СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИЕМНЫХ ПАРЦИАЛЬНЫХ ЛУЧЕЙ ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА
METHOD OF GENERATING RECEIVING PARTIAL BEAMS FOR PARALLEL VIEWING OF SPACE

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано при разработке цифровых фазированных антенных решеток радиолокаторов для формирования приемной многолучевой диаграммы направленности в рабочей зоне пространства. Более конкретно, изобретение относится к способам формирования многолучевой диаграммы направленности в цифровых фазированных антенных решетках (ФАР) для параллельного многоканального обзора рабочей зоны пространства.
При параллельном обзоре пространства с использованием фазированной антенной решетки (ФАР) с N элементами процесс формирования М лучей математически может быть записан в матричном виде следующим образом (см, напр. [1], рис. 5.16, стр. 258):
T
T
1
2
M
1
2
n
где Y - вектор выходных сигналов с парциальных лучей, записанных в комплексной форме, соответствующих М лучам Y=[g, g, … g], А - матрица преобразования размерности M×N, представляющая собой комплексные числа, учитывающие требуемую ориентацию лучей в пространстве, U - вектор сигналов, поступающих с элементов ФАР, представленных также в комплексной форме U=[u, u, … u], Т - знак транспонирования, * - знак сопряжения.
Выражение (1) фактически описывает работу диаграммообразующей схемы.
В аналоговом виде это эквивалентно использованию нескольких групп (по числу М парциальных лучей) фазовращателей после всех антенных элементов, совокупность фаз которых в группе определяет требуемую ориентацию парциального луча, соответствующему суммированию их выходов, в итоге формирования сигналов на выходах М лучей (см, напр. [2], п. 9.4):
С развитием цифровой вычислительной техники выходные сигналы многолучевой ФАР часто получают непосредственно, используя выражение (1). При этом совокупности комплексных сигналов Y и U представляют из себя соответствующие квадратуры (см [3] параграф 3.8). Получение квадратур сигналов элементов вектора U является одной из наиболее затратных операций при формировании многолучевой диаграммы направленности в цифровой ФАР. С этой целью после каждого элемента ФАР приходится выполнять операции усиления сигнала, фильтрации, переноса (при необходимости) на промежуточную частоту или видеочастоту, а потом уже оцифровку для получения квадратур сигналов.
Техническим результатом изобретения является создание способа формирования парциальных лучей многолучевой диаграммы направленности при параллельном обзоре пространства, в котором по сравнению с известными способами уменьшается количество операций, связанных с получением цифровых квадратурных сигналов с элементов антенной решетки перед собственно диаграммообразованием.
Известна цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции, описанная в [4], содержащая антенную решетку из N приемных антенных модулей, устройство оцифровки приемных сигналов, цифровое устройство выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенны по каждому из сканирующих лучей, устройство цифрового формирования М диаграмм направленности, при этом каждый приемный антенный модуль дополнительно содержит цифровое устройство формирования диаграммы направленности, а цифровое устройство выработки весовых коэффициентов выполнено с возможностью формирования в раскрыве цифровой приемной антенной решетки N амплитудно-фазовых распределений вида sinU/U (U - относительное отклонение луча от нормали к плоскости антенной решетки) таким образом, что в дальней зоне каждому приемному элементу соответствует диаграмма направленности, по форме близкая к столообразной. В патенте разработчиками были одновременно решены задача уменьшения количества приемных устройств и аналого-цифровых преобразователей в цифровой приемной антенной решетке, но лучи формируются только в части рабочей зоны, а для анализа всей зоны требуется сканирование.
Известен патент на изобретение [5], где, в частности, предметом изобретения является способ формирования растрового радиометрического изображения с помощью фазированной антенной решетки, содержащий этапы получения группы ортогональных или почти ортогональных сигналов, перемножения сигнала от каждого антенного элемента на один из полученных сигналов; объединения перемноженных сигналов от антенных элементов для создания объединенной последовательности сигналов, их усиления, преобразования по частоте, и разделения объединенной последовательности сигналов путем перемножения объединенной последовательности сигналов на группу ортогональных сигналов, чтобы обеспечить данные на видеочастоте для изображения без физического использования собственно растровой развертки. Данный способ позволяет получить растровое радиометрическое изображение на видеочастоте, но не дает возможность когерентной обработки сигналов, что эквивалентно невозможности произвольной "расстановки" лучей диаграммы направленности, как это обычно требуется в радиолокации, и последующей оптимальной (квазиоптимальной) обработки сигналов.
Наиболее близким по технической сущности является способ формирования парциальных лучей, описанный в монографии [6] на основе схемы цифрового диаграммообразования с применением подрешеток ([6], стр. 25 рис. 6) и содержащий этапы когерентного излучения зондирующего сигнала подрешеткой (элементом) N-элементной фазированной антенной решетки (ФАР) во всей рабочей зоне пространства; когерентного приема каждой (подрешеткой) элементом ФАР эхо-сигналов; преобразовании их в квадратурные сигналы в цифровом виде; формирования парциальных лучей цифровой диаграммообразующей схемой в виде сигналов на их выходах. Данный способ требует, чтобы число параллельных каналов, в каждом из которых происходит усиление сигнала, принятого соответствующим элементом фазированной антенной решетки, его преобразование по частоте (при необходимости) и оцифровка для последующего преобразования в цифровую форму, было бы равно числу элементов N фазированной антенной решетки или числу подрешеток при объединении нескольких элементов решетки. В реализации это требует большого числа выполняемых параллельных операций аналого-цифровых преобразований, количество которых равно большому числу элементов N фазированной антенной решетки (или подрешеток).
В предлагаемом способе технический результат достигается за счет того, что в известном способе формирования парциальных лучей для параллельного обзора пространства, заключающемся в том, что в том, передающие элементы или элемент ФАР излучают зондирующий сигнал, "освещающий" всю рабочую зону пространства, а каждым приемным элементом ФАР принимают свой эхо-сигнал, после чего полученную совокупность аналоговых эхо-сигналов преобразуют групповым способом в совокупность цифровых квадратурных сигналов с каждого элемента ФАР, а затем из них с помощью цифровой диаграммообразующей схемы формируют сигналы, соответствующие парциальным лучам диаграммы направленности. При этом, в отличие от известного способа, для получения совокупности цифровых квадратурных сигналов с каждого элемента ФАР используется групповой способ, в котором совокупность аналоговых эхо-сигналов сначала модулируется последовательностью ортогональных кодов, ортогональных для каждого приемного элемента, затем суммируют все промодулированные сигналы, после чего суммарный сигнал оцифровывают, представляя его в виде цифровых квадратур, затем суммарный оцифрованный сигнал декодируют путем корреляции с той же последовательностью ортогональных кодов, получая в результате совокупность цифровых квадратурных сигналов с каждого элемента ФАР.
Предлагаемый способ резко уменьшает число параллельно производимых аналого-цифровых преобразований, что позволяет уменьшить аппаратурные затраты при его реализации. Если в известном способе в каждом из каналов, в котором осуществляется усиление сигнала, принятого соответствующим элементом фазированной антенной решетки, его преобразование по частоте (при необходимости) и оцифровка для последующего преобразования в цифровую форму, присутствует отдельный аналого-цифровой преобразователь, при этом требуется синхронизация всех аналого-цифровых преобразователей с неизбежными затратами ресурсов на компенсацию погрешностей, вызванных аппаратурно-фазовыми ошибками квадратурных подканалов (неортогональность квадратурных подканалов и различие коэффициентов усиления в них) и на синхронизацию аналого-цифровых преобразователей (это погрешности, свойственные всем без исключения аналого-цифровым преобразователям, см., напр., монографию [7]), то в нашем способе используется один квадратурный аналого-цифровой преобразователь, что позволяет существенно аппаратурную реализацию процесса обработки сигнала, особенно при большом числе N элементов ФАР.
Предлагаемый способ можно представить в виде формульно-логического алгоритма в соответствии с блок-схемой, изображенной на фиг. 1.
0
1
2
N
i
1
2
N
Как показано на фиг. 1, после излучения зондирующего сигнала отдельным элементом Э, запитываемым соответствующим передатчиком (ПК), из рабочей зоны пространства приходит эхо-сигнал, который принимается всеми элементами фазированной антенной решетки. Принятые сигналы со всех элементов ФАР поступают на модулирующее устройство М, состоящее из модуляторов M, М, … M. На каждый i-й модулятор M поступает как сигнал с i-го элемента ФАР, так и кодирующая последовательность сигналов первой группы выходов генератора ортогональных кодов (ГОК), далее происходит модуляция сигнала каждого i-го элемента ФАР кодирующей последовательностью сигналов. После N модулированных сигналов идут на входы сумматора Σ, где происходит их суммирование. С выхода сумматора Σ суммарный сигнал поступает на квадратурный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где происходит его преобразование в квадратурную форму. После квадратурный сигнал поступает на декодирующее устройство Д, состоящее из N декодеров Д, Д, … Д. На каждый i-й декодер поступает как сигнал выхода с аналого-цифрового преобразователя, так и кодирующая последовательность сигналов с выходов второй группы выходов генератора ортогональных кодов. Коды первой и второй группы выходов математически одни и те же, физически они соответствуют требованиям модулирующих входов модулятора М и демодулирующих входов демодулятора Д. Далее N декодированных сигналов поступают на N входов диаграммообразующей схемы (ДОС), причем сигнал на i-ом входе соответствует преобразованному сигналу на i-м элементе ФАР. В диаграммообразующей схеме происходит формирование парциальных лучей диаграммы направленности (вычисляется выражение (1)). Между диаграммообразующей схемой ДОС и блоком синхронизации и управления (БСУ) осуществляется постоянный двунаправленный обмен данными, в результате чего в блоке синхронизации и управления в соответствии с заранее заданным алгоритмом управления формируется последовательность синхроимпульсов, регулирующая работу генератора ортогональных кодов и влияющая на параметры кодирующей последовательности сигналов с выходов первой и второй группы выходов генератора ортогональных кодов, а также работу передатчика.
Излучение зондирующего сигнала может осуществляться при необходимости группой излучающих элементов, в том числе, как это делается в активных ФАР, всеми элементами решетки. Между всеми блоками могут стоять усилители, при необходимости перед АЦП может происходить понижение частоты (перенос на промежуточную частоту).
j
1
2
L
В другом варианте, как показано на фиг. 2, N-элементную фазированную антенную решетку (ФАР) разбивают на L подрешеток ПP, j=1…L, с числом элементов N, N…N.
j
1
2
L
1
2
L
В каждой j-ой подрешетке ПP после приема каждым элементом подрешетки эхо-сигналов принятые сигналы со всех элементов j-ой подрешетки ФАР поступают на модулирующее устройство М, состоящее из модуляторов M, М, … M. После L модулированных сигналов идут на входы сумматора Σ, где происходит их суммирование. Аналогично первому варианту, с выхода сумматора Σ суммарный сигнал поступает на квадратурный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где происходит его преобразование в квадратурную форму, после чего квадратурный сигнал поступает на декодирующее устройство Д, состоящее из L декодеров Д, Д, … Д при этом на каждый j-й декодер поступает как сигнал выхода с аналого-цифрового преобразователя, так и кодирующая последовательность сигналов с выходов второй группы выходов генератора ортогональных кодов. Коды первой и второй группы выходов математически одни и те же, физически они соответствуют требованиям модулирующих входов модулятора М и демодулирующих входов демодулятора Д. Далее L декодированных сигналов поступают на L входов диаграммообразующей схемы (ДОС), причем сигнал на j-м входе соответствует преобразованному сигналу со всех элементов j-й подрешетке ФАР. В диаграммообразующей схеме происходит формирование парциальных лучей диаграммы направленности (вычисляется выражение (1)). Как и в первом варианте между диаграммообразующей схемой ДОС и блоком синхронизации и управления (БСУ) осуществляется постоянный двунаправленный обмен данными, в результате чего в блоке синхронизации и управления в соответствии с заранее заданным алгоритмом управления формируется последовательность синхроимпульсов, регулирующая работу генератора ортогональных кодов и влияющая на параметры кодирующей последовательности сигналов с выходов первой и второй группы выходов генератора ортогональных кодов, а также работу передатчика.
П
П
В качестве последовательности ортогональных кодов выбирается любая из последовательностей, которые могут быть аппаратно и программно реализованы. Это могут быть последовательности на основе функций Уолша, Хемминга, Рида-Мюллера, Кравченко, Адамара и т.п. Например, в одном из вариантов в качестве последовательности ортогональных кодов может быть выбрана последовательность кодов на основе функций Уолша, число этих кодов равно N, а их длительность равна такту формирования парциальных лучей и вычисляется как n* Т, где Т - период повторения зондирующих сигналов, n - число обрабатываемых периодов повторения.
Под декодированием может подразумеваться любая из операций, которая может быть аппаратно и программно реализована, может использовать кодирующую последовательность сигналов и преобразовывать сигнал из цифровой формы с выхода аналого-цифрового преобразователя в форму, необходимую для поступления на вход диаграммообразующей схемы. В частности, декодирование суммарного цифрового сигнала может заключаться в перемножении квадратур цифрового суммарного сигнала с соответствующими кодами из последовательности ортогональных кодов и суммировании результатов перемножения.
В цифровой диаграммообразующей схеме может быть реализовано любое преобразование, в частности осуществляться перемножение квадратурных цифровых сигналов с N элементов ФАР на М групп комплексных коэффициентов, что обеспечивает сдвиг фаз для наведения парциального луча в требуемую точку пространства, при этом М равно числу требуемых парциальных лучей (см., напр. монографию [8]).
ЛИТЕРАТУРА
1. Информационные технологии в радиотехнических системах. Учебное пособие. - изд., переработанное и дополненное / В.А. Васин, И.Б. Власов и др.; Под ред. И.Б. Федорова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 656 с.
2. Авиационные радиолокационные комплексы и системы: Учебник для слушателей и курсантов ВУЗов ВВС / П.И. Дудник, Г.С. Кондратенков, Б.Г. Татарский и др.; Под ред. П.И. Дудника. - М.: Изд-во ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2006. - 456 с.
3. Теоретические основы радиолокации. Учебное пособие для ВУЗов / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Советское Радио, 1970. - 272 с.
4. Патент на изобретение RU 2584458 С1 МПК H01Q 3/00 Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции. - Опубл. 20.05.2016, Бюл. №14.
5. US Patent 9030354 B2 IPC G01S 3/02; H04W 88/08; H04B 1/50 Imaging architecture with code-division multiplexing for large aperture arrays. - Publ. 12.05.2015.
6. Григорьев Л.Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках. - М., Радиотехника, 2010 г. - 144 с.
7. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. - М.: Радио и связь. - 2003 г. - 200 с.
8. Скобелев С.П. Фазированные антенные решетки с секторными парциальными диаграммами направленности. - М., Физматлит, 2010 г. - 320 с.