СИСТЕМА ПРОСТРАНСТВЕННОГО НАБЛЮДЕНИЯ

Класс МПКG 01 S 13/00
Название. Система пространственного наблюдения.
Область техники. Радио- и гидролокация, радиолокационные и гидроакустические станции, объединенные термином система пространственного наблюдения (см. раздел G 01 S 13/00 в Международной классификации изобретений), которая будет работать или с электромагнитными или акустическими волнами, в зависимости от типа антенны и её элементов, преобразующих электрические сигналы в тот или иной тип волн и обратно.
Уровень техники. Характеристика аналога. Известна конструкция радиолокатора, приведенная на стр. 46 в кн. /1/, состоящая из генератора кода, радиопередатчика, излучгаощей и приемной антенн, приемника, соединенного с многоканальным блоком обработки, канал приема которого содержит множитель и интегратор, при этом вторые входы множителей соединены со вторым выходом генератора кода. Аналог характеризуется недостаточной пространственной селекцией, осуществляемой на плоскости.
Характеристика прототина. Известна конструкция короткоимпульсной радиолокационной станции (РЛС) RAT SCAT, описанной на стр. 45 в/2/. И состоящей из генератора тактовых импульсов (ГТИ), формирователя ступенчатого напряжения (ФСИ), формирователя коротких радиоимпульсов (ФКРИ), усилителя мощности, устройства обработки, антенного переключателя, стробоскопического преобразователя (СП), смесителя, аттенюатора, лампы бегущей волны (ЛБВ), электронно-вычислительной машины (ЭВМ) и антенны.
Критика прототипа. Устройство характеризуется тем, что селекция изучаемых объектов осуществляется в плоскости, при которой возможны ситуации маскировки объектов гц)и совпад щн у объектов одной из координат, при этом регулировка мощности облучения может осуществляться только одновременно по всей зоне обзора, то есть селективная регулировка мощности по различным точкам пространства обзора не возможна.
Цель изобретения состоит в повышении эффективности системы наблюдения, за счет точечной пространственной селекции и регулировки мощности облучения заданных точек пространства, что позволяет устранить явление маскировки одного объекта другим.
Сущность. Поставленная цель достигается за счет совокупности следующих существенных признаков:
1.Исключены из состава конструкции: ГТИ, ФСН, ФКРИ, СП, ЛЕВ, усилитель мощности, смеситель и аттенюатор;
2.Дополнительно введены в состав устройства: блок ввода данных, две магистрали, N-канальный блок цифровых генераторов с возможностью регулировки, каждый канал передачи которого содержит: программируемое постоянное запоминающее устройство (ШТЗУ), блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) и цифро-аналоговый преобразователь, N-канальный электронный коммутатор, цифровой индикатор, N-каналов приема блока обработки, содержащих: АЦП, блок БПФ и цифровой согласованный фильтр.
3.Преобразованы: антенна в N-элементную антенную рещетку, антенный переключатель в N-канальный коммутатор приема-передачи и блок обработки в N-канальный блок обработки.
4.Повые связи: Система пространстве1шого наблюдения, состоящая из электронно-вычислительной машины, блока обработки и антенного переключателя соединенного с антенной, отличающаяся тем, что вход электронно-вычислительной мащины соединен с выходом дополнительно внесенного блока ввода данных, при этом первый выхо электрщно т//
вычислительной машины подключен через донолнительно введенную первую магистраль к дополнительно внесенному N- канальному блоку цифровых генераторов с возможностью регулировки, каждый канал передачи которого состоит из дополнительно внесенных последовательно соединенных программируемого постоянного запоминающего устройства, блока быстрого преобразования Фурье и цифро-аналогового преобразователя, при этом вход программируемого постоянного запоминающего устройства является входом, а выход цифро-аналогового преобразователя - выходом канала передачи, кроме того выходы всех каналов передачи подключены к соответствующим входам антенного переключателя, выполненного в виде N-канального коммутатора приема-передачи, антенные разъемы которого соединены с соответствующими элементами антенны, выполненной в виде N-элементной антенной решетки, при этом выходы N-канального коммутатора приема-передачи соединены с соответствующими входами блока обработки, выполненного в N-канальном виде, каждый канал приема которого состоит из дополнительно внесенных последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, блока быстрого преобразования Фурье и цифрового согласованного фильтра, при этом вход данного аналогоцифрового преобразователя является входом, а выход цифрового согласованного фильтра - выходом указанного канала, кроме того выходы Nканального блока обработки соединены через дополнительно внесенный Nканальный электронный коммутатор с дополнительно внесенным цифровым индикатором, при этом второй выход электронно-вычислительной машины соединен с N-канальным коммутатором приема-передачи, кроме того третий выход электронно-вычислительной машины соединен через дополнительно внесенную вторз о магистраль с управляюшим входом дополнительно внесенного N-канального электронного коммутатора, а четвертый выход электронно-вычислительной машины подключен к управляющему входу дополнительно внесенного цифрового индикатора.
Повышение эффективности системы наблюдения осуществляется за счет точечной селекции и регулировки мопщости облучения заданных точек пространства.
Решению этих задач способствует рациональный выбор сигналов, предназначенных для избирательного и регулируемого по мощности облучения заданных точек пространства, а также методов их формирования и обработки на приемной стороне. Для повышения помехоустойчивости используются широкополосные сигналы /1-4/, что также увеличивает энергетическую и параметрическую скрытность /3, 4/.
Однако, известно, что влияние доплеровской деформации на широкополосный сигнал возрастает с увеличением базы сигнала, что приводит к искажению его тонкой структуры и, в конечном счете, существенно снижает эффективность систем наблюдения /3 - 5/.
В основу работы данного устройства положено свойство сигнала с гиперболической частотной модуляцией (ГЧМ) /4, 5/. Влияние доплеровского эффекта на ГЧМ-сигпал со сдвигом начала сигнала относительно начала отсчета
S(t) )) ,(1)
где Q - гиперболическая несущая частота, определяемая выражением
Q f(t)x t;
f(t) - мгновенная частота;
t - текущий момент времени;
т - сдвиг начала сигнала относительно начала отсчета, будет состоять в смещении по времени, которое эквивалентно изменению дальности на величину
АД  Схт„,(2)
где С - скорость распространения энергии в среде;
т« (3)
С 2-а
а - доплеровский параметр; V - радиальная скорость.
То есть сигнал попадает на цель с запаздыванием или опережением в зависимости от знака доплеровского параметра. Этот известный результат является прямым следствием свойства инвариантности ГЧМ -сигнала со сдвигом начала относительно начала его отсчета по отношению к доплеровскому эффекту /4, 5/.
Искусственно вводя в сигналы (1) двух ненаправленных элементов антенной решетки определенные доплеровские параметры, эквивалентные радиальным скоростям перемещения точки фокусировки относительно этих элементов антенной решетки /4, 5/
V,-C,(4)
где i - номер элемента антенной решетки,
можно добиться фокусировки энергий этих излучателей (элементов антенной решетки) в заданной точке пространства. Для наглядности рассмотрим ситуацию, приведенную на фиг. 2, основные параметры связаны соотношениями:где л«  1.  а.(5) Aa ai/a2; ai , а2- параметры вводимые в ГЧМ -сигналы первого и второго элементов антенной решетки; , 7 -7«Ti
Д + Д2, рассчитываемая по формуле /6/
I ДЕ  Д,-  + / + () - 2 V
Д1 , Д2 - расстояние от первого и второго элементов антенной решетки соответственно до точки фокусировки;
L - расстояние между первым и вторым элементами антенной решетки;
, В    В -угловые сферические координаты точки
фокусировки относительно соответствуюш:их элементов антенной решетки. Таким образом, при излучении сигналов вида
sin(n  In /7 + О  ln(t - г))
5,(0  ,(7)
где i - номер элемента антенной решетки;
и выполнении условий (5) и (6) обеспечивается синфазное сложение сигналов двух или более ненаправленных элементов антенной решетки в заданной точке пространства. При этом особо следует отметить, что данные сигналы излучаются одновременно и синфазно.
При этом заявляемое техническое решение может обеспечить фокусировку в заданной точке пространства энергии от двух до N излучающих элементов антенной решетки. Тем самым достигается регулировка мощности в заданных точках пространства наблюдения.
Регулировка параметров Щ1фровых генераторов осуществляется в соответствии с рассчитанной в ЭВМ ВЬЕСОДНОЙ маской (см. стр. 202-207 в кн. /7/), определяемой формой зоны наблюдения, количеством точек фокуси,(6) ,- о5 2-со8(Д-Д)+ sin ,-sin J
ровки и их координатами, которые могут задаваться каждая непосредственно или относительно характерной точки зоны, например центра симметрии, центра тяжести и т. ц. А в случае необходимости формирования нескольких зон наблюдения рассчитываются выходные маски для каждой из них. При этом данные выходные маски передаются в N-канапьный электронный коммутатор и в цифровой индикатор для формирования развертки. По выходной маске N - канальный электронный коммутатор осуществляет яркостную модуляцию точек цифрового индикатора, соответствующих координатам точек отражения исследуемых зон наблюдения в пространстве. Подсветка точек развертки происходит при совпадении комбинаций отраженных сигналов в соответствии с алфавитом кодов по выходной маске, от соответствующих пространственных точек зоны наблюдения.
Как известно, спектр Фурье инвариантен относительно преобразования сдвига. Из этого следует, что спектральное представление сигнала более предпочтительно, чем временное (см. стр. 43 в кн. /4/). Кроме того, последовательное применение прямого и обратного преобразования Фурье не изменяют сигнал, при этом энергия сигнала во временной и частотной областях одинакова, то есть преобразование Фурье являются унитарным (см. стр. 44-46 в кн. /4/).
Сформированные на основании выражения (7) сигналы цифровых генераторов с возможностью регулировки каждого из N каналов передачи переводятся в спектральную область. При этом кодирование сигналов каждого из N каналов передачи осуществляется в спектральной области путем обнуления части дискретных отсчетов по определенному закону в соответствии с выбранным алфавитом кодирования. Отсчеты спектров, сформированных таким образом сигналов записываются и хранятся в ППЗУ цифровых генераторов с возможностью регулировки каждого из N
каналов передачи, и в качестве эталонов в цифровом согласованном фильтре каждого из N каналов приема блока обработки при параметре .
Формируемые таким образом сигналы в каналах передачи переводятся во временную область и излучаются. В случае отражения от заданных точек пространства зоны наблюдения сигналы принимаются и поступают в N-канальный блок обработки, где преобразуются в спектральную область и выделяются соответствующим цифровым согласованным фильтром на основании алфавита кодирования сигналов и поступают на N - канальный электронный коммутатор. В электронном коммутаторе состоящем из комбинации логических элементов «И, определяемой по выходной маске, формируются српгналы яркостной модуляции пространственной развертки цифрового индикатора. Развертка цифрового индикатора также формируется по выходной маске, поступаемой с ЭВМ, и при отражении от точек зоны наблюдения в соответствующих им точках развертки происходит подсветка.
В заявляемом устройстве найдена совокупность элементов, позволяющих обеспечить выполнение функционального назначения и достижение поставленной цели.
Новая совокупность элементов и новые связи, обеспечили решение задачи по повышению эффективности системы наблюдения за счет селекции и регулировки мощности облучения заданных точек пространства, что позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям новизна, существенные отличия и практическая значимость.
Перечень фигур. На фиг. 1 изображена структурная схема системы пространственного наблюдения, где обозначены: 1. электронно-вычислительная мапшна;
2.N - канальный блок обработки;
3.N - канапьный коммутатор приема-передачи ;
4.N - элементная антенная решетка;
5.дополнительно внесенный блок ввода данных;
6.дополнительно внесенная первая магистраль;
7.дополнительно внесенный N - канальный блок цифровых генераторов с возможностью регулировки;
8.дополнительно внесенный канал передачи;
9.дополнительно внесенное ГШЗУ;
10.дополнительно внесенный блок БПФ;
11.дополнительно внесенный цифро-аналоговый преобразователь;
12.элементы антенной решетки;
13.дополнительно внесенный канал приема;
14.дополнительно внесенный аналого-цифровой преобразователь;
15.дополнительно внесенный блок БПФ;
16.дополнительно внесенный цифровой согласованный фильтр;
17.дополнительно внесенный N - канальный электронный коммутатор;
18.дополнительно внесенный цифровой индикатор;
19.дополнительно внесенная вторая магистраль.
На фиг. 2 изображено пространственное ноложение двух из N элементов антенной решетки и одна из точек зоны наблюдения, где обозначены: 4 - N - элементная антенная решетка; 12.1 -J-12.2- первый и второй элементы антенной решетки; 20 - точка зоны наблюдения.
На фиг. 3 изображен пример формирования зоны наблюдения, где обозначены:
4 - N - элементная антенная решетка; 12.1 -f 12.N- элементы антенной решетки;
20.1 - 20.6 - точки зоны наблюдения, которые формируются следующим образом: точка 20.1 формируется сигналами пары элементов антенной решетки 12.1 и 12.К , аналогично 20.2 - (12.К, 12.N); 20.3 - (12.1, 12.N); 20.4-(12.К, 12.М);
20.5-(12.1, 12.М); 20.6-(12.N, 12.М). Пример выполнения.
Система пространственного наблюдения, состоящая из электронновычислительной 1 машины, блока 2 обработки и антенного 3 переключателя соединенного с антенной 4, отличающаяся тем, что вход электронновычислительной 1 машины соединен с выходом дополнительно внесенного блока ввода 5 данных, при этом первый выход электронно-вычислительной 1 машины подключен через дополнительно введенную первую б магистраль к дополнительно внесенному N- канальному блоку Тцифровых генераторов с возможностью регулировки, каждый канал 8 передачи которого состоит из дополнительно внесенных последовательно соединенных программируемого 9 постоянного запоминающего устройства, блока 10 быстрого преобразования Фурье и цифро-аналогового 11 преобразователя, при этом вход программируемого 9 постоянного запоминающего устройства является входом, а выход цифро-аналогового 11 преобразователя - выходом канала 8 передачи, кроме того выходы всех каналов 8 передачи подключены к соответствующим входам антенного 3 переключателя, выполненного в виде N-канального коммутатора 3 приема-передачи, антенные разъемы которого соединены с соответствующими элементами 12 антенны 4, выполненной в виде N-элементной антенной 4 рещетки, при этом выходы N-канального коммутатора 3 приема-передачи соединены с соответствующими входами блока 2 обработки, выполненного в N-канальном виде, каждый канал 13 приема которого состоит из дополнительно внесенных последовательно соединенных аналого-цифрового 14 преобразователя.
блока быстрого 15 преобразования Фурье и цифрового 16 согласованного фильтра, нри этом вход данного аналого-цифрового 14 преобразователя является входом, а выход цифрового 16 согласованного фильтра - выходом указанного 13 канала, кроме того выходы N-канального блока 2 обработки соединены через дополнительно внесенный N-канальный 17 электронный коммутатор с дополнительно внесенным цифровым 18 индикатором, при этом второй выход электронно-вычислительной 1 машины соединен с Nканальным коммутатором 3 приема-передачи, кроме того третий выход электронно-вычислительной 1 машины соединен через дополнительно внесенную вторую 19 магистраль с управляюш 1м входом дополнительно внесенного N-канального электронного 17 коммутатора, а четвертый выход электронно-вычислительной машины подключен к зшравляющему входу дополнительно внесенного цифрового индикатора.
Устройство работает следующим образом.
С дополнительно внесенного пульта ввода 5 данных задаются координаты или заданных точек зоны наблюдения или характерных точек и форма зон наблюдения в пространстве, по которым в ЭВМ 1 на основании выражений (5) и (6) определяются вводимые в ГЧМ - сигналы значения параметров Oj , где j  1, Q (Q зависит от количества точек зон наблюдения, количества элементов антенной решетки участвуюпщх в формировании этих точек и количества зон наблюдения) т. е. формируются выходные маски. В дополнительно внесенном N- канальном 7 генераторе с возможностью регулировки по выходным маскам выбираются из дополнительно внесенных 9 Ш13У соответствуюпще спектры кодированных по заданному алфавиту сигналов каналов передачи. При этом спектры данных ГЧМ - сигналов формируются на основании выражения (7) и алфавита кодирования, путем обнуления части отсчетов спектра базового сигнала. Спектр сигнала подается на вход дополнительно в,1ЬсеБШ|| блока 10
БПФ, с которого временные отсчеты сигнала постунают на дополнительно внесенный 11 ЦАП для формирования излучаемых соответствующими 12 элементами антенной 4 решетки через N - канальный 3 коммутатор приема-нередачи управляемый сигналами поступающими со второго выходаЭВМ.
Отраженные от точек зоны наблюдения сигналы с N-канальной 4 антенной рещетки через N - канальный 3 коммутатор приема-передачи поступают на N - канальный блок 2 обработки, где в каждом из приемных 13 каналов осуществляется анагюго-цифровое преобразование в блоках 14, вычисление спектров в блоках 15 выделение дополнительно внесенными цифровыми согласованными 16 фильтрами на основании алфавита кодирования соответствующих им сигналов. С выходов приемных 13 каналов выделенные сигналы поступают на соответствующие входы дополнительно внесенного N - канального электронного 17 коммутатора. В дополнительно внесенном N - канальном электронном 17  коммутаторе, состоящем из комбинаций логических элементов «И, определяемых по выходной маске поступающей с ЭВМ 1 по дополнительно внесенной магистрали 19, формируются сигналы яркостной модуляции пространственной развертки дополнительно внесенного цифрового 18 индикатора. Развертка дополнительно внесенного цифрового 18 индикатора также формируется по выходной маске, поступающей с четвертого выхода ЭВМ 1, а при отражении от точек зоны наблюдения в соответствующих им точках развертки происходит подсветка.
Синхронизация работы всех элементов заявляемого устройства осуществляется ЭВМ.
Примером реализуемости функциональных элементов заявляемого устройства являются следующие известные фалоги: - ЭВМ 1 аналогична ЭВМ прототипа/2/;
-конструкции элементов 3 и 4 широко известны и в частности онисаны в литературе /8, 9/;
-элементы: 9, 10, 11, 14, 15, 6 и 19 могут быть выполнен по известным схемам, широко описанным в литературе /8 - 14/;
-элемент 16 может быть выполнен, например, на основании схем, приведенных на стр. 294 - 326 в кн. /15/;
-элемент 8 состоит из приведенных ранее элементов: 9, 10 и 11;
-элемент 7 состоит из N элементов 8;
-элемент 13 состоит из элементов 14, 15 и 16;
-элемент 2 составлен из N элементов 13;
-элемент 18 может быть представлен дисплеем персональной ЭВМ /10/;
-элемент 5 может быть выполнен в виде клавиатура ввода ЭВМ /10/;
-элемент 17 представляет собой набор логических элементов широко приведенных в литературе см. стр. 335-358 в кн. /14/ и стр. 534- 585 в кн. /16/;
-элементы 6 и 19 представляет собой шрфоко описанную и используемую в различных вычислительных системах проводную (адресную и информационную) шину /10/.
Эффективность.
Заявляемое техническое решение позволяет повысить эффективность системы наблюдения, за счет точечной пространственной селекции и регулировки мош:ности облучения заданных точек пространства. Этим достигается устранение недостатка, присущего аналогам и прототипу связанного с маскировкой одного объекта другим при отображении на индикаторе.
Библиографические данные:
1.Нагаев В.Ф. Имиульсные РЛС со сложной формой сигнала. Непрерывные и квазинепрерывные РЛС. -М.:МВИРУ НВО страны, 1964. - 148 с.
2.Стрюков Б.А., Лукьянчиков А.В., Маринец А.А., Федоров Н.А. Короткоимпульсные локационные системы// Зарубежная радиоэлектроника.1989. - № 8, с. 42- 59.
3.Ч. Кук, М. Бернфельд. Радиолокационные сигналы. Hep. с англ. -М.: Сов. Радио, 1971.-568 с.
4.Сапрыкин В.А., Рокотов С.Н. Теория гидроакустики и цифровая обработка сигналов., часть 2.-Л.: ВВМУРЭим. А.С. Нопова, 1991. - 416с.
5.Рихачек А.В. Сигналы допустимые с точки зрения доплеровского эффекта// ТННЭР. - 1966.-Т.54.- №6.
6.Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. -М.: Радио и связь,
1993.-417 с.
7.Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов: Hep. с англ. -М.: Мир, 1988. - 488 с.
8.Самойлов Л.К. Электронное управление характеристиками направленности антенн.-Л.: Судостроение, 1987. -280 с.
9.Гусев В.Г. Системы пространственно-временной обработки гидроакустической информации. -Л.: Судостроение, 1998.- 264 с.
10.Матов В.И. и др. Бортовые цифровые вычислительные машины и
системы. - М.: Высш. шк., 1988. - 216 с. И.Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и
связь, 1986.-358 с. 12. Нрянипшиков В.А. Электроника: курс лекций. - СНб.: KOPOEL принт,
14
13.Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. М.: Радио и связь, 1988. - 176 с.
14.Манаев Е.И. Основы радиоэлектронники: Учебн. Пособие для вузов. 2-е изд., нерераб. и дон. - М.: Радио и связь, 1985. - 488 с., ил.
15.Опненгейн Э. Применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1980.-552 с.
16.Гусев В.Г., Гусев Ю. М. Электроника: 2-е изд., перераб. и дон. - М.: Высш. школа, 1991. - 622 с.: ил.
Авторы, заяви; и:
С.П. Павликов,.  Е.И. Убанкин, 24 марта 2000 г. ..С. Богданов, i/{/im m(. Коленченко.