический рассеиватель у которого интенсивность волны сигнала накачки, необходимая для его возбуждения, меньше (фиг.6, кривая 6). При этом фаза будет определяться синхронизирующим радиоимпульсом. Второй параметрический рассеиватель возбудится когда уровень зондирующего сигнала вырастет до уровня его порога возбуждения, фаза его колебаний будет определяться первьм возбудившимся параметрическим рассеивателем (фиг.6, кривая 7).
В качестве генератора синусоидального сигнала 1 может быть использован стандартный генератор Г4-164. Удвоитель 2 может быть изготовлен по [С.А.Дробов, С.И.Бычков Радиопередающие устройства // Сов. Радио, М. 1968 г., стр.117-123]. Фазовый модулятор 3 может быть реализован по [С.А.Дробов, С.И.Бычков Радиопередающие устройства // Сов. Радио, М. 1968 г., стр.329-335]. Амплитудный модулятор 4 может быть реализован по [С.А.Дробов, С.И.Бычков Радиопередающие устройства // Сов. Радио, М.1968 г., стр.240-277]. В качестве генератора опорных импульсов 5 может быть использован стандартный генератор Г5-28, 6 - формирователь может быть реализован по [В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев Электроника // М. Высшая школа, 1991, издание 2-е переработанное и дополненное, стр.489-585]. В качестве высокочастотных усилителей 7, 8 могут быть использованы усилители от стандартного генератора Г4-128. В качестве антенн 9, 10, 12 могут быть использованы антенны П6-33, Групповой параметрический рассеиватель 11 может быть изготовлен на основе патента RU 2108596 С1, Радиокомплекс розыска маркеров. В качестве высокочастотного усилителя 13 может быть использован стандартный малошумящий усилитель МАХ 2640. В качестве аналого-цифрового преобразователя 14 может быть использован, АЦП ZET 230. В качестве сигнального процессора 15 может быть использован сигнальный процессор TMS 320 С 2000. В качестве индикатора 16 может быть использован компьютер типа Pentium 4.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет устранить пропуск цели из-за наличия нулей в диаграмме обратного нелинейного рассеяния при обнаружении группы размещенных определенным образом параметрических рассеивателей.